การแลกเปลี่ยนแก๊สในสัตว์ ( Gas Exchange in Animal )

การแลกเปลี่ยนแก๊สในสัตว์ เป็นกระบวนการแลกเปลี่ยนแก๊สหายใจ โดยมีการนำแก๊สออกซิเจนจากภายนอกเข้าสู่ร่างกาย และกำจัดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดจากการหายใจในระดับเซลล์ออกสู่สิ่งแวดล้อมภายนอก โดยทั่วไปการแลกเปลี่ยนแก๊สระหว่างเซลล์ที่มีชีวิต และสิ่งแวดล้อมที่อยู่โดยรอบเกิดขึ้นโดยอาศัยการแพร่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ที่เปียกชื้น แก๊สที่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เข้าไปได้จะต้องอยู่ในสภาพสารละลาย สิ่งมีชีวิตขนาดเล็กในเซลล์แต่ละเซลล์จะสัมผัสกับน้ำโดยตรง จึงไม่พบอวัยวะหายใจใดๆ ในสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ สิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่มีวิธี การแลกเปลี่ยนแก๊สเพื่อการหายใจที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น มีการเพิ่มพื้นที่ผิวที่จะเป็นแหล่ง แลกเปลี่ยนแก๊สได้มากขึ้นหากเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีเซลล์ที่อยู่ภายในมากและอยู่ห่างไกล จากผิวแลกเปลี่ยนแก๊ส จะต้องมีกลไกเฉพาะที่ทำหน้าที่นำแก๊สไปสู่เซลล์ต่างๆ ทั่วร่างกายได้
                โดยทั่วไปผิวแลกเปลี่ยนแก๊ส แบ่งเป็น 2 ประเภท คือ ประเภทที่อยู่ชั้นนอก เหมาะสำหรับสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่ในน้ำ เพราะสามารถสัมผัสกับน้ำภายนอกได้โดยตรง อีกประเภทหนึ่งคือการมีพื้นผิวแลกเปลี่ยนแก๊สที่อยู่ภายในร่างกาย สิ่งมีชีวิตที่มีการ แลกเปลี่ยนแก๊สประเภทนี้จะต้องอาศัยการลำเลียงแก๊สไปสู่เซลล์เหล่านั้น การแลกเปลี่ยนแก๊สต้องการแลกเปลี่ยนแก๊สที่มีขนาดพอเพียง สามารถลำเลียงแก๊สระหว่างพื้นที่แลกเปลี่ยนแก๊สกับสิ่งแวดล้อมและเซลล์ภายในอย่างมีประสิทธิภาพ สามารถป้องกันพื้นผิวที่เป็นแหล่งแลกเปลี่ยนแก๊สจากอันตรายต่างๆได้ โดยเฉพาะการเสียดสี มีการรักษาพื้นผิวแลกเปลี่ยนแก๊สให้ชื้นอยู่เสมอ

1. โครงสร้างของอวัยวะการหายใจของสัตว์

                1.1 สัตว์น้ำ

                ยังไม่มีอวัยวะพิเศษใช้ในการหายใจ การแลกเปลี่ยนแก๊ส จึงเกิดที่เยื่อหุ้มเซลล์ หรือผนังลำตัว ออกซิเจนจากน้ำจะแพร่เข้าสู่เซลล์ และปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาสู่น้ำ พบในแมงกระพรุน ไฮดรา
                สัตว์น้ำที่เจริญขึ้นจะมีเหงือก (gill) เป็นอวัยวะแลกเปลี่ยนแก็สอยู่ภายนอกร่างกายเหงือกยังมีความแตกต่างกันในเรื่องความซับซ้อน เหงือกของปลาดาวเป็นผิวหนังที่ยื่นออกไปเป็นรูปถุง เรียกว่า เดอร์มัลแบรงเคีย ปลาหมึกจะมีเหงือกอยู่ในช่องแมนเทิลส่วนเหงือกของปลากระดูกแข็งจะอยู่ใต้แผ่นปิดเหงือก ตัวอ่อนของสัตว์สะเทินน้ำสะเทินบกจะมีเหงือกยื่น ออกมานอกร่างกายบริเวณคอหอย มีพื้นที่สัมผัสกับน้ำมากจึงเพิ่มประสิทธิภาพใน การแลกเปลี่ยนแก็ส เหงือกของสัตว์ชั้นสูง เช่นเหงือกปลา จะมีเส้นเลือดฝอยมาเลี้ยงดังนั้นออกซิเจนจากน้ำจะแพร่เข้าสู่เส้นเลือดฝอยของเหงือก เลือดจะพาออกซิเจนไปเลี้ยงส่วนต่างๆ ของร่างกาย

