ساز و کار دستگاه تنفس در انسان

4 مفهوم در این درس

آزمونک سریع

با چند پرسش تصادفی، آمادگی‌ات را بسنج

در حال آماده‌سازی آزمونک…

بخش هادی دستگاه تنفس

بخش هادی دستگاه تنفس شامل مجاری است که هوا را به درون شش‌ها هدایت کرده و آن را برای تبادل گاز آماده می‌کنند. این مسیر از بینی آغاز شده و پس از عبور از حلق، حنجره، نای و نایژه‌ها، به نایژک‌های انتهایی ختم می‌شود. در ابتدای بینی، پوست حاوی بافت پوششی سنگفرشی چندلایه است، اما سایر بخش‌ها عمدتاً با مخاط مژک‌دار پوشیده شده‌اند.

نای لوله‌ای منعطف اما مستحکم است که در جلوی مری قرار دارد. دیواره نای دارای حلقه‌های غضروفی C شکل است که از بسته شدن آن جلوگیری می‌کنند. انتهای نای به دو نایژه اصلی تقسیم می‌شود. نایژه اصلی راست نسبت به چپ، کوتاه‌تر و قطورتر است. نایژه‌ها برخلاف نای، دارای قطعات غضروفی هستند و با ورود به شش‌ها به نایژه‌های کوچک‌تر و در نهایت به نایژک‌ها تقسیم می‌شوند.

ویژگیناینایژک‌ها
غضروفدارد (C شکل)ندارد
تنظیم هواخفیفاصلی (زیاد)
بافت پوششیاستوانه‌ای مژک‌داراستوانه‌ای مژک‌دار

نایژک‌ها به دلیل نبود غضروف و داشتن ماهیچه صاف، توانایی تنگ و گشاد شدن دارند. این ویژگی تحت تأثیر عواملی مثل هورمون اپی‌نفرین (که باعث گشاد شدن نایژک‌ها می‌شود) قرار دارد و مقدار هوای ورودی به بخش مبادله‌ای را تنظیم می‌کند.

واژگان کلیدی

بخش هادی
قسمتی از دستگاه تنفس که وظیفه انتقال، گرم، مرطوب و تصفیه کردن هوای ورودی را دارد.
نایژک انتهایی
آخرین انشعاب بخش هادی که فاقد غضروف بوده و قبل از نایژک مبادله‌ای قرار دارد.
مخاط مژک‌دار
بافتی شامل یاخته‌های مژک‌دار و ترشحی که ذرات ناخالصی را به دام انداخته و به سمت حلق می‌راند.

اشتباه‌های رایج

  • اشتباه رایج این است که تصور شود نایژک‌ها غضروف دارند؛ نایژک‌ها فاقد غضروف‌اند و به همین دلیل قطرشان تغییر می‌کند.
  • برخی فکر می‌کنند نایژه اصلی چپ قطورتر است؛ در حالی که نایژه اصلی راست کوتاه‌تر و قطورتر است.
  • نای در جلوی مری قرار دارد، نه در عقب آن.

جمع‌بندی این مفهوم

  • بخش هادی شامل بینی، حلق، حنجره، نای، نایژه‌ها و نایژک‌های انتهایی است.
  • نای دارای غضروف‌های C شکل است که دهانه باز آن‌ها به سمت مری (در عقب) قرار دارد.
  • نایژک‌ها برخلاف نای و نایژه‌ها فاقد غضروف بوده و با ماهیچه صاف خود جریان هوا را تنظیم می‌کنند.
  • بافت پوششی اکثر این بخش استوانه‌ای مژک‌دار است که برای پاکسازی و مرطوب کردن هوا تخصص یافته است.
  • نایژه اصلی راست نسبت به چپ کوتاه‌تر و قطورتر است و بخشی از نایژه‌های اصلی درون شش قرار دارند.

