הנשימה – חילוף גזים
-----------------------------------------------------------------------
אנו מכבדים זכויות יוצרים ועושים מאמץ לאתר את בעלי הזכויות בצילומים המגיעים לידינו. אם זיהיתם בפרסומינו צילום שיש לכם זכויות בו, אתם רשאים לפנות אלינו ולבקש לחדול מהשימוש באמצעות כתובת המייל: rentatar@gmail.com - שלחו כאן אימייל
בשפת המדע, תהליך הנשימה נקרא חילופי גזים. תהליך זה מתרחש ברמת הגוף השלם ואנו חשים בחסרונו כאשר אנו סותמים את האף ואת הפה. בתהליך הנשימה נכנס אוויר לריאות ויוצא מהן בהרכב קצת שונה, שכן החמצן מועבר לתאים ומהריאות יוצא פחמן דו-חמצני.
גם בתאים מתרחשים חילופי גזים, כל תא קולט חמצן מן הדם ופולט אליו פחמן דו חמצני.
התאים הם אלו שצורכים את החמצן. החמצן מנוצל להפקת אנרגיה מחומרי המזון שמגיעים לתאים בתהליך המכונה נשימה תאית.
כל התאים זקוקים לחמצן שכן בלעדיו הם אינם יכולים להפיק אנרגיה, אך הם אינם מסוגלים לקבל חמצן ישירות מהאוויר ולכן החמצן מגיע אל התאים הודות לפעולתן של מערכת הנשימה ומערכת הדם.
האיברים המשתתפים בתהליך הנשימה
בניגוד למערכת העיכול שמהווה כולה צינור רצוף הפתוח לסביבה החיצונית, מערכת הנשימה מתחילה בצינור רצוף הפתוח לסביבה החיצונית אך הקשר עם הסביבה החיצונית מסתיים בריאות והאוויר נכנס למערכת ויוצא ממנה דרך האף (וקצת גם דרך הפה).
האוויר נכנס דרך האף והפה אל קנה הנשימה, משם מגיע אל הסמפונות ואל הריאות ומשם אל הדם ואל כל הגוף.
האף
בממוצע, בכל דקה אנו מכניסים ומוציאים אוויר מן האף 14 פעמים. בזמן זה אנו קולטים ופולטים כשבעה ליטרים של אוויר. המרחק בין האף לגרון הוא סנטימטרים מעטים, אך הדרך שעובר האוויר באף ארוכה ומפותלת שכן פנים האף בנוי חללים בעלי דפנות מפותלות. חללים אלו נקראים מערות האף. מערות האף מצופות בשכבה של תאים המפרישים ריר והסביבה עשירה בלחות. שכבה זו מכונה רירית האף. הפיתולים באף מגדילים את שטח המגע עם הרירית.
אם האוויר היה נכנס ישירות לריאות, הוא היה מגיע אליהן כמעט תמיד קריר ויבש יותר מהאוויר בריאות. במעבר דרך מערות האף האוויר המתחכך בריריות האף מתחמם וסופח כמות ניכרת של לחות וכך המעבר באף ממזג את האוויר לטמפרטורה וללחות המתאימות לסביבה השוררת בריאות. הודות לכך נמנעות תנודות חריפות של הטמפ’ בריאות ובבית החזה בכלל וניתן לראות במנגנון זה כמנגנון הומיאוסטאזי (מנגנון לשמירה על סביבה פנימית יציבה.
בנוסף להיותו ממזג אוויר, חלל האף גם מהווה מסננת יעילה מאוד. 10,000 ליטרים של אוויר הנכנסים לאף ביממה (בממוצע) מכילים כ-150 אלף חיידקים לליטר, בנוסף במקומות רבים בעולם האוויר גם מלא פיח ואבק.
השכבה הרירית של מערות האף מסננת את כל אלה ביעילות מרשימה. רוב החיידקים והחלקיקים האחרים נלכדים בריר המכיל חומרים קוטלי חיידקים וכמו כן על פני התאים ישנה שכבה של ריסים מיקרוסקופיים הנעים בתנועה גלית מתמדת ודוחפים את הריר לכיוון פתח הלוע ושם הוא נבלע בוושט וכך מסולק מן הגוף.
לסיכום, האוויר העובר מן האף אל קנה הנשימה נקי בהרבה מהאוויר שנכנס לאף.