                ปริมาณออกซิเจนในน้ำมีน้อยกว่าในอากาศมาก น้ำจืด 1 ลิตรที่อุณหภูมิ 15 องศาเซลเซียส จะมีออกซิเจนอยู่เพียง 7 ลูกบาศก์เซนติเมตร ส่วนในน้ำเค็มจะมีอยู่เพียง 5 ลูกบาศก์เซนติเมตร (Purves and Orians. 1983:572) ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับ ความดัน อุณหภูมิและ ความเค็มของน้ำด้วย ในอากาศ 1 ลิตรจะมีออกซิเจนอยู่ถึง 210 ลูกบาศก์เซนติเมตรนอกจากปริมาณออกซิเจนในน้ำต่ำแล้ว การแพร่ของออกซิเจนในน้ำยังช้ากว่าในอากาศหลายพันเท่า สัตว์น้ำจึงมีปัญหาในการได้รับออกซิเจนไม่เพียงพอ สัตว์น้ำที่หายใจด้วยเหงือก จึงต้องปรับตัว โดยการเคลื่อนไหวอยู่ตลอดเวลา เพื่อให้น้ำผ่านเหงือกอยู่ตลอดเวลา ปลาจะโผล่ขึ้นมา ฮุบน้ำเข้าปาก และระบายน้ำออกทางเหงือก กุ้งจะทำกระแสน้ำวนเข้าช่องเหงือกที่อยู่ ใต้เปลือกหุ้มหัวและอกอยู่ตลอดเวลา ด้วงดิ่งเป็นแมลงปีกแข็ง อาศัยอยู่ในน้ำจะเก็บอากาศไว้ใต้ปีกคู่หน้า

                1.2 สัตว์บก

                เมื่อขึ้นมาอาศัยอยู่บนบกซึ่งมีออกซิเจนเหลือเฟือ จึงวิวัฒนาการโครงสร้างของอวัยวะแลกเปลี่ยนแก๊สเป็นท่อลม (trachea) ในสัตว์พวกแมลง และเป็นปอดในสัตว์พวกปลาบางชนิด จนถึงสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม อากาศในปอดและท่อลมจะชื้นอยู่เสมอเซลล์ที่อยู่บริเวณของแหล่งแลกเปลี่ยนจะมีชั้นน้ำบางๆเคลือบอยู่ ทำให้ออกซิเจนสามารถละลายน้ำได้ดี แสดงว่าน้ำยังเข้าเกี่ยวข้องในการแลกเปลี่ยนแก๊สเช่นเดียวกับในใบของพืชบก
                        1.2.1 ท่อลม เป็นท่อติดต่อกับภายนอกของร่างกายทางรูหายใจ (spiracle) ท่อลมจะแตกแขนงเป็นท่อเล็กๆ แทรกไปทั่วทุกส่วนของร่างกาย ท่อลมเป็นแหล่งแลกเปลี่ยนแก๊ส ในแมลง ออกซิเจนสามารถแพร่จากแขนงของท่อลมผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เข้าไปในเซลล์ ส่วนคาร์บอนไดออกไซด์ก็จะแพร่ออกจาเซลล์เข้าสู่ท่อลม ทั้งลำตัวแมลงจะมีรูหายใจซึ่งมีลิ้นค่อยปิดเปิดอยู่ ระบบการหายใจแบบนี้เป็นปัจจัยจำกัดที่สำคัญในการจำกัดขนาดของแมลงไม่ให้มีขนาดใหญ่เกินไป แมลงพวกตั๊กแตน จะมีการขยายตัวของท่อลม เป็นถุงอากาศ (air sac) บริเวณ รูหายใจ นอกจากจะมีลิ้นแล้วยังมีขนอยู่มากมาย เพื่อกรองฝุ่นละอองและสิ่งสกปรกไว้ไม่ให้ผ่านเข้าท่อลม
                        แมงมุม แมงป่อง จะมีอวัยวะแลกเปลี่ยนแก๊สต่างไปจากแมลงที่ เรียกว่า ปอดแผง (book lung) ซึ่งประกอบไปด้วยเซลล์ร่างกาย เรียงตัวเป็นแผ่นบางๆซ้อนกันหลายชั้นพับซ้อนอยู่ในช่องว่างของร่างกาย ช่องว่างนี้จะมีรูเปิด เรียกว่า รูหายใจ แผ่นเซลล์บางๆ เหล่านี้จะต้องเปียกชื้นอยู่เสมอ เพื่อทำหน้าที่เป็นแหล่งแลกเปลี่ยนออกซิเจนกับเซลล์และรับคาร์บอนไดออกไซด์ออกมากำจัด

