از دستگاه تنفسی انسان چه می‌دانیم؟

سلول‌های بدن انسان برای زنده ماندن به جریان ثابتی از اکسیژن نیاز دارند و وظیفه‌ی تأمین این اکسیژن بر عهده‌ی دستگاه تنفسی است.

دستگاه تنفسی اکسیژن را برای سلول‌های بدن فراهم می‌کند و دی‌اکسید کربن را از سلول‌های بدن حذف می‌کند. ۳ بخش اصلی در دستگاه تنفسی وجود دارد: ‌راه‌ هوایی، ریه‌ها و عضلات تنفسی. راه‌ هوایی شامل بینی، دهان، حلق، حنجره، نای، نایژه و برونش‌ها است که هوا را بین ریه و محیط خارج بدن حمل می‌کنند. 

ریه‌ها به وسیله انتقال اکسیژن به داخل بدن و انتقال دی‌اکسید کربن به خارج بدن به عنوان واحدهای عملکردی دستگاه تنفسی عمل می‌کنند. عضلات تنفسی مانند دیافراگم و عضلات بین دنده‌ای با یکدیگر به عنوان یک پمپ عمل می‌کنند که در طول تنفس هوا را به داخل ریه‌ها و خارج‌ها ریه‌ها پمپ می‌کند.

آناتومی دستگاه تنفسی

بینی و حفره بینی

بینی و حفره بینی منفذ خارجی اصلی دستگاه تنفسی را شکل می‌هند و اولین بخش راه هوایی هستند. بینی یک ساختار از صورت است که از غضروف، استخوان، عضله و پوست ساخته شده است و از قسمت قدامی حفره بینی پشتیبانی و محافظت می‌کند. حفره بینی یک فضای توخالی در بینی و جمجمه است که با موها و غشای مخاطی پوشیده شده است. عملکرد حفره بینی گرم، مرطوب و فیلتر کردن هوای ورودی به بدن قبل از رسیدن به ریه‌ها است. موها و مخاط پوشاننده حفره بینی سبب به دام افتادن گرد و غبار و دیگر آلاینده‌های زیست محیطی قبل از رسیدن آن‌ها به قسمت‌ها داخلی بدن می‌شوند. هوای خروجی از بدن پیش از این‌که از طریق بینی از بدن خارج شود، رطوبت و گرما را به حفره بینی بازمی‌گرداند.

دهان

دهان که تحت عنوان حفره دهانی نیز شناخته می‌شود، دومین منفذ خارجی دستگاه تنفسی است. به طور معمول بخش اعظم تنفس از طریق حفره بینی صورت می‌گیرد، اما از دهان نیز به عنوان تکمیل کننده و یا جایگزین حفره بینی در هنگامی که به آن نیاز باشد، استفاده می‌شود. از آنجایی که مسیر ورود هوا به بدن از طریق دهان کوتاه‌تر از مسیری است که از حفره بینی می‌گذرد، هوایی که از طریق دهان وارد می‌شود به اندازه هوایی که از حفره بینی وارد می‌شود گرم و مرطوب نخواهد بود. دهان همچنین فاقد مو و مخاط چسبنده‌ای است که در حفره بینی وجود دارد. از آنجایی که مسیر ورود هوا از طریق دهان کوتاه‌تر و قطر آن بیشتر است، هوای بیشتری از طریق آن می‌تواند به سرعت وارد بدن شود.

حلق

حلق که تحت عنوان گلو نیز شناخته می‌شود، یک قیف عضلانی است که از انتهای تحتانی حفره بینی شروع شده و به انتهای فوقانی مری و حنجره گسترش متصل می‌شود. حلق به ۳ ناحیه تقسیم می‌شود: نازوفارنکس، اوروفارنکس و لارنگوفارنکس. نازوفارنکس ناحیه فوقانی حلق است که در خلف حفره بینی واقع شده است. هوای استنشاق شده از حفره بینی از میان نازوفانکس عبور کرده و سپس از میان اوروفارنکس که در خلف حفره دهانی واقع شده است، نزول می‌کند. هوای استنشاق شده از طریق دهان وارد ناحیه اورفارنکس حلق می‌شود. پس از این هوای استنشاق شده به داخل لارنگوفارنکس جایی که به وسیله اپیگلوت به ورودی سمت حنجره قرار می‌گیرد، نزول می‌کند. اپیگلوت یک بافت غضروفی انعطاف‌پذیر است که  به عنوان یک سوئیچ بین نای و مری عمل می‌کند و مواد غذایی را به سمت مری و هوا را به سمت حنجره هدایت می‌کند. در طی فرآیند بلع، اپیگلوت حرکت می‌کند و نای را می‌پوشاند تا اطمینان حاصل شود که مواد غذایی وارد مری می‌شوند.

