ระบบย่อยอาหาร (Digestive system)

ระบบย่อยอาหาร (Digestive system) 
สัตว์จำเป็นต้องได้รับอาหารเพื่อนำมาสร้างพลังงานในการดำรงชีวิต จึงจำเป็นต้องพัฒนาโครงสร้างพิเศษทั้งเพื่อให้ได้รับสารอาหารเข้าสู่เซลล์ ซึ่งขึ้นอยู่กับ 2 กระบวนการคือการกิน (feeding) และการย่อยอาหาร (digestion)

1.  รูปแบบการกินอาหารของสัตว์ (Types of feeding)

      สัตว์จัดว่าเป็น hetrotrophs สร้างอาหารเองไม่ได้ จึงต้องกินอาหารหรือดูดซึมจากแหล่งอาหารเท่านั้น สัตว์ส่วนใหญ่จัดว่าเป็น ingestive eaters คือมีการกลืนกินอาหารผ่านทางปากเป็นหลัก จึงสามารถจำแนกกลุ่มของสัตว์ตามรูปแบบการกินอาหารได้เป็นดังนี้

      1.  Absorptive feeders เป็นพวกที่ดูดซึมอาหารผ่านทางผนังลำตัว ตัวอย่างเช่น

พยาธิตัวตืด

      2.  Filter feeders เป็นพวกที่กรองกินอนุภาคของอาหารที่มีขนาดเล็กที่แขวนลอยอยู่ในน้ำ ตัวอย่างเช่น หอยนางรม หอยแมลงภู่

      3.  Substrate feeders หรือ Deposit feeders เป็นพวกที่กินที่อยู่อาศัยที่ตัวเองเกาะอยู่ เช่น ตัวหนอนของแมลงกินใบไม้ที่ตัวเองเกาะอยู่

      4.  Fluid feeders เป็นพวกที่ดูดกินของเหลวจากสัตว์อื่น เช่น ยุง เหลือบ ริ้น ไร

      5.  Bulb feeders เป็นพวกที่กินอาหารที่เป็นชิ้นโต ๆ ได้แก่สัตว์ส่วนใหญ่

2.  ความต้องการสารอาหารของสัตว์ (Nutrition requirement)
      สัตว์ต้องการสารอาหารซึ่งนอกจากจะใช้ไปเพื่อผลิตพลังงานในรูปของ ATP แล้วยังใช้เพื่อเป็นโครงสร้างของร่างกาย ซ่อมเสริมทดแทนส่วนที่สึกหรอ และยังเป็นแหล่งของ essential nutrient อีกด้วยสารอาหารที่ได้จากการรับประทานได้แก่คาร์โบเดรต ซึ่งมีองค์ประกอบเป็น CHO ถึงแม้ว่าสารอาหารคาร์โบเดรตจะเป็นตัวที่สำคัญที่สุดในการผลิตพลังงานของเซลล์ แต่คาร์โบไฮเดรตก็ไม่จัดว่าเป็น essential nutrient เนื่องจากสัตว์สามารถที่จะสร้างจากสารอาหารอื่นได้เอง ส่วนสารอาหารที่จัดว่าเป็น essential nutrients ได้แก่ โปรตีน(ให้กรดอะมิโน) ลิพิด(ให้กรดไขมัน)  เกลือแร่ และวิตามิน

      สัตว์สร้างโปรตีนซึ่งมีอยู่ 2 รูปแบบในร่างกายคือพวกที่เป็นโปรตีนโครงสร้าง (structural proteins) และโปรตีนที่เป็นเอนไซม์ (enzymatic proteins) ขึ้นมาจากกรดอะมิโน 20 ชนิด กรดอะมิโนส่วนใหญ่สัตว์จะสร้างเองได้เรียกว่าเป็น non-essential amino acids แต่จะมีกรดอะมิโนบางตัวที่ร่างกายสร้างไม่ได้ต้องได้รับจากอาหารเรียกว่า essential amino acids ซึ่งในคนมี 8 ตัว ได้แก่ Try, Met, Val, Thr, Phe, Leu, Iso, Lys สำหรับทากรกมีอีก 1 ตัวที่เป็น essential amino acid คือ histidine ส่วน essential fatty acid ของคนคือ Lenoleic acid

3.  กระบวนการกินอาหาร (Food processing) 

      สัตว์ส่วนใหญ่กินอาหารชิ้นโต จึงต้องมีกระบวนการต่าง ๆ เพื่อให้ได้โมเลกุลสารอาหารขนาดเล็กพอที่เซลล์จะนำไปใช้ได้

      กระบวนการที่จะให้ได้มาซึ่งสารอาหารขนาดเล็กดังกล่าวประกอบด้วย

      1. การกิน (ingestion)

      2. การย่อย (digestion)

      3. การดูดซึม (absorption)

      4. การขับออก (elimination)

4. การย่อยอาหาร (Digestion)

      เป็นกระบวนการทางเคมีที่มีเอนไซม์เข้าร่วมปฏิกิริยา (enzymatic hydrolysis) เพื่อสลายอาหารให้เป็นสารอาหารโมเลกุลเดี่ยว (monomers) ที่สามารถดูดซึมเข้าสู่เซลล์ได้ การย่อยอาหารของสัตว์จำแนกตามแหล่งที่เกิดการย่อยได้เป็น 2 ประเภท

      1.  การย่อยภายในเซลล์ (intracellular digestion) พบในโปรติสท์ (อะมีบา พารามีเซียม) และสัตว์ชั้นต่ำชนิดเดียวที่พบว่ามีการย่อยอาหารภายในเซลล์คือฟองน้ำ โดยมีการหลั่ง hydrolytic enzyme จาก lysosome มาย่อยอาหาร สัตว์พวกนี้นำอนุภาคอาหารซึ่งมีขนาดเล็กเข้าสู่เซลล์โดยวิธีฟาโกไซโตซิสและสร้างเป็นถุงอาหาร (food vacuole) ดังแสดงในรูปที่ 3 ถุงอาหารจะเคลื่อนตัวไปรวมกับ ไลโซโซมซึ่งมี hydrolytic enzyme อยู่ การย่อยอาหารเกิดในถุงอาหาร อาหารอนุภาคเล็ก ๆ ที่ได้จากการย่อยจะถูกดูดซึมไปใช้ในเซลล์ ส่วนกากอาหารจะถูกขับทิ้งโดยวิธีเอกโซไซโตซิส ในกลุ่มนี้พารามีเซียมจัดว่าเป็นโปรติสท์ที่มีโครงสร้างเกี่ยวกับการย่อยอาหารที่แน่นอนคือมีการนำอาหารเข้าสู่เซลล์ผ่านทาง oral groove ก่อนที่จะส่งเข้า food vacuole และกากอาหารมีการขับออกทาง anal pore

ภาพที่  1  intracellular digestion

      3.2  การย่อยอาหารภายนอกเซลล์ (Extracellular digestion) สัตว์ส่วนใหญ่มีการย่อยอาหารภายนอกเซลล์โดยปล่อยเอนไซม์ออกมาย่อยอาหารภายในช่องลำตัว ในสัตว์ชั้นต่ำเช่นพวกซีเลนเทอเรต และแพลธีเฮลมินธ์ที่ดำรงชีพอิสระ เรียกสิ่งมีชีวิตกลุ่มนี้ว่า free-living plathyhelmenths เช่น พลานาเรีย มีช่องลำตัวที่มีรูเปิดทางเดียว เรียกว่า กัสโตรวาสคิวลาร์ คาวิตี (gastrovascular cavity) (รูปที่ 2) ซึ่งทำหน้าที่ทั้งย่อยอาหารและการลำเลียง เซลล์ที่บุช่องกัสโตรวาสคิวลาร์ของไฮดรา (gastrodermis) จะมีทั้งเซลล์ที่ทำหน้าที่สร้างเอนไซม์ออกมาย่อยอาหารและเซลล์ที่รับอนุภาคอาหารเข้าไปย่อยภายใน (nutritive or diestive cell) ดังนั้นไฮดราจึงเป็นสัตว์ที่มีการย่อยอาหารทั้งแบบภายนอกและภายในเซลล์