ภาพ 1 เหงือกสัตว์น้ำ ก. เหงือกปลา ข. การไหลของน้ำผ่านเหงือกปลาเพื่อแลกเปลี่ยนแก๊ส ค. เหงือกภายนอกลูกกบ 

ภาพที่ 2 เหงือกกุ้ง 

                2. ปอดของมนุษย์

ภาพที่ 5 ปอดมนุษย์

                ปอดเป็นอวัยวะแลกเปลี่ยนแก๊สระหว่างสิ่งแวดล้อมภายนอกกับเลือด ดังนั้นอากาศจะผ่านจากจมูก คอหอย ผ่านช่องเปิดกลอตทิส (glottis) สู่กล่องเสียง (larynx) และ หลอดลม จากนั้นจึงผ่านเข้าในขั้วปอด (bronchus) ซ้ายและขวา เข้าปอดแต่ละข้างภายในปอดจะมีท่อลมเล็กๆ ซึ่งเป็นแขนงของ ขั้วปอดขนาดต่างๆ หลอดลมหรือท่อลมในปอดขนาดเล็กที่สุดคือ บรองคิโอล (bronchiole) ปลายบรองคิโอล จะมีถุงลม (alveoli) อยู่เป็นจำนวนมาก ปอดคนมีถุงลมมากกว่า 300 ล้านถุง พื้นผิวด้านในของถุงลมจะมีเส้นเลือดฝอยปกคลุมอยู่ ดังนั้นบริเวณถุงลมจึงเป็นแหล่งแลกเปลี่ยนออกซิเจน และคาร์บอนไดออกไซด์ ระหว่างเลือด กับอากาศที่ผ่านเข้าสู่ปอด
                ปอดเป็นอวัยวะที่อยู่ในช่องท้อง บริเวณใต้ปอดจะเป็นกะบังลม (diaphragm) ซึ่งเป็นกล้ามเนื้อรูปโดมที่แยกส่วนอกออกจากส่วนท้อง มีหน้าที่ช่วยในการหายใจเข้าและออก
                อวัยวะที่เป็นทางผ่านของอากาศเข้าสู่ปอด และหน้าที่ของอวัยวะต่างๆนั้น แสดงไว้ดังตารางที่ 4.1

ภาพที่ 6 ก. ทางเดินอากาศเข้าสู่ปอด ข. ภาพขยายของถุงลม และบรองคิโอล ( ที่มา : Purves and Orians. 1983 : 578 )

ตาราง 4.1 อวัยวะ และหน้าที่ของอวัยวะที่เป็นทางผ่านของอากาศเข้าสู่ปอด

ชื่ออวัยวะ	หน้าที่
โพรงจมูก	กรองและปรับอุณหภูมิและความชื้นของอากาศที่หายใจเข้าไป
คอหอย	รับอากาศจากโพรงจมูก
กลอตทิส	เป็นช่องที่อากาศผ่านเข้ากล่องเสียง
กล่องเสียง	ทำให้เกิดเสียง
หลอดลม	ท่อทางผ่านของอากาศเข้าขั้วปอด
ขั้วปอด	ท่อที่นำอากาศเข้าปอด
บรองคิโอล	หลอดลมเล็กที่สุดรับอากาศ
ถุงปอด	ถุงที่เป็นแหล่งแลกเปลี่ยนแก๊ส

( ที่มา : Mader . 1988 : 151 )

3. กลไกการหายใจในมนุษย์

                เป็นกลไกที่จะก่อให้เกิดการหายใจเข้า เพื่อเอาอากาศเข้าสู่ปอด และกลไก การหายใจออก เพื่อนำอากาศออกจากปอด