במקרה של מחלה
כאשר יש לנו נזלת הדבר נובע מכך שנכנסת כמות גדולה של חלקיקים מזהמים שנדבקים לשכבה הרירית וגורמים להפרשת ריר מוגברת. הדבר מלווה בהתנפחות של הרקמה עד כדי כך שלעיתים היא מקשה על מעבר האוויר והוא עובר דרך הפה ללא סינון ומיזוג אל הריאות, דבר הגורם לנו לאבד נוזלים רבים.
בחודש מרץ 2020 פרצה מחלת הקורונה Coronavirus – COVID-19 אשר פגעה קשה בריאות וברמת החמצן בדם, עדיין לא ברור לגמרי המנגנון שפוגע בריאות אך ידוע שרוב החולים המבוגרים נזקקו למכונות נשחמה לרווית הדם בחמצן, תפקיד שהריאות נכשלו בו במחלת הקורונה.
האוויר עובר דרך הקנה והסמפונות אל הריאות
קנה הנשימה (בניגוד לוושט שנמצאת בסמוך אליו) פתוח כל הזמן ופתחו העליון נסגר אך ורק כאשר מזון נבלע בפה ועובר לוושט. קנה הנשימה מצופה בטבעות סחוס ששומרות עליו פתוח ומייצבות אותו גם כאשר יש עליו לחץ מהצדדים.
לאורך הדפנות הפנימיות של הקנה נמצאים תאים בעלי ריסים כמו שברירית האף. הריסים נעים בתנועה גלית כלפי מעלה ודוחפים שאריות של הריר העמוס בחלקיקים לעבר הלוע ושם הן נבלעות. בכך ישנו סיוע נוסף בסינון האוויר בדרך לריאות.
בהמשך, הקנה מסתעף לשני צינורות הנקראים סמפונות. כל סמפון מסתעף בקצהו לצינורות הממשיכים להסתעף עוד ועוד לסמפונות ההולכים וקטנים. הסמפונות הקטנים ביותר מסתעפים בקצותיהם ונגמרים בהתרחבויות דמויות שקיקים קטנטנים וכדוריים. רקמתה של ריאה ממוצעת בנויה מ-300 מיליון שקיקים שכאלה המחוברים כמו אשכולות ענבים לקצות הצינורות. כל שקיק שכזה נקרא נאדית.
חילופי הגזים בריאות
נאדיות הריאה מלופפות מכל צדדיהן בכלי דם זעירים רבים מאוד המכונים נימי דם. החמצן שבאוויר מומס בשכבת הנוזל הדקה המכסה את הנאדית. החמצן המומס עובר את שכבת התאים של הנאדית דרך שכבת דופן נימי הדם, נכנס לנוזל הדם וממנו אל תאי הדם האדומים הנמצאים בו. תאי דם האדומים מובילים את החמצן אל כל תאי הגוף.
הריבוי העצום של נאדיות הריאה הזעירות וריבוי נימי הדם סביבם מגדילים מאוד את שטח הקרומים המאפשרים מעבר של חמצן.
במקביל למעבר החמצן מהנאדיות אל הדם, מועבר מהדם אל הנאדיות פחמן דו-חמצני ומשם מסולק מהגוף. מעברים אלו מתבצעים באמצעות דיפוזיה.
דיפוזיה
כאשר חלקיקים של חומר מסוים מרוכזים יותר בסביבה אחת ומרוכזים פחות בסביבה סמוכה אליה, נראה כאילו החלקיקים נעים באופן מכוון מהריכוז הגבוה לריכוז הנמוך. זו התופעה המכונה בשם דיפוזיה.
הגורמים המשפיעים על קצב הדיפוזיה:
- מהירות הדיפוזיה תלויה בהבדל בריכוזי החומר בין שתי הסביבות. ככל שההבדל בריכוז החומר בשתי הסביבות גדול יותר, הדיפוזיה תהיה מהירה יותר ולהיפך.
- קצב הדיפוזיה תלוי בשטח המגע בין החלקיקים לסביבה – ככל ששטח המגע גדול יותר, קצב הדיפוזיה מהיר יותר.
- חימום של התמיסה בה מתרחשת הדיפוזיה מגביר את מהירות תנועת החלקיקים וגורם להחשת קצב הדיפוזיה.
- ככל שאורך הדרך שעוברים החלקיקים קצרה יותר, כך הדיפוזיה תהיה מהירה יותר ולהיפך.