ภาพที่  2  ช่องทางเดินอาหาร (gastrovascular cavity) ของไฮดรา และพลานาเรีย 

4.  ประเภทของทางเดินอาหารของสัตว์

      ทางเดินอาหารแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ

      1. ทางเดินอาหารแบบไม่สมบูรณ์ (incomplete digestive tract) มีลักษณะเป็นถุงที่มีช่องเปิดทางเดียวเช่นที่พบในไฮดราและพลานาเรีย ดังนั้นช่องเปิดนี้จึงทำหน้าที่เป็นทั้งปากและทวารหนักไปพร้อม ๆ กัน

      2. ทางเดินอาหารแบบสมบูรณ์ (complete digestive tract) พบในสัตว์ส่วนใหญ่ตั้งแต่หนอนตัวกลมจนถึงสัตว์มีกระดูกสันหลัง ลักษณะประกอบด้วยท่อที่มีช่องเปิด 2 ทาง ด้านหนึ่งเป็นทางเข้าของอาหารและอีกด้านหนึ่งเป็นทางออกของกากอาหารหรือทวารหนัก

ภาพที่ 3  เปรียบเทียบทางเดินอาหารของอาร์โทรปอดกับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม

5.  องค์ประกอบของระบบทางเดินอาหารของสัตว์มีกระดูกสันหลังและคน  (Components of
     the digestive system)

      ทางเดินอาหารของคนมีลักษณะเป็นท่อของกล้ามเนื้อเรียบขดม้วนไปมา มีความยาวประมาณ 6-9 เมตรเมื่อยืดออกเต็มที่ ตามความยาวของท่อนี้มีการเปลี่ยนแปลงเป็นส่วนที่มีลักษณะพิเศษอยู่หลายส่วนได้แก่ ปาก คอหอย หลอดอาหาร กระเพาะอาหาร ลำไส้เล็ก ลำไส้ใหญ่ จนถึงทวารหนัก กล้ามเนื้อเรียบบางบริเวณมีการเปลี่ยนแปลงไปเป็นหูรูด (sphincter) เพื่อช่วยในการเก็บกักอาหาร และยังช่วยให้อาหารลำเลียงไปในทิศทางเดียวอีกด้วย การบีบรัดของกล้ามเนื้อเรียบมีลักษณะเป็นจังหวะเรียกว่า เพอริสตัลซิส (peristalsis) นอกจากการเปลี่ยนแปลงไปเป็นอวัยวะต่าง ๆ ตามความยาวของท่อแล้ว ยังมีต่อมต่าง ๆ ที่สร้างและหลั่งเอนไซม์ที่ช่วยย่อยอาหาร เช่น ต่อมน้ำลาย ตับอ่อน ตับ และถุงน้ำดี เป็นองค์ประกอบของทางเดินอาหารอีกด้วย

ระบบไหลเวียน (Circulatory system)

ระบบไหลเวียน (Circulatory system)
สิ่งมีชีวิตทุกชนิดจะต้องแลกเปลี่ยนสารกับสิ่งแวดล้อม เช่นนำเอาสารอาหารและออกซิเจนเข้าไปเพื่อทำให้เกิดพลังงานในการดำรงชีวิตโดยกระบวนการหายใจในระดับเซลล์ (cellular respiration) และปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา ดังจะได้กล่าวในรายละเอียดต่อไป

1.  Gastrovascular cavity

      ช่อง gastrovascular เป็นบริเวณที่มีทั้งการย่อยอาหารและการลำเลียง โดยเซลล์ด้านในลำตัวจะทำหน้าที่ทั้งย่อยอาหารภายในเซลล์ และปล่อยน้ำย่อยออกมาย่อยอาหารภายใน gastrovascular แล้วดูดซึมสารอาหารแพร่เข้าสู่เซลล์ชั้นนอกของร่างกาย เช่นในไฮดรา

ภาพที่  1  ช่องกัสโตรวาสคิวลาร์ของไฮดรา

2.  ระบบไหลเวียนแบบเปิดและแบบปิด (Open and closed circulatory system)

      ระบบไหลเวียนแบบเปิด พวกแรกพบในแมลงและสัตว์พวก arthropods โดยมีหัวใจ ซึ่งอาจจะมีมากกว่าหนึ่งอัน ทำหน้าที่สูบฉีดของเหลวที่เรียกว่าฮีโมลิมพ์ (hemolymph) ไปตามท่อ (รูปที่ 2) แล้วกระจายออกไปตามแอ่ง sinus ที่ล้อมรอบอวัยวะซึ่งบริเวณนี้จะเกิดการแลกเปลี่ยนสารระหว่าง hemolymph กับเซลล์ของอวัยวะเหล่านั้น hemolymph ตัวอย่างเช่นในตั๊กแตน มีท่อด้านบนลำตัวทำหน้าที่เป็นหัวใจ เมื่อหัวใจบีบตัว hemolymph จะออกไปตามท่อเข้าสู่แอ่งรอบๆ อวัยวะ เมื่อหัวใจพัก ของเหลวจะกลับเข้าสู่หัวใจทางช่องออสเตีย (ostia) เมื่อเคลื่อนไหว แอ่ง sinus จะถูกบีบ ทำให้ของเหลวไหลออกได้ ระบบไหลเวียนแบบเปิดนี้จะนำเฉพาะสารอาหารไม่ได้นำออกซิเจน

      ระบบไหลเวียนแบบปิด (closed circulatory system) ของเหลวในระบบนี้คือเลือด ซึ่งส่วนใหญ่จะอยู่ในหลอดเลือดตลอดเวลา จึงแยกออกจากของเหลวระหว่างเซลล์ได้อย่างชัดเจน มีหัวใจทำหน้าที่สูบฉีดเลือดออกสู่หลอดเลือดขนาดใหญ่ แล้วไปตามหลอดเลือดขนาดเล็กลงไปตามลำดับ จนถึงที่มีขนาดเล็กที่สุด ซึ่งแตกแขนงไปล้อมรอบตามอวัยวะต่าง ๆ การแลกเปลี่ยนสารเกิดขึ้นระหว่างน้ำเลือดกับของเหลวระหว่างเซลล์ที่อยู่รอบ ๆ เซลล์ของอวัยวะนั้น ๆ ระบบไหลเวียนชนิดนี้พบในสัตว์พวกไส้เดือนดิน ปลาหมึก และสัตว์มีกระดูกสันหลัง

ภาพที่  2  ระบบไหลเวียนเลือดแบบเปิด และระบบไหลเวียนเลือดแบบปิด 

3.  ระบบหัวใจและหลอดเลือด (Cardiovascular system)      ระบบลำเลียงภายในร่างกายของสัตว์มีกระดูกสันหลังและของคนเราเป็นระบบไหลเวียนแบบปิด ระบบนี้ประกอบด้วยหัวใจ หลอดเลือด และเลือด จึงเรียกระบบนี้ว่าระบบหัวใจและหลอดเลือด