                3.1 การหายใจเข้า ( inspiration)
                อากาศผ่านเข้าทางเดินของอากาศได้ โดยการทำงานของกะบังลมและกล้ามเนื้อ ซี่โครง ในสภาพคลายตัว กล้ามเนื้อกะบังลมมีลักษณ์เป็นรูปโดม เมื่อกล้ามเนื้อกะบังลมหดตัวทำให้ส่วนโค้งด้านบนของโดมลดลง การหดตัวนี้ทำให้มีการดันตับ กระเพาะอาหาร และลำไส้ลงไปด้านล่าง และยื่นออกมาทางด้านหน้า ท้องจึงป่องขึ้น ช่องอกจะขยายตัวออก ความดันในปอดจะลดลง และความดันในถุงลมจะลดลงด้วย อากาศจึงผ่านเข้าสู่ปอด ดังรูปที่ 4.7 ก. และ ข.

                3.2 การหายใจออก ( expiration )
                เมื่อกะบังลมคลายตัวจะกลับมามีลักษณะเป็นรูปโดมตามเดิม ท้องจะถูกดึงยุบลง ช่องอกก็จะมีปริมาตรเล็กลง ความดันในช่องอกจะเพิ่มขึ้น บีบถุงลมให้แฟบไล่ อากาศออกจากปอด ดังรูปที่ 4.7 ค. และ ง.

4. การควบคุมการหายใจ

                การหายใจถูกควบคุมโดยศูนย์หายใจในสมองส่วนเมดัลลาออบลองกาตา เป็นส่วนท้ายของสมองใกล้รอยต่อของกระโหลกศีรษะกับคอ
                วงจรปกติ ศูนย์หายใจจะตอบสนองต่อสิ่งกระตุ้นทั้งที่มาจากเส้นประสาทรับความรู้สึก และสารเคมี สารเคมีที่สำคัญคือระดับคาร์บอนไดออกไซด์ในเลือด หากมีมากจะเป็นตัวเร่งการทำงานของศูนย์หายใจให้ส่งกระแสความรู้สึกไปยังกล้ามเนื้อกะบังลม และกล้ามเนื้อ ซี่โครงเส้นประสาทฟรีนิก (phrenic nerve) ขนาดใหญ่ 1 คู่ เมื่อกระแสความรู้สึกส่งมาที่ กล้ามเนื้อเหล่านี้จะเกิดการหดตัวทำให้ช่องอกกว้างขึ้น ถุงลมจะขยายใหญ่อากาศจึงเข้าสู่ปอดได้
                การขยายตัวอย่างมากของถุงลม จะกระตุ้นเส้นประสาทรับความรู้สึกที่บริเวณ ผนังของถุงลม และนำกระแสความรู้สึกไปยังศูนย์หายใจมีผลทำให้ศูนย์หยุดส่งสัญญาณไปยังกล้ามเนื้อเกี่ยวกับการหายใจ จะช่วยป้องกันมิให้หายใจเข้ามากเกินไป เมื่อไม่มีสัญญาณ จากสมอง กล้ามเนื้อ กะบังลม และกล้ามเนื้อซี่โครงก็จะคลายตัว ทำให้ช่องอกแคบลง ความดันเพิ่มขึ้นจึงบีบถุงลมให้หดตัวไล่อากาศออกจากปอด กระแสความรู้สึกจึงหยุดส่งไปยังศูนย์หายใจ และ ศูนย์ก็จะไม่ถูกห้าม เลือดที่มีคาร์บอนไดออกไซด์สูงก็จะสามารถทำหน้าที่ได้ ศูนย์หายใจก็จะกลับส่งความรู้สึกไปยังกล้ามเนื้อกะบังลม และกล้ามเนื้อซี่โครงได้อีก การหายใจครั้งใหม่ก็จะเริ่มขึ้น

ภาพที่ 7 การหายใจเข้า และการหายใจออก ก. และ ข. การหายใจเข้า ค. และ ง. การหายใจออก ( ที่มา : Mader . 1988 : 156 )