نکتهٔ تکمیلی

جالب است بدانید که در افراد سیگاری، مژک‌های یاخته‌های پوششی مجاری تنفسی بر اثر دود سیگار فلج شده یا از بین می‌روند. این موضوع باعث می‌شود مکانیسم طبیعی پاکسازی ریه مختل شده و ذرات بیگانه و آلودگی‌ها در مجاری باقی بمانند؛ به همین دلیل افراد سیگاری برای خارج کردن این ناخالصی‌ها مجبور به سرفه‌های شدید (سرفه سیگاری‌ها) هستند.

حنجره و مکانیسم بلع

حنجره در ابتدای نای و انتهای حلق قرار دارد. این اندام ساختاری غضروفی داشته و علاوه بر تولید صدا توسط پرده‌های صوتی، وظیفه حیاتی محافظت از مجرای تنفسی در برابر ورود غذا را بر عهده دارد. در بالای حنجره، دریچه‌ای غضروفی به نام برچاکنای (اپی‌گلوت) قرار دارد.

فرایند بلع

هنگام بلع، حرکات هماهنگی صورت می‌گیرد تا غذا از گلو به مری هدایت شده و وارد نای نشود. در این زمان، حنجره به سمت بالا حرکت کرده و همزمان برچاکنای به سمت پایین خم می‌شود تا دهانه نای را کاملاً مسدود کند. همچنین زبان کوچک به سمت بالا رفته و راه بینی را می‌بنیند.

هنگامی که فرد در حین غذا خوردن صحبت می‌کند یا می‌خندد، هماهنگی حرکت حنجره و اپی‌گلوت مختل شده و ذرات غذا ممکن است وارد نای شوند که منجر به واکنش شدید «سرفه» برای دفع آن می‌شود.

برچاکنای در حالت عادی بالا ایستاده است تا هوا آزادانه عبور کند، اما فقط در هنگام بلع پایین می‌آید. در هنگام سرفه، برچاکنای پایین نمی‌آید تا هوا با فشار از شش‌ها خارج شود. همچنین چین‌های صوتی در حین بلع به یکدیگر نزدیک می‌شوند تا سد حفاظتی کامل گردد.

واژگان کلیدی

برچاکنای (اپی‌گلوت)
دریچه‌ای غضروفی که در هنگام بلع با حرکت به سمت پایین، راه ورود به نای را می‌بندد.
پرده‌های صوتی
تارهای لرزنده‌ای در حنجره که با عبور هوای بازدمی، صدا تولید می‌کنند.
بلع
فرایند انتقال لقمه غذا از دهان به مری که شامل غیرفعال کردن موقت مسیر تنفس است.

اشتباه‌های رایج

  • اشتباه است که فکر کنیم اپی‌گلوت در سرفه پایین می‌آید؛ اپی‌گلوت فقط در دم و بازدم عادی بالا است و در بلع پایین می‌آید.
  • بسیاری تصور می‌کنند حنجره در بلع پایین می‌رود، در حالی که حنجره به سمت بالا حرکت می‌کند.
  • اپی‌گلوت به هیچ غضروف دیگری در حنجره اتصال مستقیم ندارد.

جمع‌بندی این مفهوم

  • حنجره در ابتدای نای قرار داشته و حاوی پرده‌های صوتی و اپی‌گلوت است.
  • وظیفه اصلی اپی‌گلوت جلوگیری از ورود غذا به نای با پوشاندن دهانه آن در زمان بلع است.
  • هنگام بلع، حنجره بالا می‌رود، اپی‌گلوت پایین می‌آید و چین‌های صوتی به هم نزدیک می‌شوند.
  • اپی‌گلوت پایین نمی‌آید مگر در زمان بلع؛ در سرفه یا نفس کشیدن بالا باقی می‌ماند.
  • حنجره در جلوی مری قرار گرفته و از انتهای حلق منشعب می‌شود.

نکتهٔ تکمیلی

عملکرد حنجره در انسان بسیار پیچیده‌تر از سایر پستانداران است. پایین‌تر بودن موقعیت حنجره در گلو به انسان اجازه می‌دهد صداهای متنوع‌تری تولید کند و تکلم داشته باشد، اما همین ویژگی باعث می‌شود احتمال پریدن غذا در گلو و خفگی در انسان نسبت به حیوانات بسیار بیشتر باشد. در نوزادان انسان، حنجره در سطح بالاتری قرار دارد و آن‌ها می‌توانند همزمان هم شیر بخورند و هم نفس بکشیم!