      วงจรการไหลเวียนเลือด มีดังนี้

      1. การไหลเวียนแบบวงจรเดียว พบในพวกปลา มีหัวใจ 2 ห้อง ห้องบน 1 ห้อง ห้องล่าง 1 ห้อง มีการไหลเวียนของเลือดเป็นแบบวงจรเดียว (single circulation) โดยหัวใจห้องบนรับเลือดที่มีออกซิเจนต่ำที่มาจากเนื้อเยื่อ แล้วสูบฉีดไปยังเหงือกเพื่อแลกเปลี่ยนแก๊สที่หลอดเลือดฝอยที่เหงือก (gill capillaries) แล้วเลือดที่มีปริมาณออกซิเจนสูงจากบริเวณเหงือกจะไปยังหลอดเลือดฝอยที่อวัยวะที่เรียกว่า systemic capillaries ดังนั้นเลือดออกจากบริเวณเหงือกไปยังอวัยวะจะไปได้ช้ามาก เนื่องจากทั้งแรงดันจากหัวใจและแรงดันน้ำ (hydrostatic pressure) ลดลงอย่างมาก แต่ปลาก็สามารถแก้ปัญหาได้โดยการเคลื่อนที่ตลอดเวลา

      2. การไหลเวียนแบบสองวงจร พบในสัตว์ที่มีหัวใจ 3 ห้องและ 4 ห้อง คือ นก สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมและสะเทินน้ำสะเทินบก กล่าวคือ นกและคนมีหัวใจ 4 ห้อง ซึ่งกบจะมีหัวใจ 3 ห้อง เป็นต้น

ภาพที่  3  ระบบไหลเวียนเลือด

      ตัวอย่างเช่น นกและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมีหัวใจ 4 ห้องแบบสมบูรณ์ คือห้องบน 2 ห้อง และห้องล่าง 2 ห้อง (รูปที่ 3) มีการไหลเวียนเป็นแบบ double circulation เลือดที่มีออกซิเจนสูงและที่มีออกซิเจนต่ำจะมีการไหลเวียนแยกจากกันโดยสิ้นเชิง และยังมีความดันเลือดสูงอีกด้วย จึงเหมาะสมกับนกและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมซึ่งเป็นพวก endotherm ที่ต้องการปริมาณออกซิเจนต่อน้ำหนักตัวมากกว่าสัตว์เลื้อยคลาน และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมนับเป็นตัวอย่างของวิวัฒนาการแบบ convergent เพราะสัตว์ทั้งสองมีบรรพบุรุษที่เป็นสัตว์เลื้อยคลานต่างชนิดกัน

      การไหลเวียนเลือดในระบบหัวใจ และหลอดเลือดของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เริ่มจากเลือดออกจาก ventricle ขวาไปยังปอดทาง pulmonary artery จากปอดเข้าสู่หัวใจทาง atrium ซ้าย แล้วลงสู่ ventricle ซ้าย จาก ventricle ซ้าย เลือดออกทาง aorta ไปยังส่วนต่าง ๆ ของร่างกายแล้วกลับเข้าสู่ atrium ขวา ทาง anterior (superior) vena และ posterior (inferior vena cava) แล้วลงสู่ ventricle ขวา

ภาพที่  4  แสดงวงจรระบบไหลเวียนเลือดของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม double circulation  

4.  หัวใจสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม (Mammalian heart)

      ตัวอย่างเช่นหัวใจของคนเรามี 4 ห้อง atrium 2 ห้อง และ ventriclce 2 ห้อง อยู่ภายในทรวงอกค่อนไปทางด้านซ้าย มีขนาดโตประมาณเท่ากำปั้นของผุ้เป็นเจ้าของ ผนังหัวใจประกอบด้วยกล้ามเนื้อหัวใจ ซึ่งผนังหัวใจห้อง ventricle จะหนากว่าผนังหัวใจห้อง atrium มาก โดยเฉพาะ ventricle ซ้ายจะหนาที่สุด และเป็นส่วนปลายสุดของหัวใจ

ภาพที่  5  กายวิภาคของหัวใจสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม

      ระหว่างหัวใจห้อง atrium และห้อง ventricle มีลิ้นกั้นเรียกว่า atrioventrieular (AV) valves ด้ายซ้ายมี 2 แผ่น (bicuspid values) ด้านขวามี 3 แผ่น (tricuspid values) มีเส้นเอ็น (cordae tendenae) ดึงยึดลิ้นดังกล่าวจากด้านล่างของหัวใจห้อง ventricle เมื่อเลือดจากหัวใจห้อง atrium ดันลิ้นให้เปิด เลือดจะไหลจากหัวใจห้อง atrium ลงสู่หัวใจห้อง ventricle แล้วลิ้นจะปิด เพื่อห้องกันไม่ให้เลือดไหลกลับ ระหว่างหัวใจห้อง ventricle กับหลอดเลือดมีลิ้นกั้นเช่นเดียวกัน เรียกว่า semilunar values มีลักษณะเป็นแผ่นครึ่งวงกลมสามแผ่น ลิ้นดังกล่าวมีอยู่ 2 แห่ง คือ ระหว่างหัวใจห้อง ventricle ซ้ายกับหลอดเลือดใหญ่เอออร์ตา (aorta) และหัวใจ ventricle ขวากับหลอดเลือดไปปอด (pulmonary artery) ลิ้นทั้งสองแห่งจะเปิดเมื่อหัวใจห้อง ventricle บีบตัวดันเลือดออกสู่หลอดเลือด เมื่อหัวใจพัก ลิ้นดังกล่าวจะปิด ป้องกันไม่ให้เลือดไหลกลับเข้าสู่หัวใจอีก หลอดเลือดแดงใหญ่ aorta มีความยืดหยุ่นเพื่อขยายตัวออกรองรับเลือดที่ดันออกจากหัวใจ ดังนั้นเมื่อเลือดออกสู่หลอดเลือดใหญ่ จะเกิดเป็นจังหวะจากการที่หลอดเลือดนี้ยืดออก และหัวใจห้องล่างบีบตัวแต่ละครั้งจะเกิดความดันคือชีพจร (pulse) ซึ่งสามารถนับได้เป็นอัตราการเต้นของหัวใจ (heart rate)

5.  วัฏจักรหัวใจ (Cardiac cycle)

      เมื่อหัวใจบีบตัวให้เลือดออกจากหัวใจ แล้วพักเพื่อให้เลือดเข้าหัวใจครบหนึ่งรอบ เรียกว่าวัฎจักรหัวใจ (cardliac cyclc) ซึ่งกินเวลาประมาณ 0.8 วินาที (รูปที่ 6) ช่วงที่หัวใจบีบตัวเรียกว่า systole และหัวใจพักเรียก diastole วัฎจักรหัวใจนี้มี 3 ระยะคือ ระยะพัก (relaxation phase) เป็นระยะที่หัวใจทั้ง atrium และ ventricle เลือดจากหลอดเลือด vein เข้าหัวใจ ระยะนี้กินเวลาประมาณ 0.4 วินาที ระยะที่สองคือ atrial phase เป็นระยะที่หัวใจห้อง atrium บีบตัว ส่วนหัวใจห้อง ventricle ยังคงพัก กินเวลาสั้นมาก ประมาณ 0.1 วินาที แล้วถึงระยะสุดท้าย คือระยะที่หัวใจห้อง ventricle บีบตัวเพื่อให้เลือดออกไปยังหลอดเลือด กินเวลาประมาณ 0.3 วินาที จากวัฎจักรหัวใจที่กินเวลา 0.8 วินาทีนี้ หัวใจห้อง atrium จะบีบตัวแค่ 0.1 วินาที ส่วนอีก 0.7 วินาทีจะอยู่ในระยะพักด้วยเหตุนี้เองผนังของหัวใจห้อง atrium จึงไม่จำเป็นต้องหนามากเหมือนผนังหัวใจห้อง ventricle