5. การเปลี่ยนแปลงจังหวะการหายใจ

                กิจกรรมต่างๆเป็นการออกกำลังกาย ความรู้สึกต่อสิ่งกระตุ้นต่างๆตลอดจนการเปลี่ยนแปลงอารมณ์มีอิทธิพลต่อศูนย์ควบคุมการหายใจทำให้อัตราการหายใจเปลี่ยนแปลงไปได้
                เมื่อความเข้มข้นของ CO₂ ในเลือดสูง อัตราการหายใจจะสูงขึ้น ความเข้มข้นของ CO₂ จะเพิ่มขึ้นเมื่ออัตราการเกิด CO₂ จากการหายใจมากกว่าอัตราการขจัด CO₂ ที่ปอด เช่น ขณะเริ่มทำงานหนักจะมีอัตราการหายใจระดับเซลล์มาก มีการปล่อย CO₂ มากขึ้น ภาวะเช่นนี้ การหายใจจะเร็วขึ้น เพื่อขจัด CO₂ ออกมาทางปอด และเมื่อหายใจเร็วขึ้น ก็ได้รับ O₂ มากขึ้น นอกจากนั้น CO₂ ยังมีผลเร่งการการเต้นของหัวใจอีกด้วย ทำให้การหมุนเวียนของเลือดเร็วขึ้น เป็นการช่วยเพิ่มความเร็วของการแลกเปลี่ยนแก๊ส ขณะเมื่อกลั้นหายใจ ความเข้มข้นของ CO₂ ในเลือดจะเพิ่มขึ้นมากก็จะไปกระตุ้น การหายใจอย่างแรง ก็จะไปบังคับให้เกิดการหายใจจนได้ ในทางตรงกันข้าม เมื่อความเข้มข้นของ CO₂ ในเลือดต่ำ ศูนย์หายใจจะถูกกระตุ้นไม่แรงนัก ทำให้การหายใจช้าลง เช่น ระหว่างนอนหลับ หรือขณะพักผ่อน ซึ่งเป็นช่วงที่มี การหายใจน้อยที่สุด การหายใจลึกที่สุดและเร็วที่สุดจะทำให้ทั้ง O₂ และ CO₂ ออกมากับลมหายใจออกเกือบหมด ทำให้มี CO₂ ไปถึงศูนย์การหายใจน้อยกว่าปกติ สภาพเช่นนี้จะคล้ายกับการขาด O₂ และ CO₂ ที่เกิดในที่สูงๆศูนย์การหายใจ อาจหยุดการทำงานชั่วคราว จนกว่าความเข้มข้นของ CO₂ จะสูงขึ้นถึงระดับที่ จะกระตุ้นศูนย์การหายใจได้
                อากาศที่หายใจเข้าประกอบด้วย O₂ ประมาณร้อยละ 20.96 CO₂ ประมาณร้อยละ 0.04 อากาศที่หายใจออก มี O₂ ร้อยละ 13.2 CO₂ ประมาณร้อยละ 5.3 ส่วนไนโตรเจนไม่ถูกนำไปใช้ในการหายใจจึงคงมีประมาณร้อยละ 79 ดังนั้นการหายใจเข้าและออกจะมีการได้รับ O₂ ไปเลี้ยงเซลล์ต่างๆ ประมาณร้อยละ 8 และมีการขจัด CO₂ ออกจากร่างกายประมาณร้อยละ 5
                จำนวนครั้งในการหายใจประมาณ 16 – 20 ครั้งต่อนาที มีการระบายอากาศออกได้ประมาณ 8 – 10 ลิตร หากออกกำลังกายอย่างหนัก การหายใจอาจเพิ่มเป็น 50 ครั้งต่อนาทีได้ จึงมีการระบายอากาศออกได้มากกว่า 20 ลิตร
                บนภูเขาสูงหรือบนเครื่องบินสูงกว่า 10,000 ฟุต นักปีนเขา และนักบิน รวมทั้งผู้โดยสารเครื่องบินจะต้องมีการเพิ่มความกดดันด้วย เพื่อให้ผู้โดยสารหายใจสะดวก นักประดาน้ำที่ดำน้ำลึกเป็นเวลานานจะต้องใช้ถังอัดอากาศ กับหน้ากากเช่นเดียวกัน