ריכוז החמצן בדם קטן מריכוז החמצן בנאדית ולכן ישנה דיפוזיה מהנאדית אל הדם. כמו כן, ריכוז הפחמן הדו-חמצני בדם גדול מריכוז החמצן בנאדית ולכן פחמן דו חמצני עובר מן הדם אל הנאדית.
שאיפה ונשיפה
(בחלק זה יוזכרו חלקים בבית החזה שעליהם לא דובר בסיכום זה. בכדי לקבל מידע נוסף, מומלץ להסתכל בציורים שבעמוד 59 בספר “ביולוגיה של האדם” מאת עדי מרקוזה-הס. חלק זה נכתב בהתאם למה שכתוב שם)
במצב מנוחה אנו נושמים בין 13 ל-16 נשימות בדקה. כל נשימה מורכבת משתי פעולות: שאיפה ונשיפה.
נהוג לחשוב שכאשר אנו נושמים עמוק הריאות “שואבות” את האוויר, אך זה לא נכון. בשאיפה בית החזה מתרחב ומכיוון שהריאות מוצמדות לבית החזה באמצעות קרום דק הנקרא אדר, הגורם לכך שכל ריאה צמודה בעוצמה רבה לדופן בית החזה.
שאיפה
הסרעפת מתכווצת ויורדת כלפי מטה לעבר הבטן. התכווצות השרירים שבין הצלעות גורמת לצלעות להתרומם בכיוון מעלה והחוצה. כתוצאה משתי פעולות אלו מתרחב בית החזה והריאות נמשכות בעקבות הדפנות ומתרחבות גם הן. בעקבות העלייה בנפח הריאות, חלה ירידה בלחץ האוויר בתוכן ואוויר זורם מהחוץ אל תוך הריאות.
נשיפה
מיד לאחר השאיפה, הסרעפת מתרפה ומתרוממת כלפי מעלה. השרירים שבין הצלעות מתרפים, הצלעות יורדות, חלל בית החזה מצטמצם והריאות שבות לנפחן הקודם. בשל ירידת נפח הריאות גדל לחץ האוויר בתוכן והאוויר זורם החוצה מן הריאות.
קצב האוורור הריאתי
קצב האוורור הריאתי הוא כמות האוויר שנכנס במשך זמן מסוים.
נפח אוויר בנשימה אחתXקצב הנשימה=קצב האוורור הריאתי.
בדרך-כלל נוטים לחשוב שהירידה בריכוז החמצן בדם גורמת להגברה של האוורור. אך הדבר לא לגמרי נכון. מערכת הבקרה המוחית רגישה לכמויות החמצן בדם, אך הגורם העיקרי המשפיע על שיעור האוורור הוא דווקא רמת הפחמן הדו-חמצני בדם.
עודף של פחמן דו-חמצני בדם מהווה גירוי חזק למרכז בקרת הנשימה במוח. בתגובה על עלייה בריכוז הפחמן הדו-חמצני, מוציא המוח פקודה לסרעפת ושרירי בת החזה להגביר את שיעור האוורור. תגובת המוח לשינוי ברמת הפחמן הדו-חמצני מהירה הרבה יותר מהתגובה לשינויים ברמת החמצן. רגישותו של המוח לעלייה ברמת הפחמן הדו חמצני כה גבוהה עד כדי כך שהוא מונע למעשה כל אפשרות של הפסקת הנשימה מרצון. אדם לא יכול לעצור את הנשימה עד מוות. במקרה של מצוקה מוציא המוח פקודה לבית החזה להתרחב ופעולה זו גוברת על כל פעולה אחרת שמנסה לבצע האדם.
הנשמה מפה לפה
כאשר אדם נופל ומאבד את הכרתו, יש לבדוק אם הוא נושם. אם מתברר שאינו נושם, יש לבצע בו הנשמה מפה לפה. ההנשמה משיגה שתי מטרות:
- הזרמת אוויר לריאותיו של האדם.
- המנשים פולט מפיו אוויר המכיל אחוז גבוה של פחמן דו חמצני שגורמת לגירוי במוחו של המונשם ומעוררת את מרכז בקרת הנשימה שלו להגביר את קצב האוורור.
ויסות קצב האוורור במצב של מאמץ
שריר במאמץ ß עליה ברמת פחמן דו חמצני בדם וירידה ברמת החמצן ß מידע מהדם למוח – עלייה ברמת הפחמן הדו חמצני ß מרכז בקרת הנשימה במוח רגיש מאוד לרמת הפחמן הדו חמצני ß הגברת קצב האוורור והגברת אספקה של חמצן לשרירים.