      ปริมาตรเลือดที่ออกจากหัวใจห้อง ventricle ภายใน 1 นาที เรียกว่า cardiac output ซึ่งปริมาตรดังกล่าวจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับอัตราการเต้นของหัวใจ และปริมาตรเลือดที่ออกจากหัวใจแต่ละครั้งที่หัวใจห้อง ventricle บีบตัวเรียกว่า stroke volume ซึ่งค่านี้ในคนปกติจะอยู่ประมาณ 75 มิลลิลิตร ในภาวะที่คนเรามีอัตราการเต้าของหัวใจในขณะพัก 70 ครั้งต่อนาที จะมี cardiac output ประมาณ 5.25 ลิตร/นาที ซึ่งปริมาตรเลือดนี้จะเท่า ๆ กับปริมาตรเลือดทั้งหมดภายในร่างกาย แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าทุก ๆ นาทีเลือดทุกหยดของร่างกายจะต้องผ่านหัวใจ เพราะเลือดที่ไปอวัยวะที่อยู่ใกล้หัวใจ เช่นบริเวณคอและอก จะกลับเข้าสู่หัวใจนาทีละหลายรอบ ส่วนเลือดที่ไปเลี้ยงบริเวณแขนและขาจะกินเวลานานกว่า และค่า cardiac output นี้อาจจะเพิ่มมากขึ้นถึง 5 เท่าระหว่างออกกำลังกาย

ภาพที่  6  วงจรการบีบตัวของหัวใจ (cardiac cycle) 

6.  จังหวะการเต้นของหัวใจ (Heart’s rhythmic beat)

      กล้ามเนื้อหัวใจสัตว์มีกระดูกสันหลังสามารถบีบตัวหรือทำจังหวะเองได้ เรียกหัวใจชนิดนี้ว่า myogenic heart การที่หัวใจสามารถบีบตัวได้เองนี้ เนื่องจากภายในหัวใจมีบริเวณที่ทำหน้าที่เป็นตัวควบคุมให้กล้ามเนื้อหัวใจหดตัว บริเวณดังกล่าวนี้คือ sinoatrial (SA) เป็นผู้ทำจังหวะ (pacemaker) อยู่ที่ผนัง atrium ขวา ใกล้กับหลอดเลือดดำใหญ่ superior vena cava (รูปที่ 7) SA node เป็นกล้ามเนื้อพิเศษเนื่องจากสามารถส่งกระแสความรู้สึกได้เช่นเดียวกับเซลล์ประสาท และกล้ามเนื้อหัวใจเองก็สามารถส่งกระแสความรู้สึกจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่งได้เนื่องจากมี intercalated disc จึงทำให้กระแสความรู้สึกจาก SA node กระจายไปทั่วกล้ามเนื้อหัวใจห้อง atrium อย่างรวดเร็ว ทำให้บีบตัวได้ ขณะเดียวกันกระแสไฟฟ้าจะไปยัง atrioventricular (AV) node ซึ่งอยู่ที่ผนัง atrium ขวากับ ventricle ขวา AV node เป็นกล้ามเนื้อพิเศษเช่นเดียวกันกับ SA node เมื่อกระแสความรู้สึกมาถึง AV node จะพักประมาณ 0.1 วินาที เพื่อให้แน่ว่าหัวใจห้อง atrium บีบตัวและปล่อยเลือดลงสู่ห้อง ventricle หมดแล้ว หัวใจห้อง ventricle จึงบีบตัว การบีบตัวของหัวใจห้อง atrium จะไม่เป็นคลื่นของการบีบตัวเช่นที่เกิดในหัวใจห้องบน แต่กล้ามเนื้อของหัวใจห้องventricle จะบีบพร้อมกันเป็นหน่วยเดียวทั้งห้องหัวใจ เนื่องจากกระแสความรู้สึกจาก AV node ส่งออกไปเร็วมากทำให้กล้ามเนื้อหัวใจทั้งหมดถูกกระตุ้นให้หดตัวพร้อมๆ กัน ทำให้เกิดแรงดันมากเพียงพอที่จะส่งเลือดออกไปสู่ส่วนต่าง ๆ ของร่างกายได้

      กระแสความรู้สึกที่เคลื่อนไปในกล้ามเนื้อหัวใจในระหว่างที่หัวใจบีบตัวนี้ ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าแพร่ไปตามของเหลวภายในร่างกายไปสู่ส่วนต่าง ๆ ของร่างกายรวมทั้งบริเวณผิวหนังซึ่งสามารถวัดกระแสไฟฟ้าที่เกิดนี้ได้ที่บริเวณผิวหนัง เป็นกราฟเรียกว่า electrocardiogram (ECG หรือ EKG) ได้ graph ดังภาพที่ 7-14

      SA node ทำให้หัวใจบีบตัวหรือเต้นเองได้โดยไม่ต้องมีระบบประสาทมาควบคุมก็จริง แต่อัตราการเต้นของหัวใจจะเร็วหรือช้านั้นขึ้นอยู่กับระบบประสาทอัตโนวัติ 2 ระบบคือ ระบบซิมพาเททิกจะกระตุ้นให้เต้นเร็วขึ้น และระบบพาราซิมพาเททิกจะยับยั้ง ซึ่งระบบประสาททั้งสองจะทำงานร่วมกันเพื่อให้หัวใจเต้นในอัตราปกติ อัตราการเต้นของหัวใจยังถูกควบคุมโดยฮอร์โมน เช่น เอพิเนฟริน จากต่อมหมวกไตด้านใน นอกจากนี้ยังมีปัจจัยอื่น ๆ ที่ทำให้อัตราการเต้นของหัวใจเร็วขึ้น คืออุณหภูมิร่างกายซึ่งถ้าสูงขึ้น 1 0C จะทำให้หัวใจเต้นเร็วขึ้น 10 ครั้งต่อนาที เช่นในเวลาเป็นไข้ และการออกกำลังกายก็ทำให้หัวใจเต้นเร็วขึ้น เนื่องจากร่างกายต้องการออกซิเจนมากขึ้น

ภาพที่  7  แสดงการเกิดจังหวะการเต้นของหัวใจจากเซลล์ตัวทำจังหวะ (pacemaker cells)
7.  องค์ประกอบของเลือด

      เลือดเป็นเนื้อเยื่อชนิดหนึ่งของร่างกาย แต่บางคนอาจจะจัดเอาเลือดเข้าเป็นเนื้อเยื่อเกี่ยวพันโดยมีเซลล์เม็ดเลือดชนิดต่าง ๆ หลายชนิดลอยอยู่ในเมทริกซ์ (matrix) ที่เป็นของเหลวคือพลาสมาหรือน้ำเลือด ปกติคนเราจะมีเลือดประมาณ 4-6 ลิตร ประกอบด้วย 2 ส่วนคือ ส่วนที่เป็นพลาสมา 55% และส่วนที่เป็นเซลล์และส่วนประกอบของเซลล์ (cellular elements) 45%

      7.1  พลาสมา (Plasma)

      องค์ประกอบหลักของพลาสมา  คือ  น้ำ  ซึ่งมีประมาณ 90% ทำหน้าที่เป็นตัวทำละลายและนำพาสารต่าง ๆ และตัวละลายซึ่งประกอบด้วยเกลืออนินทรีย์หรืออิเล็กโทรไลท์ของเลือด (blood electrolyte) ซึ่งอยู่ในรูปของไอออน ความเข้มข้นของไอออนในพลาสมาเป็นตัวรักษาความสมดุลของออสโมติก (osmotic balance) และไอออนบางตัวทำให้ความเป็นกรดด่างของพลาสมาคงที่ ซึ่งของคนเราอยู่ที่ pH 7.4 และยังทำให้เซลล์แระสาทและเซลล์กล้ามหนื้อทำงานเป็นปกติอีกด้วยไอออนเหล่านี้จะมีประมาณค่อยข้างคงที่โดยจะมีไตเป็นผู้ควบคุมอีกที่หนึ่ง