بخش مبادله‌ای و حبابک‌ها

بخش مبادله‌ای دستگاه تنفس جایی است که تبادل گازها (اکسیژن و کربن دی‌اکسید) بین هوا و خون صورت می‌گیرد. این بخش شامل نایژک‌های مبادله‌ای و حبابک‌ها است. نایژک‌های مبادله‌ای به خوشه‌هایی از حبابک به نام کیسه حبابکی ختم می‌شوند، اگرچه برخی حبابک‌ها به صورت انفرادی نیز روی نایژک قرار دارند.

ساختار دیواره حبابک

دیواره حبابک‌ها بسیار نازک است و از دو نوع یاخته اصلی تشکیل شده است:

  • یاخته‌های نوع اول: یاخته‌های سنگفرشی و فراوانی هستند که کار اصلی آن‌ها تبادل گاز است.
  • یاخته‌های نوع دوم: یاخته‌هایی با ظاهر غیرسنگفرشی و تعداد کمتر که ترشح‌کننده عامل سطح فعال (سورفاکتانت) هستند.

سورفاکتانت با کاهش نیروی کشش سطحی لایه نازک آب درون حبابک، از فروپاشی آن‌ها جلوگیری کرده و باز شدن آن‌ها را در هنگام دم تسهیل می‌کند.

تبادل گازها از طریق انتشار انجام می‌شود. در نقاط متعددی، یاخته‌های سنگفرشی حبابک و یاخته‌های سنگفرشی مویرگ دارای یک غشای پایه مشترک هستند. این ساختار (دیواره حبابک + غشای پایه مشترک + دیواره مویرگ) فاصله انتشار را به حداقل می‌رساند.

در حبابک‌ها، ماکروفاژها نیز حضور دارند که ذرات ناخالصی و میکروب‌ها را می‌بلعند، اما این یاخته‌ها جزء یاخته‌های سازنده دیواره حبابک محسوب نمی‌شوند.

واژگان کلیدی

سورفاکتانت
ماده‌ای از جنس لیپوپروتئین که توسط یاخته‌های نوع دوم ترشح شده و کشش سطحی حبابک را کاهش می‌دهد.
ماکروفاژ (درشت‌خوار)
یاخته‌ای ایمنی با توانایی بیگانه‌خواری که در فضای داخلی حبابک‌ها به پاکسازی می‌پردازد.
غشای پایه مشترک
لایه‌ای پروتئینی که باعث اتصال نزدیک دیواره حبابک و مویرگ برای سرعت بخشیدن به تبادل گاز می‌شود.

اشتباه‌های رایج

  • سورفاکتانت توسط یاخته‌های نوع اول ترشح نمی‌شود؛ بلکه کار یاخته‌های نوع دوم است.
  • ماکروفاژها جزء یاخته‌های دیواره حبابک نیستند، بلکه در فضای داخلی آن حضور دارند.
  • سورفاکتانت کشش سطحی را صفر نمی‌کند، بلکه آن را کاهش می‌دهد.
  • ترشح سورفاکتانت از اواخر دوران جنینی آغاز می‌شود، نه اینکه متوقف شود.

جمع‌بندی این مفهوم

  • بخش مبادله‌ای شامل نایژک‌های مبادله‌ای و کیسه‌های حبابکی است که به ریه حالت اسفنجی می‌دهند.
  • یاخته‌های نوع اول حبابک مسئول تبادل گازها و یاخته‌های نوع دوم مسئول ترشح سورفاکتانت هستند.
  • سورفاکتانت با کاهش کشش سطحی آب، مانع از فروپاشی (روی هم خوابیدن) حبابک‌ها در دم و بازدم می‌شود.
  • فاصله بین هوا و خون در محل غشای پایه مشترک بسیار کم است تا انتشار گازها سریع انجام شود.
  • درشت‌خوارها (ماکروفاژها) تنها مسئول پاکسازی و بیگانه‌خواری در حبابک‌ها هستند.