6. การแลกเปลี่ยนแก๊สหายใจ

                เป็นการเคลื่อนย้าย O₂ จากถุงลมในปอดเข้าสู่เลือด และการเคลื่อนย้าย CO₂ จากเลือดกลับเข้าสู่ถุงลมในปอดโดยอากาศ การแพร่ของ O₂ และ CO₂ ผ่านเยื่อหุ้มซึ่งเป็น เซลล์ชั้นเดียวของถุงลม ผนังเส้นเลือดฝอยประกอบด้วยเซลล์หนาชั้นเดียวเช่นเดียวกัน ผนังของถุงลมและผนังเส้นเลือดฝอยยอมให้ CO₂ และ O₂ ผ่านได้ดังนั้นการ แลกเปลี่ยนแก๊สทั้งสองชนิดจึงเกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็ว
                ทิศทางการเคลื่อนที่ของแก๊ส ถูกกำหนดโดยความแตกต่างของความดันระหว่างเส้นเลือดกับปอด ในปอดมี CO₂ น้อย แต่เลือดที่เข้าสู่ปอดมี CO₂ มาก ผลคือ CO₂ จะเคลื่อนที่จากเส้นเลือดฝอยเข้าสู่ถุงลม แต่ในถุงลมมี O₂ มากกว่าในเส้นเลือดฝอย O₂ จึงแพร่เข้าสู่เส้นเลือดฝอย
                ชาวเขาที่อยู่บนภูเขาสูงๆ เหนือระดับน้ำทะเลมาก ความกดดันของอากาศจะลดลงมาก ปริมาณ O2 มีน้อย ความดันของ O2 ในปอดกับในเลือดจึงไม่ต่างกันมาก O₂ จึงแพร่เข้าสู่เลือดได้น้อย จึงเกิดอาการขาด O₂ ในห้องที่มีผู้คนอยู่หนาแน่น เช่น โรงภาพยนต์ เราจะรู้สึกอึดอัด เพราะความดันของ CO₂ ในโรงภาพยนต์ใกล้เคียงกับ CO₂ ในเลือดทำให้ CO₂ แพร่ออกจากเลือดได้น้อยหรือได้ยาก
                การแลกเปลี่ยนแก๊สยังเกิดระดับเซลล์ร่างกาย กับเส้นเลือดด้วย การแลกเปลี่ยนแก๊สระหว่างที่ถูกกำหนดโดยความแตกต่างของความดันแก๊ส เช่นเดียวกันกับที่ปอด โดยเซลล์มีการใช้ O₂ อยู่ตลอดเวลา ความดัน O₂ ในเซลล์ จึงต่ำกว่าในเส้นเลือด ทำให้ O₂ จากเส้นเลือดแพร่เข้าสู่เซลล์ ส่วนเซลล์ จะมีความดันของ CO₂ สูงกว่าในเส้นเลือด เพราะเกิดกระบวนการเมแทบอลิซึมตลอดเวลา จึงเกิด CO₂ เพิ่มขึ้น CO₂ จากเซลล์จึงแพร่เข้าสู่เส้นเลือด เลือดจะนำ CO₂ ไปกำจัดที่ปอด และรับ O₂ ต่อไปได้อีก

7. การลำเลียงแก๊ส

                เป็นการลำเลียงแก๊สที่ช่วยในการหายใจ จะต้องอาศัยตัวกลางที่เป็นของเหลวไอออนอินทรีย์จำนวนหนึ่ง และเม็ดเลือดแดงซึ่งมีฮีโมโกลบิน (Hb) เป็นองค์ประกอบสำคัญ
                ฮีโมโกลบินมีสมบัติที่จะรวมตัวหลวมๆกับ O₂ ดังสมการ

Hb + O₂ ---------> HbO₂ หรือ Hb + 4 O₂ ----------> 4HbO₂

                ถ้ามี O₂ มากเกินพอ ปฏิกิริยาจะดำเนินไปทางขวา ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่เกิดในเส้นเลือดฝอยในปอด ออกชีฮีโมโกลบิน (HbO₂) จะเกิดขึ้นที่เส้นเลือดฝอย ในปอด
                O₂ ที่ลำเลียงไปในเส้นเลือดจะอยู่ในรูป HbO₂ มี O₂ ส่วนน้อยที่ละลายอยู่ในพลาสมาในเลือดยังมี CO₂ และ N₂ ละลายอยู่ด้วย เมื่อความดันของอากาศภายนอก ร่างกายลดลงอย่างกระทันหัน เช่น การขึ้นสู่ที่สูงอย่างรวดเร็ว หรือการขึ้นจากที่ลึกมากๆ อย่างรวดเร็ว จะทำให้แก๊สละลายอยู่ในเลือดเกิดเป็นฟองอากาศออกมาจากเลือดในลักษณะคล้ายกับการเปิดฝาขวดน้ำโซดา ซึ่งอาจเป็นอันตรายได้
                เมื่อ HbO₂ มาถึงเนื้อเยื่อ ปฏิกิริยาในสมการจะเกิดไปทางซ้าย เซลล์มี O₂ น้อยกว่าในเลือด ดังนั้น HbO₂ จะปล่อย O₂ เป็นอิสระออกมาจึงเกิด Hb อิสระอีกครั้งหนึ่ง และ O₂ อิสระจะถูกเนื้อเยื่อนำไปใช้
                ฮีโมโกลบินยังสามารถลำเลียง CO ได้ดังสมการ