      องค์ประกอบที่สำคัญอีกอย่างของพลาสมาคือ โปรตีน ซึ่งมีประมาณ 7-9 % โปรตีนเหล่านี้ช่วยในการรักษาความสมดุลของออสโมติก ความเป็นกรดด่าง และความหนืดของพลาสมา โปรตีนแต่ละชนิดก็จะทำหน้าที่เฉพาะซึ่งแตกต่างกันออกไป เช่นบางตัวทำหน้าที่เป็นตัวขอส่งลิปิดซึ่งไม่ละลายน้ำ ทำหน้าที่ทำลายสิ่งแปลกปลอมและเชื้อต่าง ๆ เช่นในกรณีของอิมมูโนโกลบูลิน และช่วยในการแข็งตัวของเลือดเมื่อเกิดบาดแผล เช่น ไฟบริโนเจน ถ้าพลาสมาที่ปราศจากสารที่ทำให้เลือดแข็งตัวนี้เรียดว่า เซรุ่ม (serum) นอกจากนี้พลาสมายังประกอบด้วยสารอาหารชนิดต่าง ๆ รวมทั้งกรดแลกติก ซึ่งได้จากการ glycolysis ของกล้ามเนื้อ และพวกของเสียที่ได้จากการแมเทบอลิซึม พวกฮอร์โมน และแก๊ส เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ และออกซิเจน ซึ่งในสัตว์มีกระดูกสันหลังส่วนใหญ่ออกซิเจนจะไปกับเม็ดเลือดแดงมากกว่าละลายไปในพลาสมา องค์ประกอบของพลาสมาและองค์ประกอบของของเหลวในร่างกายจะคล้ายคลึงกัน แต่ในพลาสมาจะมีปริมาณโปรตีนมากกว่า เนื่องจากว่าผนังของหลอดเลือดฝอยยอมให้โปรตีนผ่านน้อยมาก แต่ถ้าหลุดออกมา ระบบน้ำเหลืองก็จะช่วยส่งโปรตีนดังกล่าวกลับเข้าสู่พลาสมาดังกล่าวมาแล้ว

      7.2  Cellular elements

      ส่วนประกอบของเลือดที่เป็นเซลล์และส่วนประกอบของเซลล์ประกอบด้วยเม็ดเลือดแดง เม็ดเลือดขาว และเกร็ดเลือด

      7.3  เม็ดเลือดแดง (erythrocyte)

      เป็นเม็ดเลือดที่มีปริมาณมากที่สุด ของคนเรามีประมาณ 5-6 ล้านเม็ดต่อปริมาณเลือด 1 มิลลิลิตร ดังนั้นในคนเรามีเลือด 5 ลิตร จึงมีเม็ดเลือดแดงถึง 25 ล้านล้าน (25 trillions) เม็ดเลือดแดงคนเรามีลักษณะกลม แบนเว้าหน้าเว้าหลัง ตรงกลางบางกว่าตรงขอบเมื่อโตเต็มที่ไม่มีนิวเคลียส (ในสัตว์มีกระดูกสันหลังชั้นต่ำ เช่น กบ เม็ดเลือดแดงมีนิวเคลียส) เม็ดเลือดแดงแต่ละเม็ดบรรจุฮีโมโกลบิน (hemoglobin) ได้ 250 ล้านโมเลกุล (ที่บรรจุได้มากเช่นนี้อาจจะเนื่องจากไม่มีนิวเคลียส) ฮีโมโกลบิน 1 โมเลกุลประกอบด้วยด้วยโกลบูลิน และฮีม (heme) 4 heme มีเหล็กเป็นองค์ประกอบ ฮีโมโกลบินจับได้ทั้งออกซิเจนและไนตริกออกไซด์ เมื่อเม็ดเลือดแดงไปที่ปอดหรือบริเวณที่แลกเปลี่ยนแก๊ส ฮีโมโกลบินจะจับแก๊สทั้งสองแล้วนำไปยังเซลล์ เมื่อถึงเซลล์จะปล่อยออกซิเจนให้เซลล์ซึ่งไนตริกออกไซด์ที่จับไปด้วยนี้ จะเป็นตัวช่อยให้ผนังของหลอดเลือดฝอยขยายออก ทำให้ออกซิเจนออกสู่เซลล์ได้ดียิ่งขึ้น เม็ดเลือดแดงของคนเราจะอยู่ในระบบไหลเวียนเป็นเวลา 3-4 เดือน หลังจากนั้นจะถูกทำลายที่ตับและม้าม หรือที่ต่อมน้ำเหลืองโดยวิธี phagocytosis

      ในสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังบางชนิด เช่น arthropods, mollusks ตัวทำหน้าที่จับและขนส่งออกซิเจนคือฮีโมไซยานิน ซึ่งมีทองแดงเป็นองค์ประกอบ และละลายอยู่ในน้ำเลือดแทนที่จะอยู่ในเม็ดเลือด เมื่อฮีโมไซยานินจับออกซิเจนจะให้สีน้ำเงินแทนที่จะเป็นสีแดงเข้มเหมือนในกรณีของของฮีโมโกลบิน การที่ฮีโมโกลบินอยู่ในเม็ดเลือดจะได้เปรียบกว่าละลายอยู่ในน้ำเลือด เนื่องจากเม็ดเลือดมีปริมาณค่อนข้างคงที่ จึงไม่มีผลกระทบต่อความดันออสโมติดของน้ำเลือด

      7.4  เม็ดเลือดขาว (leukocyte)

      เม็ดเลือดขาวมี 5 ชนิดคือ monocyte, neutrophil, basophil, eosinophil และ lymphocyte เม็ดเลือดขาวส่วนใหญ่ทำหน้าที่เกี่ยวกับการป้องกันร่างกาย เช่น monocyte และ neutrophil ทำหน้าที่จับและทำลายบักเตรีที่เข้ามาในร่างกาย จึงได้ชื่ออีกชื่อหนึ่งว่า phagocyte ส่วน lymphocyte จะกลายเป็นทั้ง B และ T cell ทำหน้าที่เกี่ยวกับการสร้างแอนติบอดีเม็ดเลือดขาวส่วนใหญ่จะอยู่นอกระบบไหลเวียนเลือด พบตามของเหลวในร่างกายและระบบน้ำเหลือง โดยเฉพาะที่ต่อมน้ำเหลือง คนปกติจะมีเม็ดเลือดขาวประมาณ 5,000 – 10,000 เม็ดต่อปริมาตรเลือด 1 มิลลิลิตร และจะมีจำนวนเพิ่มขึ้นเมื่อร่างกายมีเชื้อโรค

      7.5  เกร็ดเลือด (blood platelet)

      เป็นชิ้นส่วนเล็ก ๆ ของเซลล์ มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 2-3 ไมโครมิลลิเมตร เกิดจากชิ้นส่วนของไซโตพลาสซึมของเซลล์ในไขกระดูก แล้วออกสู่กระแสเลือดมีหน้าที่ทำให้เลือดแข็งตัวเมื่อเกิดบาดแผล คนปกติจะมีเกล็ดเลือดประมาณ 250,000 – 400,000 ชิ้น ต่อปริมาตรเลือด 1 มิลลิลิตร ในสัตว์มีกระดูกสันหลังชั้นต่ำ เช่น สัตว์เลื้อยคลาย ส่วนที่ทำหน้าที่เกี่ยวกับการแข็งตัวของเลือดไม่เป็นเกร็ดเลือดเหมือนของคนเรา แต่จะเป็นเซลล์ เรียกว่า ทรอมโบไซต์ (thrombocyte)

      เม็ดเลือดแดง เม็ดเลือดขาว และเกล็ดเลือด เจริญมาจากเซลล์ เซลล์ตั้งต้นเดียวกันคือ pluripotent stem cell ในไขกระดูกซี่โครง กระดูกสันหลัง กระดูกอก และกระดูกเชิงกราน เซลล์ตั้งต้นนี้เริ่มมีตั้งแต่ตอนเป็นเอมบริโอ โดยจะแยกเป็น stem cell ย่อย 2 กลุ่มคือ lymphocyte stem cell ซึ่งจะเจริญไปเป็น lymphocyte ประกอบด้วย B-cell และ T-cell ทำหน้าที่เกี่ยวกับภูมิคุ้มกัน และ myeloid stem cell ซึ่งจะเจริญไปเป็นเม็ดเลือดแดง เม็ดเลือดขาว และเกร็ดเลือด