* כאשר עושים פעילות גופנית, שרירי הצלעות מפותחים יותר ואז אפשר לנשום פחות מכיוון שנפח אוויר בנשימה אחת גדל.
ויסות קצב האוורור במצב של אוורור יתר
הנשמות מהירה (אוורור יתר) ß ירידה חדה ברמת פחמן דו-חמצני ß מידע מהדם למוח – חוסר בפחמן דו-חמצני ß מרכז בקרת הנשימה במוח רגיש מאוד לרמת הפחמן הדו חמצני ß עיכוב הנשימה – ירידה ברמת החמצן בדם ß התעלפות – הפסקת אוורור יתר ß חידוש קצב נשימה רגיל.
נשימה תאית
תהליך פירוק החומרי המזון תוך כדי קליטת חמצן ופליטת פחמן דו-חמצני מתרחש בתאים ונקרא נשימה תאית. חלקו העיקרי מתרחש בתוך אברונים בתא הקוראים מיטוכונדריה (ביחיד – מיטוכונדריון):
- חומרי מזון נכנסים לתא וכמו כן גם חמצן נכנס לתא.
- חומרי המזון מתפרקים ונכנסים לתוך המיטוכונדיון. כמו כן גם החמצן נכנס למיטוכונדריון ושם מופקת אנרגיה.
- שחרור של: אנרגית חום (שנפלטת החוצה), אנרגיה כימית ATP (המנוצלת בתאים), מים (שנפלטים החוצה), פחמן דו-חמצני (שנפלט החוצה).
כתוצאה מפליטת אנרגית החום, נשמרת גם הטמפ’ הקבועה בגוף.
מזהמים באוויר
תהליך הנשימה יכול להשתבש בחדירה של גורם מזהם כלשהו המגרה את השכבה הרירית שבאף.
ישנם מספר גורמים מזהמים באוויר:
מזהמים ביולוגיים: חיידקים ונגיפים. בדרך כלל הם נבלמים בדרכם לריאות אך כאשר הם נמצאים בריכוז גבוה מאוד באוויר או כאשר מערכות ההגנה בגוף נחלשות (בגלל זקנה או מחלה), המזהמים חודרים לגוף וגורמים למחלות. אם המחלה פוגעת רק בסמפונות אז יש ברונכיטיס. אם המחלה מגיעה עד לנאדיות הריאה, יש דלקת ריאות. הסכנה בדלקת ריאות היא הפרעה במעבר החמצן מהנאדיות לדם.
מזהמים לא ביולוגיים: מאז המהפכה התעשייתית, לפני כ-250 שנה, מזהם האדם את האוויר בהתמדה בגורמים שעשויים להיות יותר מסוכנים מהחומרים הביולוגיים. חלק רב מהזיהום הלא ביולוגי מקורו בשריפת דלקים (מכוניות, תחנות כוח, מפעיל תעשייה ועוד). בשריפת הדלק משתחררים לאוויר חלקיקים מיקרוסקופיים של פיח וגזים רעילים אחרים. הפיח גורם להפרעה במעבר הגזים הריאה והגזים הרעילים (פחמן חד-חמצני בין השאר) מעכבים את קשירת החמצן בתאי הדם האדומים. גופרית למשל פוגעת בדרכי הנשימה וגורמת להופעת מחלה האסתמה.
דרכים נוספות לחבלה בריאות
יש אנשים המכבידים על ריאותיהם עוד יותר ומכניסים אליהן מזהמים נוספים. אנשים מעשנים מכניסים ישירות לתוך הריאות מנה גדושה של פיח עם כל סיגריה. לצד הפיח, נכנסת גם זפת ששוקעת ונדבקת לרקמת הריאות. הפיח מגרה את השכבה הרירית וגורם לה להגביר את הפרשת הריר. זו הסיבה שמעשנים וותיקים מרבים להשתעל שיעול עמוס ליחה.
הפיח והזפת מכילים גורמים שהם גורמי סרטן מובהקים. מחקרים במאות אלפי אנשים הוכיחו כי ישנו קשר חד-משמעי בין עישון לבין סרטן הריאות. כמו כן, הממצאים מצביעים על כך שהעישון מגדיל גם את ההסתברות לחלות בסרטן של הפה, הלוע והוושט.