نکتهٔ تکمیلی

در نوزادان نارس که زودتر از هفته ۳۳ بارداری متولد می‌شوند، یاخته‌های نوع دوم هنوز به مقدار کافی سورفاکتانت تولید نکرده‌اند. به همین دلیل این نوزادان با اولین نفس‌های زندگی دچار مشکل حاد تنفسی می‌شوند؛ چون حبابک‌های آن‌ها به دلیل کشش سطحی بالای آب به سختی باز می‌شود. امروزه برای درمان این نوزادان از سورفاکتانت‌های مصنوعی یا استخراج شده از حیوانات استفاده می‌شود تا زمان کافی برای تکامل ریه فراهم شود.

حمل گازهای تنفسی در خون

گازهای تنفسی پس از تبادل در حبابک‌ها، توسط خون به سراسر بدن منتقل می‌شوند. گویچه‌های قرمز (گلبول قرمز) قهرمان حمل این گازها هستند. اکسیژن عمدتاً (۹۷٪) با اتصال به پروتئین هموگلوبین جابه‌جا می‌شود و تنها مقدار کمی از آن در خوناب حل می‌شود.

حمل کربن دی‌اکسید (CO2)

کربن دی‌اکسید به سه صورت حمل می‌شود:

  1. به صورت یون بیکربنات (۷۰٪): کربن دی‌اکسید وارد گلبول قرمز شده و به کمک آنزیم کربنیک انیدراز با آب ترکیب شده و اسید کربنیک (H2CO3) می‌سازد. این اسید بلافاصله به یون بیکربنات و هیدروژن تجزیه شده و بیکربنات وارد پلاسمای خون می‌شود.
  2. اتصال به هموگلوبین (۲۳٪): به بخش دیگری از هموگلوبین وصل می‌شود.
  3. حل شده در پلاسما (۷٪).

بیشترین مقدار اکسیژن توسط هموگلوبین و بیشترین مقدار کربن دی‌اکسید به صورت یون بیکربنات در خون جابه‌جا می‌گردد.

گاز سمی کربن مونوکسید (CO) میل ترکیبی بسیار بالایی با هموگلوبین دارد و دقیقاً به همان جایگاه اکسیژن متصل می‌شود. تفاوت اساسی اینجاست که CO به آسانی از هموگلوبین جدا نمی‌شود و جایگاه‌ها را اشغال کرده، باعث کاهش شدید ظرفیت حمل اکسیژن می‌شود.

واژگان کلیدی

هموگلوبین
پروتئینی حاوی آهن در گلبول‌های قرمز که تخصص آن حمل اکسیژن و مقداری کربن دی‌اکسید است.
کربنیک انیدراز
آنزیمی درون گلبول قرمز که واکنش ترکیب آب و کربن دی‌اکسید را برای تولید اسید کربنیک سرعت می‌بخشد.
کربن مونوکسید
گازی بی‌رنگ و بی‌بو که با اتصال پایدار به هموگلوبین مانع از رسیدن اکسیژن به بافت‌ها می‌شود.

اشتباه‌های رایج

  • اشتباه است که فکر کنیم آنزیم کربنیک انیدراز در پلاسما (خوناب) وجود دارد؛ این آنزیم فقط درون گلبول قرمز است.
  • بسیاری تصور می‌کنند کربن دی‌اکسید عمدتاً متصل به هموگلوبین حمل می‌شود، در حالی که شکل غالب آن یون بیکربنات است.
  • برخی به اشتباه فکر می‌کنند خون تیره فاقد اکسیژن است؛ در حالی که هر دو خون روشن و تیره حاوی هر دو گاز هستند، فقط درصد آن‌ها متفاوت است.