      เม็ดเลือดแดง เม็ดเลือดขาว และเกร็ดเลือดจะถูกทำลายและสร้างขึ้นใหม่ตลอดอายุขัยของคนเรา เม็ดเลือดแดงประมาณ 2 ล้านเซลล์จะถูกทำลายและถูกสร้างขึ้นใหม่ทุก ๆ วินาทีและปริมาณเม็ดเลือดแดงจะค่อยข้างคงที่ ปัจจัยสำคัญที่ควบคุมการสร้างเม็ดเลือดแดงคือปริมาณออกซิเจนในเลือด ถ้าปริมาณออกซิเจนในเลือดน้อยลง จะไปกระตุ้นให้ไตเปลี่ยนโปรตีนชนิดหนึ่งในพลาสมาให้เป็นฮอร์โมน erythropoietin ซึ่งจะไปกระตุ้นไขกระดูกให้สร้างเม็ดเลือดแดงเพิ่มขึ้น เมื่อปริมาณเม็ดเลือดแดงเพิ่มจำนวนขึ้นเพียงพอก็จะหยุดกระตุ้น ซึ่งกลไกควบคุมดังกล่าวนี้เป็นตัวอย่างของกลไกควบคุมย้อนกลับแบบลบนั่นเอง

ระบบภูมิคุ้มกัน (The immune system)

ระบบภูมิคุ้มกัน (The immune system)
ร่างกายเรามีกลไกการทำลายสิ่งแปลกปลอมจากภายนอกร่างกายหรือเซลล์ของร่างกายที่ผิดปกติ เรียกการทำงานนี้ว่า ระบบภูมิคุ้มกัน ซึ่งสรุปได้ดังนี้

1.  กลไกการทำลายสิ่งแปลกปลอมแบบไม่จำเพาะ

      1.1  First line defense

      ด่านแรกของร่างกายที่ป้องกันและทำลายสิ่งแปลกปลอมคือผิวหนังและพวก mucous membrane ที่บุท่อขอร่างกายที่ติดต่อกับภายนอก เช่น ท่อลม ท่ออาหาร ท่อปัสสาวะ และท่อระบบสืบพันธุ์ ที่ผิวหนังนอกจากจะบุด้วยสารพวก keratin ซึ่งป้องกันเชื้อโรคโดยตรงแล้วยังทนต่อความเป็นกรดที่มาจากสารคัดหลั่งจากต่อมเหงื่อและต่อมน้ำมันที่มี pH 3-5 ซึ่งเป็นภาวะที่เชื้อต่าง ๆ ทนไม่ได้ ส่วนในน้ำลาย น้ำตา มี lysozyme ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่สามารถย่อย cell wall ของแบคทีเรียได้ ส่วนเซลล์เยื่อบุหลอดลมจะมีเมือกลักษณะข้นและมีซิเลียคอยดักจับเชื้อไม่ให้เข้าสู่ปอด ความเป็นกรดภายในกระเพาะอาหารจะช่วยทำลายเชื้อก่อนถึงลำไส้ จะมียกเว้นก็คือเชื้อไวรัส hepatitis A ซึ่งสามารถทนต่อความเป็นกรดภายในกระเพาะอาหารได้

      1.2  Second line defense

      หากเชื้อสามารถเล็ดลอดผ่านด่านแรกเข้ามาได้ จะพบกับการทำงานของด่านที่สองซึ่งประกอบด้วย phagocytosis ของเซลล์เม็ดเลือดขาว การอักเสบ และการทำงานของ antibacterial proteins เม็ดเลือดขาวทำหน้าที่ phagocytosis ได้อย่างดีที่สุดคือ monocyte ซึ่งมีอยู่ประมาณ 5% ของเม็ดเลือดขาวทั้งหมด เมื่อ monocyte ออกจากกระแสเลือดไปอยู่ที่เนื้อเยื่อจะมีขนาดใหญ่ขึ้นและกลายเป็น macrophage (= big eater) เมื่อมีเชื้อโรคเข้ามา macrophage จะห่อหุ้ม (engulf) เชื้อไว้แล้วปล่อยเอนไซม์จาก lysozyme ออกมาย่อย แต่มีเชื้อบางชนิดเช่น Mycobacterium tuberculosis ทนต่อเอนไซม์ดังกล่าวและสามารถเจริญได้ใน macrophage macrophage ส่วนใหญ่อยู่ในม้ามและต่อมน้ำเหลือง และมีบางส่วนไปอยู่ถาวรตามเนื้อเยื่อต่าง ๆ และมีชื่อเรียกแตกต่างกันออกไปเช่น ในปอดคือ alveolar macrophage ในตับคือ Kuffer’s cell ในไตคือ mesoglial cell ในสมองคือ microglial cell และในเนื้อเยื่อเกี่ยวพันคือ histiocytes เป็นต้น

      นอกจาก macrophage แล้วยังมี neutrophil (มีประมาณ 60-70% ของเม็ดเลือดขาวทั้งหมด) ทำหน้าที่ phagocytosis ได้เช่นเดียวกัน โดยจะ engulf เชื้อเข้าไว้ภายในเซลล์แล้วตัวเองก็ตายไปพร้อมกับเชื้อ ดังนั้น neutrophil จึงมีอายุสั้นประมาณ 2-3 วัน ส่วน eosinophil (มีประมาณ 1.5% ของเซลล์เม็ดเลือดขาวทั้งหมดมีหน้าที่ทำลายปรสิตซึ่งมีขนาดโต เช่น พยาธิ โดยเข้าเกาะที่ตัวพยาธิแล้วปล่อยน้ำย่อยออกมาทำลาย เซลล์อีกชนิดหนึ่งในระบบภูมิคุ้มกันที่ทำหน้าที่กำจัดเซลล์ของร่างกายที่ติดเชื้อไวรัสและเซลล์ของร่างกายที่ผิดปกติไป เช่น เซลล์มะเร็ง คือ Natural Killer cells (NK cell) โดยจะจู่โจมที่เยื่อหุ้มเซลล์ของเซลล์เป้าหมายแล้วหลั่งสารพวก cytolytic ทำลายเซลล์เป้าหมายโดยการทำให้เซลล์แตก

2.  การอักเสบ (Inflammatory response)