حنجره

حنجره یک بخش کوتاه از راه هوایی است که لارنگوفارنکس را به نای متصل می‌کند. حنجره در قسمت قدامی گردن، پایین‌تر از استخوان لامی و بالاتر از نای واقع شده است. چندین ساختار غضروفی حنجره را شکل می‌دهند. اپیگلوت یکی از غضروف‌های حنجره است. پایین‌تر از اپیگلوت غضروف تیروئید قرار گرفته است، که اغلب تحت عنوان سیب آدم از آن یاد می‌شود در مردان بزرگ‌سال قابل مشاهده است. غضروف تیروئید دیواره قدامی حنجره را شکل می‌دهد، حنجره را باز نگه می‌دارد و از تارهای صوتی محافظت می‌کند. پایین‌تر از غضروف تیروئید، غضروف حلقه‌ای شکل کریکوئید قرار گرفته است که حنجره را باز نگه می‌دارد و از آن حمایت می‌کند. علاوه بر غضروف، حنجره شامل ساختارهای خاصی است که تحت عنوان تارهای صوتی شناخته می‌شوند، که به وسیله آن‌ها اصوات تولید می‌شوند. تارهای صوتی چین‌هایی از غشای مخاطی هستند که به منظور تولید اصوات مرتعش می‌شوند. سرعت لرزش و ارتعاش تارهای صوتی را می‌توان به منظور تغییر زیر و بم صدا تغییر داد.

نای

نای یک لوله ۵ اینچی تشکیل شده از غضروف‌های C شکلی است که به وسیله بافت پوششی مطبق کاذب مژک‌دار پوشیده شده است. نای حنجره را به نایژه متصل می‌کند و به هوا اجازه می‌دهد تا از میان گردن به قفسه سینه وارد شود. حلقه‌های غضروفی نای اجازه می‌دهند تا نای همواره باز بماند. انتهای باز حلقه‌های غضروفی از سمت خلفی در کنار مری قرار گرفته است و هنگامی که توده غذایی در حال عبور از میان مری است، به مری اجازه می‌دهد تا به سمت فضای اشغال شده توسط نای گسترش پیدا کند.

عملکرد اصلی نای فراهم کردن یک راه هوایی مشخص برای ورود هوا به ریه‌ها و خروج هوا از آن‌ها است. به علاوه، بافت پوششی پوشاننده نای مخاطی را تولید می‌کند که گرد و غبار و آلاینده‌های دیگر را به دام می‌اندازد و از ورود آن‌ها به ریه‌ها جلوگیری می‌کند. مژه‌های موجود بر روی سطح سلول‌های بافت پوششی نای مخاط را به سمت قسمت‌های فوقانی (به سمت حلق) حرکت می‌دهند که در آن جا می‌تواند بلعیده و در دستگاه گوارش هضم شود.

نایژه‌ها و نایژک‌ها

در انتهای تحتانی نای، راه هوایی به دو شاخه راست و چپ تقسیم می‌شود که تحت عنوان نایژه‌های اولیه شناخته می‌شوند. نایژه‌های راست و چپ پیش از آن که به نایژه‌های ثانویه کوچک‌تر منشعب شوند، وارد هر یک از ریه‌ها می‌شوند. نایژه‌های ثانویه هوا را به داخل لوب‌های ریه‌ها (۲ لوب در ریه چپ و ۳ لوب در ریه راست) حمل می‌کنند. نایژه‌های ثانویه در درون هر لوب به نایژه‌های ثالثیه بسیار کوچک‌تر تقسیم می‌شوند. نایژه‌های ثالثیه به نایژک‌های بسیار کوچک‌تر تقسیم می‌شوند که در سراسر ریه‌ها گسترش یافته‌اند. هر نایژک به شاخه‌های بسیار کوچک‌تری با قطر کمتر از یک میلی‌متر به نام نایژک‌های انتهایی منشعب می‌شود. در نهایت، میلیون‌ها نایژک انتهایی هوا را به سمت حبابچه‌های ریوی هدایت می‌کنند.

نایژه‌های اولیه در دیواره خود حاوی غضروف‌های C شکل بسیاری هستند که به صورت پایدار و محکم راه هوایی را باز نگه می‌دارند. دیواره نایژه‌های ثانویه و ثالثیه حاوی بافت غضروفی کمتری است و عضله صاف و پروتئین الاستین بیشتری دارد. نایژک‌ها برخلاف نایژه‌های هیچ غضروفی در ساختار خود ندارند. حضور عضله صاف و پروتئین الاستین در دیواره نایژه‌های کوچک‌تر و نایژک‌ها به انعطاف پذیری و قابل انقباض بودن آن‌ها کمک می‌کند.