جمع‌بندی این مفهوم

  • اکسیژن بیشتر توسط هموگلوبین و مقدار کمی به شکل محلول در پلاسما حمل می‌شود.
  • آنزیم کربنیک انیدراز درون گلبول قرمز، کربن دی‌اکسید را به اسید کربنیک و سپس به بیکربنات تبدیل می‌کند.
  • بیکربنات شکل اصلی حمل کربن دی‌اکسید در خون (۷۰ درصد) است که در پلاسما جابه‌جا می‌شود.
  • کربن مونوکسید با اشغال جایگاه اکسیژن در هموگلوبین و عدم جدایی آسان، باعث مسمومیت می‌شود.
  • غلظت گازها و فشار جزئی آن‌ها در محیط اطراف هموگلوبین، زمان اتصال یا جدایی آن‌ها را تعیین می‌کند.

نکتهٔ تکمیلی

آیا می‌دانستید ظرفیت میل ترکیبی هموگلوبین با گاز کربن مونوکسید حدود ۲۰۰ تا ۲۵۰ برابر بیشتر از اکسیژن است؟ این یعنی حتی اگر مقدار ناچیزی CO در هوا باشد، هموگلوبین میان اکسیژن فراوان و کربن مونوکسید اندک، CO را انتخاب می‌کند! به همین دلیل است که مسمومیت با مونوکسید کربن در فضاهای بسته که بخاری یا شومینه نقص فنی دارند، بسیار سریع و بی‌صدا رخ می‌دهد.

خلاصهٔ درس

نفس کشیدن چطور کار می‌کند؟

Biology · Respiratory System

بخش هادی: مسیر هوا تا شش

  • مسیر: بینی ← حلق ← حنجره ← نای ← نایژه ← نایژک انتهایی
  • نای: دارای حلقه‌های غضروفی C‌شکل؛ دهانه باز به سمت مری
  • نایژه اصلی راست نسبت به چپ کوتاه‌تر و قطورتر است
  • نایژک‌ها: بدون غضروف، با ماهیچه صاف ← قطرشان تغییر می‌کند
  • اپی‌نفرین نایژک‌ها را گشاد می‌کند ← هوای بیشتری به بخش مبادله‌ای
نایژک انتهایی
آخرین انشعاب هادی؛ فاقد غضروف، پیش از بخش مبادله‌ای

نکته: در سیگاری‌ها مژک‌های پوششی مجاری فلج می‌شوند؛ سرفه جایگزین پاکسازی طبیعی ریه می‌گردد.

حنجره و دریچه برچاکنای

  • حنجره: تولید صدا با پرده‌های صوتی + محافظت از نای هنگام بلع
  • هنگام بلع: حنجره بالا می‌رود ← برچاکنای پایین می‌آید
  • برچاکنای دهانه نای را می‌بندد؛ زبان کوچک راه بینی را می‌بندد
  • در سرفه: برچاکنای بالا می‌ماند تا هوا با فشار خارج شود
  • چین‌های صوتی در بلع به هم نزدیک می‌شوند ← سد حفاظتی کامل
برچاکنای (اپی‌گلوت)
دریچه غضروفی که فقط هنگام بلع پایین می‌آید

نکته: نوزادان حنجره‌ای بالاتر دارند و می‌توانند همزمان شیر بخورند و نفس بکشند؛ در بزرگسالان این امکان ندارد.

حبابک‌ها: محل تبادل گاز

  • نایژک مبادله‌ای ← کیسه حبابکی (خوشه حبابک‌ها) ← تبادل O₂/CO₂
  • یاخته نوع اول (سنگفرشی، فراوان) ← تبادل گاز با مویرگ
  • یاخته نوع دوم ← ترشح سورفاکتانت (کاهش کشش سطحی آب)
  • غشای پایه مشترک حبابک و مویرگ ← فاصله انتشار را کمینه می‌کند
  • ماکروفاژها در فضای حبابک: میکروب‌خواری؛ جزء دیواره نیستند
سورفاکتانت
لیپوپروتئین ترشحی یاخته نوع دوم که مانع فروپاشی حبابک می‌شود

نکته: نوزادان نارس زیر هفته ۳۳ کمبود سورفاکتانت دارند؛ حبابک‌هایشان در اولین نفس به سختی باز می‌شود.