      เป็นการตอบสนองเมื่อร่างกายเกิดบาดแผลเพื่อป้องกันไม่ให้บาดแผลลุกลามไปบริเวณอื่น ๆ นอกจากนี้ยังทำลายเชื้อโรคและเศษเซลล์ รวมทั้งซ่อมแซมบริเวณบาดแผล มีขั้นตอนการเกิด ดังนี้ เมื่อเกิดบาดแผล เม็ดเลือดขาวชนิด basophil ในกระแสเลือด และ mast cell ที่เนื้อเยื่อเกี่ยวพันจะหลั่งฮีสตามีน (histamine) และพรอสตาแกลนดิน (prostaglandin) ซึ่งมีผลทำให้หลอดเลือดที่อยู่ใกล้เคียงขยายตัว (vasodilation) และผนังบาง ทำให้ blood flow เพิ่ม ดังนั้นทั้งเม็ดเลือดขาวและสารที่ทำให้เลือดแข็งตัวจะเคลื่อนที่มายังบริเวณบาดแผลได้มากและเร็ว โดย neutrophil จะเคลื่อนมาถึงก่อน ตามด้วย monocyte ซึ่งจะมาเปลี่ยนเป็น macrophage ทำหน้าที่ phagocytosis เชื้อโรคและเศษของเซลล์ สุดท้ายทำให้เลือดแข็งตัวและปากแผลปิด อาการของการอักเสบจึงประกอบด้วยผื่นแดง (redness) ร้อน (inflammatory มีรากศัพท์มาจากภาษาลาติน inflammo = to set on fire) การบวมน้ำ (edema) เนื่องจากมีของเหลวออกจากหลอดเลือดและเจ็บปวด (pain) ถ้าเป็นแผลรุนแรง เช่น เยื่อหุ้มสมองอักเสบ ไส้ติ่งอักเสบ การอักเสบจะมีผลทั่วร่างกายกล่าวคือสารเคมีจากบาดแผลจะไปกระตุ้นให้ไขกระดูกสร้าง neutrophil เพิ่มมากกว่าปกติหลายเท่าภายใน 2-3 ชั่วโมง นอกจากนี้ยังมีอาการไข้ (fever) ซึ่งเกิดจาก toxin ของเชื้อที่เข้าไปหรือสาร pyrogen จากเม็ดเลือดขาวไปทำให้จุดตั้ง (set-point) ของ thermostat ปรับตั้งระดับอุณหภูมิให้สูงกว่าปกติ ซึ่งเป็นผลดีเพราะความร้อนของร่างกายที่เพิ่มขึ้นนี้นอกจากจะมีผลยับยั้งการเจริญของเชื้อโรคและทำให้กระบวนการ phagocytosis เกิดได้ดีขึ้นแล้วยังไปเร่งการทำงานของร่างกาย ทำให้แผลหายเร็วขึ้นอีกทางหนึ่งด้วย

3.  Antimicrobial proteins

      โปรตีนในเลือดที่สามารถทำลายแบคทีเรียได้มีประมาณ 20 ชนิด เรียกรวม ๆ ว่า complement system ซึ่งทำงานร่วมกันหลายขั้นตอนเพื่อทำลายสิ่งแปลกปลอมที่เข้าสู่ร่างกาย และยังทำหน้าที่ในระบบ specific defense ด้วย นอกจากโปรตีนดังกล่าวแล้วยังมีสารที่หลั่งจากเซลล์ที่ติดเชื้อไวรัสคืออินเตอร์เฟียรอน (interferons) ซึ่งไปทำให้เซลล์ข้างเคียงหลั่งสารออกมายับยั้งการเจริญของเชื้อได้และยังไปกระตุ้นเซลล์ฟาโกไซต์ทำลายจุลินทรีย์ได้เร็วขึ้น ปัจจุบันสามารถสังเคราะห์อินเตอร์เฟียรอนได้โดยวิธี recombinant DNA เพื่อใช้รักษาโรคติดเชื้อไวรัสและมะเร็งบางชนิดได้

4.  Specific defense mechanism

      หากสิ่งแปลกปลอมเล็ดลอดผ่านกลไกของ nonspecific defense mechanism เข้ามาในร่างกายจะถูกจัดการโดยกลไกของ specific defense mechanism หรือระบบภูมิคุ้มกัน ซึ่งระบบนี้เป็นระบบการทำงาน (functional system) มากกว่าที่จะเป็นระบบอวัยวะ (organ system) ระบบการทำงานดังกล่าวประกอบด้วยเซลล์เม็ดเลือดขาวชนิดต่าง ๆ มากมายอยู่ตาม lymphatic tissue และของเหลวทั่วร่างกายซึ่งเรียกว่า immune cells รวมทั้งโมเลกุลของสารต่าง ๆ อีกหลายชนิด ถ้าระบบภูมิคุ้มกันของร่างกายทำงานได้เต็มที่ร่างกายสามารถจะต่อต้านเชื้อโรคชนิดต่าง ๆ ได้รวมทั้งมะเร็งและอวัยวะปลูกถ่าย (transplant organs)

ภาพที่ 1 Non specific and Specific defense mechanism

      เนื่องจากทั้ง nonspecific response และ immune system งานร่วมกันและต่อเนื่องกันเพื่อให้บรรลุจุดประสงค์ในการกำจัดสิ่งแปลกปลอมของร่างกาย บางตำราจึงถือเอา nonspecific defense mechanism เข้าเป็น immune system ด้วย โดยถือเป็น innate immunity ส่วน specific defense mechanism เป็น adaptive immunity

      กิจกรรมหลักของ immune system คือ immune response ซึ่งมี 2 ทางคือ humoral (antibody-mediated) immune response เป็นการจัดการกับสิ่งแปลกปลอมที่มาจากภายนอกร่างกาย ซึ่งสิ่งแปลกปลอมนี้สามารถกระตุ้นให้ lymphocyte สร้างแอนติบอดี จึงเรียกสิ่งแปลกปลอมนี้ว่า antigen (มาจากคำว่า antibody-generater) และ Cell-mediated immune response เป็นการจัดการกับพวกเชื้อรา พยาธิ เซลล์ของร่างกายที่ติดเชื้อ และเนื้อเยื่อที่ปลูกถ่าย อย่างไรก็ตามกลไกทั้งสองก็จะทำงานร่วมกัน

ภาพที่  2  immune system

5.  Immune cells

ภาพที่  3  การเกิดลิมโพไซต์ชนิด B และ T 

      B & T-lymphocytes Lymphocytes ที่มีบทบาทสำคัญในระบบภูมิคุ้มกันคือ B-lymphocyte (B-cell) และ T-lymphocyte (T-cell) เซลล์ทั้งสองชนิดเจริญมาจากเซลล์ต้นกำเนิด (pluripotent stem cell) ในไขกระดูก ซึ่งเซลล์ต้นกำเนิดนี้เป็นต้นกำเนิดของเซลล์เม็ดเลือดทุกชนิด คือเป็น stem cell ที่จะไปเป็นเซลล์เม็ดเลือดแดงและเม็ดเลือดขาวชนิด granulocytes รวมทั้งเกร็ดเลือด เรียกว่า myeloid stem cells และ stem cell ที่จะให้กำเนิด lymphocytes เรียกว่า lymphoid stem cells ซึ่ง lymphoid stem cells ยังแบ่งออกเป็น 2 พวกคือพวกที่ออกจากไขกระดูกไปเจริญเต็มวัย (mature) ในต่อมไทมัสคือ T-cell (จึงได้ชื่อ T- มาจากต่อมไทมัสนั่นเอง) ส่วนอีกพวกหนึ่งยังคงเจริญเต็มวัยอยู่ในไขกระดูก (bone marrow) คือ B-cell นั่นเอง (ชื่อ B-cell ที่ตั้งขึ้นมาจากคำว่า bone marrow จึงไปสอดคล้องกับชื่อดั้งเดิมของ B-cell ซึ่งมีที่มาจากคำว่า Bursa of Frabiscus ซึ่งเป็นอวัยวะของนก จากการที่พบ B-cell เป็นครั้งแรกในอวัยวะของนก) เมื่อทั้ง B-cell และ T-cell เจริญเต็มที่จะออกจากไขกระดูกหรือจากต่อมไทมัสไปอยู่ตาม lymphoid tissue เช่น ต่อมน้ำเหลือง ม้าม เลือด และน้ำเหลือง

      ที่ผิวของ B-cell และ T-cell มีรีเซพเตอร์ที่จับกับแอนติเจนได้อย่างจำเพาะ แต่ละเซลล์จะมีรีเซพเตอร์อยู่ประมาณ 100 000 ชนิด ดังนั้นจึงสามารถจับกับแอนติเจนอย่างจำเพาะได้มากมาย แต่จะไม่จับกับโมเลกุลของร่างกายตนเอง หากมี B-cell และ T-cell ที่มีรีเซพเตอร์ที่จับกับสารหรือโมเลกุลของร่างกายตนเองจะถูกทำลายไปโดยวิธี programmed cell death ดังนั้นจึงเหลือแต่เซลล์ที่มีรีเซพเตอร์ที่จำเพาะต่อโมเลกุลจากภายนอก ทำให้ร่างกายสามารถแยก self กับ nonself ได้