عملکرد اصلی نایژه‌ها و نایژک‌ها حمل کردن هوا از نای به سمت ریه‌ها است. عضله صاف موجود در دیواره آن‌ها به تنظیم جریان هوای ورودی به ریه‌ها کمک می‌کند. هنگامی که بدن به حجم بیشتری از هوا نیاز دارد، عضلات صاف شل شده و باعث گشاد شدن نایژه‌ها و نایژک‌ها می‌شوند. راه‌های هوایی گشاد مقاومت کمتری در برابر جریان هوا دارند و به هوای بیشتری اجاره می‌دهند تا به درون ریه‌ها وارد و از ریه‌ها خارج شود. فیبرهای عضلانی صاف قادر هستند که در هنگام استراحت منقبض شوند و از تنفس سریع و عمیق جلوگیری کنند. نایژه‌ها و نایژک‌ها همچنین از مخاط و مژه‌های موجود در سطح بافت پوششی خود برای به دام انداختن و حرکت دادن گرد و غبار و آلاینده‌های دیگر از ریه‌ها استفاده می‌کنند.

ریه‌ها

ریه‌ها یک جفت ارگان بزرگ و اسفنجی هستند که در طرفین قلب و بالای دیافراگم واقع شده‌اند. هر ریه به وسیله یک غشای جنب احاطه شده است که فضایی را به منظور گسترش یافتن ریه فراهم می‌کند که با فشار منفی نسبت به محیط خارج بدن همراه است. فشار منفی به ریه‌ها اجازه می‌دهد تا در هنگام تنفس به صورت منفعلانه از هوا پر شوند. با توجه به نحوه قرار گیری قلب در قفسه سینه، ریه‌های راست و چپ در اندازه و شکل اندکی با یکدیگر متفاوت هستند. ریه چپ اندکی کوچک‌تر از ریه راست است و از ۲ لوب تشکیل شده است، در حالی که ریه راست از ۳ لوب تشکیل شده است.

داخل ریه‌ها از یک بافت اسفنجی ساخته شده است که شامل مویرگ‌های خونی بسیار و حدود ۳۰ میلیون کیسه کوچک که تحت عنوان حبابچه‌های ریوی شناخته می‌شوند، است. حبابچه‌های ریوی فنجانی شکل هستند، در انتهای نایژک‌های انتهایی یافت می‌شوند و توسط مویرگ‌ها احاطه شده‌اند. حبابچه‌های ریوی به وسیله بافت پوششی سنگفرشی ساده پوشیده شده‌اند که به آن‌ها اجازه می‌دهد تا هوای وارد شده به حبابچه‌های ریوی با خون موجود در مویرگ‌های اطراف حبابچه‌های ریوی به تبادلات گازی بپردازد.

عضلات تنفسی

در اطراف ریه‌ها مجموعه‌ای از عضلات قرار گرفته‌اند که دم و باردم هوا به کمک آن‌ها صورت می‌گیرد. عضله تنفسی اصلی در بدن انسان دیافراگم است که یک لایه نازک از عضله اسکلتی است که کف قفسه سینه را شکل می‌دهد. هنگامی که دیافراگم منقبض می‌شود، چند سانتی‌متر به سمت پایین (به داخل حفره شکمی) حرکت می‌کند و به دنبال آن فضای قفسه سینه گسترش می‌یابد و هوا به داخل ریه‌ها کشیده می‌شود. هنگامی که دیافراگم شل می‌شود، به جریان هوا اجازه می‌دهد تا در طول بازدم از ریه‌ها خارج شود.

در میان دنده‌ها عضلات بین دنده‌ای کوچکی وجود دارد که در جریان دم و بازدم هوا با توسعه دادن و فشرده کردن ریه‌ها به عضله دیافراگم کمک می‌کنند. عضلات بین دنده‌ای به ۲ گروه تقسیم می‌شوند: عضلات بین دنده‌ای داخلی و عضلات بین دنده‌ای خارجی. عضلات بین دنده‌ای داخلی مجموعه‌ای عمیق‌تر از عضلات هستند که قفسه سینه را فشرده کرده و به هوا نیرو وارد می‌کنند تا از ریه‌ها خارج شود. عضلات بین دنده‌ای خارجی بر روی عضلات بین دنده‌ای داخلی قرار گرفته‌اند و با بالا بردن دنده‌های حجم قفسه سینه را افزایش داده و سبب ورود هوا به ریه‌ها می‌شوند.