حمل گازها در خون

  • O₂: ۹۷٪ با هموگلوبین گلبول قرمز؛ ۳٪ حل‌شده در پلاسما
  • CO₂: ۷۰٪ به‌صورت یون بیکربنات در پلاسما ← شکل غالب
  • CO₂ + H₂O ←(کربنیک انیدراز)→ H₂CO₃ → بیکربنات + H⁺
  • CO₂ متصل به هموگلوبین: ۲۳٪ ← CO₂ محلول در پلاسما: ۷٪
  • CO جایگاه O₂ را اشغال می‌کند و به‌سختی جدا می‌شود
کربنیک انیدراز
آنزیم درون گلبول قرمز (نه پلاسما) که CO₂ را به بیکربنات تبدیل می‌کند

نکته: میل ترکیبی هموگلوبین با CO حدود ۲۰۰–۲۵۰ برابر بیشتر از O₂ است؛ حتی مقدار کم CO بر اکسیژن فراوان غلبه می‌کند.

نکات کلیدی — تله‌های امتحانی

  • نایژک‌ها فاقد غضروف‌اند (نه مثل نای و نایژه) ← قطرشان تغییر می‌کند
  • نایژه اصلی راست کوتاه‌تر و قطورتر است، نه چپ
  • حنجره هنگام بلع بالا می‌رود؛ اپی‌گلوت پایین می‌آید (نه برعکس)
  • سورفاکتانت را یاخته نوع دوم می‌سازد، نه نوع اول
  • ماکروفاژها جزء دیواره حبابک نیستند؛ در فضای داخلی‌اند
  • کربنیک انیدراز فقط درون گلبول قرمز است، نه در پلاسما

یک تست از این درس

خودت را بسنج

کدام مورد، وجه شبه یا تفاوت درستی را میان دو مجرای نای و مری در بدن انسان نشان می‌دهد؟

  1. هر دو مجرا می‌توانند در تماس با ترشحات حاوی میکروب قرار گیرند، در نای بر خلاف مری همه یاخته‌های پوششی با غشای پایه در تماس هستند و در مری برخلاف نای بافت پیوندی در بیرونی‌ترین لایه دیده می‌شود.
  2. از نمای روبه‌رو نای در جلوی مری قرار دارد، بافت ماهیچه‌ای در دیواره هر دو مجرا در زیر لایه پیوندی مشترک مستقر است و انقباضات ماهیچه‌ای در سراسر دیواره هر دو مجرا لزوماً غیرارادی است.
  3. مری در تمام طول خود با نای در تماس است، در نای غضروف‌های C شکل مجرا را باز نگه می‌دارند و حرکت توده‌های غذایی بزرگ به علت عدم وجود غضروف در پشت نای تسهیل می‌شود.
  4. هر دو مجرا می‌توانند در تماس با ترشحات حاوی میکروب‌های دمی قرار گیرند، در نای برخلاف مری همه یاخته‌های پوششی با غشای پایه تماس مستقیم دارند و دهانه حلقه‌های غضروفی نای به سمت مری قرار گرفته است.
دیدن پاسخ و توضیح

پاسخ درست: گزینه ۴

هر دو اندام نای و مری با ترشحات بلع شده حاوی میکروب هوا در تماس قرار می‌گیرند. نای بافت پوششی تک‌لایه استوانه‌ای مژک‌دار دارد (همه یاخته‌ها با غشای پایه در تماسند) در حالی که مری سنگفرشی چندلایه است. دهانه غضروف‌های C شکل نای نیز به سمت مری است. بررسی سایر گزینه‌ها: گزینه ۱: هر دو مجرا در خارجی‌ترین لایه خود دارای بافت پیوندی هستند. گزینه ۲: بخش بالایی مری ماهیچه مخطط داشته و انقباض ارادی دارد، پس انقباض ماهیچه‌ای در سراسر هر دو مجرا لزوماً غیرارادی نیست. گزینه ۳: مری در تمام طول خود با نای در تماس نیست، زیرا نای کوتاه‌تر بوده و زودتر منشعب می‌شود.

تمرین بیشتر در اپ

درس‌های دیگر این بخش · زیست دهم