      เมื่อแอนติเจนจับเข้ากับรีเซพเตอร์บนผิวของ T- และ B-cell จะมีผลกระตุ้นให้เซลล์แบ่งตัวออกไปได้เรื่อย ๆ ได้เซลล์ที่เหมือนกันเรียกว่า clone cell ซึ่ง clone cell นี้มี 2 พวกคือ clone of plasma cell ทำหน้าที่สร้างแอนติบอดีจำเพาะต่อแอนติเจนที่เข้ามาแล้วส่งแอนติบอดีเหล่านั้นออกสู่กระแสเลือด และอีกพวกหนึ่งคือ clone of memory cell ซึ่งจะยังคงอยู่ในร่างกายและจะสร้างแอนติบอดีได้ทันทีที่แอนติเจนตัวเดิมเข้ามา ระยะเวลาในการสร้างแอนติบอดีต่อแอนติเจนครั้งแรก (primary immune response) กินเวลาประมาณ 10-17 วัน ในระยะนี้ร่างกายจะป่วย อาการป่วยจะหายไปเมื่อแอนติบอดีกำจัดแอนติเจนออกได้หมด หลังจากนั้นหากร่างกายได้รับแอนติเจนชนิดเดียวกันนี้อีก secondary immune response จะเกิดจากการที่ memory cell สร้างแอนติบอดีทันทีซึ่งจะกินเวลาประมาณ 2-7 วัน แอนติบอดีของ secondary immune response นี้จะมีปริมาณมากกว่าครั้งแรกมาก memory cell ของแอนติเจนบางชนิดอยู่ในร่างกายได้นานมาก ดังนั้นโรคบางโรคที่เคยเป็นมาแล้วร่างกายจะไม่เป็นอีก เช่น แอนแทรกซ์ และคางทูม เป็นต้น

6.  T-cell

      ภายในต่อมไทมัส lymphocyte stem cell จะเจริญไปเป็น T-cell 3 ชนิดคือ cytotoxic T-cell (Tc), helper T-cell (TH) และ suppressor T-cell (Ts) Tc เป็นเซลล์ที่มีรีเซพเตอร์จับกับผิวเซลล์ของร่างกายที่มี major histocompatibility complex (MHC) แบบ class I MHC molecule คือ antigen presenting cell (APC) ซึ่งเป็น infected cell ส่วน TH มีรีเซพเตอร์จับกับผิวเซลล์ของร่างกายที่มี class II MHC molecule คือ APC ซึ่งเป็น macrophage ซึ่งการจับดังกล่าวมีความจำเพาะมาก Tc มีบทบาทใน cell mediated immune response ส่วน TH มีบทบาททั้งในการกระตุ้นให้ B-cell ใน humoral immune response กลายเป็น plasma cell สร้างแอนติบอดี และบทบาทในการกระตุ้น Tc ให้เป็น active Tc ไปทำลายเซลล์ของร่างกายที่ติดเชื้อ ดังนั้นจะเห็นได้ว่า immune response ทั้งสองทางจะทำงานร่วมกัน (รูปที่ 2) ส่วนบทบาทของ Ts ยังไมีทราบแน่นอน เชื่อว่าทำให้ immune response หยุดทำงานหลังจากที่ได้กำจัดสิ่งแปลกปลอมได้เรียบร้อยแล้ว ซึ่งบางตำราจัดแยก T-cell ออกเป็นแค่ 2 ชนิดตามรีเซพเตอร์คือ Tc กับ TH

ภาพที่  4  กำเนิดของเซลล์ต่าง ๆ ในระบบภูมิคุ้มกันจากเซลล์ต้นกำเนิด (stem cell)

ภาพที่  5  แผนภาพแสดงการทำงานร่วมกันของระบบภูมิคุ้มกันของร่างกายทั้งการตอบสนอง
                       ทาง humoral antibody-mediated immune response และ cell-mediated immune response

7.  กลไกการสร้างแอนติบอดีของ β-cell

ภาพที่ 6  การสร้าง β-cell  

      แอนติเจนที่มากระตุ้นให้ β-cell สร้างแอนติบอดีมี 2 แบบคือ แบบที่ทำให้ β-cell สร้างแอนติบอดีได้โดยไม่ต้องให้ helper T-cell มาช่วย เรียกว่า T-independent antigens ได้แก่ polysaccharides ของแคปซูลและแฟลกเจลลาของแบคทีเรีย และโปรตีนที่มี identical polypeptide การสร้างแอนติบอดีแบบนี้จะไม่มี memory β-cell เก็บไว้ ส่วนแบบที่สองเป็นแบบที่ต้องให้ helper T-cell มาช่วยจึงจะสร้างแอนติบอดี เรียกแอนติเจนแบบนี้ว่า T-dependent antigens ซึ่งส่วนใหญ่เป็นโปรตีนทำให้ β-cell สร้างแอนติบอดีและมี memory β-cell โดยเริ่มจากเมื่อมีแอนติเจนเข้ามา (1) macrophage ซึ่งกลายเป็น antigen-presenting-cell จะย่อย (2) ได้ชิ้นส่วนซึ่งไปจับกับ class II MHC protein ที่ผิวของ macrophage (3) ไปเกาะกับรีเซพเตอร์ของ helper T-cell เป็น MHC antigen complex (4) helper T-cell นี้จะไปจับกับ β-cell ซึ่งได้รับแอนติเจนพร้อมกับ macrophage helper T-cell หลั่ง interleukin-2 และ cytokines อื่น ๆ ไปกระตุ้นให้ β-cell แบ่งตัว (5) กลายเป็น plasma cell หลั่งแอนติบอดีและเป็น memory β-cell เก็บไว้

ภาพที่  7  การทำหน้าที่ของ T cell ในระบบภูมิคุ้มกัน

8.  การกำจัดแอนติเจนของแอนติบอดี (Antibody mediate disposal of antigens)

      การที่แอนติบอดีกำจัดแอนติเจนได้ก็โดยการจับกับแอนติเจนเป็น antigen-antibody complex โดยวิธี neutralization หรือ agglutination หรือ precipitation แล้วส่งต่อให้ macrophage ทำลายโดยวิธี phagocytosis หรือเป็น complex โดยวิธี complement fixation แล้วส่งต่อไปทาง complement pathway เพื่อทำให้เซลล์สลาย (cell lysis)

ภาพที่  8  แสดงกลไกการทำงานของภูมิคุ้มกันแบบ humoral immunity

9.  ระบบภูมิคุ้มกันของสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง (Invertebrate Immune system)

      จากการทดลองพบว่าสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังก็สามารถแยก self กับ nonself ได้ เช่น ถ้านำเอาเซลล์ของฟองน้ำหลาย ๆ ตัวมาแยกและกระจายออก จะพบว่าเซลล์ที่มาจากตัวเดียวกันจะมารวมกัน และยังพบว่า coelomocyte cell ซึ่งเป็น amoeboid cell ของสัตว์หลายชนิดสามารถทำลายสิ่งแปลกปลอมได้ และจากการทดลองปลูกถ่ายเนื้อเยื่อในไส้เดือนดิน ถ้าเอาเนื้อเยื่อมาจากประชากรเดียวกันจะอยู่ได้นานถึง 8 เดือน แต่ถ้าเอาเนื้อเยื่อจากประชากรอื่นจะ reject ภายใน 2 สัปดาห์ และยังพบว่า coelomocyte cell จะมี memory ด้วยเนื่องจากจะ reject การปลูกถ่ายเนื้อเยื่อครั้งที่ 2 ได้ภายใน 2-3 วัน