فیزیولوژی دستگاه تنفس

تهویه ریوی

تهویه ریوی فرآیند ورود هوا به داخل ریه ها و خروج هوا از ریه ها به منظور تسهیل تبادلات گازی است. دستگاه تنفسی از سیستم فشار منفی و انقباض عضلات تنفسی برای فرآیند تهویه ریوی استفاده می کند. سیستم فشار منفی دستگاه تنفسی سبب ایجاد یک گرادیان فشار منفی بین حبابچه های ریوی و جو خارجی می شود. غشای جنب ریه ها را در برگفته است و در هنگام استراحت آن ها را در فشاری پایین تر از فشار جو نگه می دارد. نتیجه این گرادیان فشار، ورود منفعلانه هوا به درون ریه ها در جریان تنفس است. هنگامی که ریه ها از هوا پر می شوند، فشار داخل ریه ها افزایش می یابد تا هنگامی که با فشار اتمسفر برابر شود. در این هنگام، با انقباض دیافراگم و عضلات بین دنده ای خارجی می توان حجم قسه سینه را افزایش داد و هوای بیشتری را وارد ریه ها کرد.

در هنگام بازدم، دیافاراگم و عضلات بین دنده ای خارجی شل شده در حالی که عضلات بین دنده ای داخلی منقبض می شوند تا حجم قفسه سینه را کاهش و فشار درون حفره قفسه سینه را افزایش دهند. در این حالت گرادیان فشار معکوس می شود، و در نتیجه آن در هنگام بازدم هوا از ریه ها خارج می شود تا هنگامی که با فشار اتمسفر برابر شود. در این هنگام، طبیعت الاستیک ریه ها سبب می شود تا به حجم در حال استراحت خود باز گردند و گرادیان فشار منفی بین حبابچه های ریوی و جو خارجی ایجاد شود.

تنفس خارجی

تنفس خارجی تبادل گازها بین هوای درون حبابچه‌های ریوی و خون درون مویرگ‌های اطراف حبابچه‌های ریوی است. هوایی که از اتمسفر وارد ریه‌ها می‌شود نسبت به خون درون مویرگ‌های اطراف حبابچه‌های ریوی با فشار بالاتری از اکسیژن و فشار پایین‌تری از دی‌اکسید کربن همراه است. تفاوت نسبی فشار سبب می‌شود که گازها به صورت منفعلانه و بر اساس گرادیان فشار خود از طریق بافت پوششی سنگفرشی ساده حبابچه‌های ریوی از ناحیه پر فشار به ناحیه کم فشار حرکت کنند. نتیجه خالص تنفس خارجی حرکت اکسیژن از هوای درون حبابچه‌های ریوی به درون خون درون مویرگ‌های اطراف حبابچه‌های ریوی و حرکت دی‌اکسید کربن از خون درون مویرگ‌های اطراف حبابچه‌های ریوی به هوای درون حبابچه‌های ریوی است. پس از آن اکسیژن به بافت‌های بدن منتقل می‌شود و دی‌اکسید کربن به درون اتمسفر آزاد می‌شود.

تنفس داخلی

تنفس داخلی تبادل گازها بین خون درون مویرگ‌ها و بافت‌های بدن است. خون مویرگی نسبت به بافت‌های بدن با فشار بالاتری از اکسیژن و فشار پایین‌تری از دی‌اکسید کربن همراه است. تفاوت نسبی فشار سبب می‌شود که گازها به صورت منفعلانه و بر اساس گرادیان فشار خود از طریق اندوتلیوم مویرگ‌ها از ناحیه پر فشار به ناحیه کم فشار حرکت کنند. نتیجه خالص تنفس داخلی حرکت اکسیژن به داخل بافت‌ها و حرکت دی‌اکسید کربن به داخل خون درون مویرگ‌ها است.

حمل و نقل گازها

۲ گاز عمده تنفسی یعنی اکسیژن و دی‌اکسید کربن به وسیله خون در بدن منتقل می‌شوند. پلاسمای خون توانایی حمل و نقل میزانی از اکسیژن و دی‌اکسید کربن محلول را دارد، اما بخش اعظم گازها به وسیله اتصال به مولکول‌های ناقل در خون منتقل می‌شوند. هموگلوبین یک مولکول ناقل مهم است که در سلول‌های خونی قرمز یافت می‌شود و تقریباً ۹۹ درصد اکسیژن خون را حمل می‌کند. هموگلوبین همچنین می‌تواند مقدار اندکی از دی‌اکسید کربن را از بافت‌ها به سمت ریه‌ها حمل کند. با این حال، اکثریت قریب به اتفاق دی‌اکسید کربن در پلاسما به صورت یون بی‌کربنات حمل و نقل می‌شود. هنگامی که فشار نسبی دی‌اکسید کربن در بافت‌ها بالا است، آنزیم کربنیک انیدراز واکنش بین دی‌اکسید کربن و آب را کاتالیز می‌کند تا کربنیک‌ اسید شکل گیرد. سپس کربنیک‌ اسید به یون بی‌کربنات و یون هیدروژن تقسیم می‌شود. هنگامی که فشار نسبی دی‌اکسید کربن در ریه‌ها پایین است، واکنش‌ها به صورت معکوس صورت می‌گیرند و دی‌اکسید کربن به درون ریه‌ها آزاد می‌شود.