Hb + CO -------------> HbCO คาร์บอกซีฮีโมโกลบิน (carboxyhemoglobin)

                การรวมตัวของ Hb กับ CO เกิดได้ง่ายกว่า O₂ และที่สำคัญจะไม่ย่อมปล่อย CO ออกมาง่ายๆดังนั้นถ้ามี CO อยู่ในบรรยากาศ Hb จะกลายเป็น HbCO มากกว่าที่จะเป็น HbO₂ ร่างกายขาด O₂ (anoxia) จนเป็นอันตรายถึงชีวิตได้
                CO₂ ที่เนื้อเยื่อต่างๆปล่อยเข้าสู่เลือด จะลำเลียงโดยอาศัยละลายไปกับพลาสมาร้อยละ 10 รวมตัวกับฮีโมโกลบินประมาณร้อยละ 25 ซึ่งลำเลียงไปปอดในรูปของคาร์บามิโนฮีโมโกลบิน (carbamino hemoglobin or HbCO₂) CO₂ ส่นใหญ่ประมาณร้อยละ 65 จะทำปฏิกิริยากับน้ำกลายเป็นไบคาร์บอเนตไอออน (HCO₃^- )ดังสมการ

CO₂ + H₂ O  -------------> H₂ CO₃  -------------> H⁺ + HCO₃^-

                เนื้อเยื่อจะปล่อย CO₂ ให้กับเลือดอย่างสม่ำเสมอ ปฏิกิริยานี้จะเกิดไปทางขวาอย่างรวดเร็ว โดยอาศัยเอนไซม์คาร์บอนิกแอนไฮเดรส ซึ่งอยู่ในเซลล์ของเม็ดเลือดแดง ดังนั้น CO₂ ส่วนใหญ่จึงถูกลำเลียงไปยังปอดในรูปของ HCO₃^- ที่ปอดจะเกิดปฏิกิริยาไปทางซ้าย เพราะความดันของ CO₂ ในเลือดสูงกว่าถุงลมในปอด CO₂ จึงแพร่ออกจากเลือดเข้า ถุงลมของปอด ทำให้มี CO₂ อิสระในปอดมากขึ้น และจะผ่านออกจากร่างกายทางลมหายใจ
                ทุกไอออน HCO₃^- ที่แพร่ออกจากเม็ดเลือดแดงจะมีโมเลกุลของ CI^- ในพลาสมาเลือดเข้าไปแทนที่ในเม็ดเลือดแดง 1 ไอออนเสมอ ดังนั้นจึงเกิดการแลกเปลี่ยนไอออนขึ้นเรียกว่า คลอไรด์ชิพต์ (chloride shift) ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการรักษาความเป็นกลางของประจุไฟฟ้าของเม็ดเลือดแดงในปอด กระบวนการเช่นนี้จะเกิดขึ้นที่เนื้อเยื่อของร่างกาย ในทางกลับกัน คือ CI^- จะออกจากเม็ดเลือดแดง และ HCO₃^- จะเข้าไปในเม็ดเลือดแดงแทนที่กัน CO₂ เมื่อรวมกับน้ำในพลาสมาของเลือด จึงน่าจะทำให้เลือดมีสภาพเป็นกรด แต่ความเป็นจริงแล้วเลือดไม่ได้มีสภาพเป็นกรด ทั้งนี้เพราะเลือดมีสารต่างๆ เช่น ไอออนอินทรีย์ต่างๆ โปรตีนในเลือด รวมทั้งฮีโมโกลบินทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์ (buffer) ซึ่งเมื่อรวมกับ H⁺ ทันทีที่เกิด H⁺ จึงทำให้เกิดสารประกอบเป็นกลางขึ้น ค่าของ pH ในเลือดจะไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก และที่บริเวณปอดจะเกิดปฏิกิริยาตรงข้าม H⁺ จะถูกปล่อยออกมาจากบัฟเฟอร์ พร้อมกับน้ำ และ CO₂ จะกลับเป็นอิสระใหม่การที่ฮีโมโกลบินมีฤทธิ์เป็นกรด ในขณะที่เลือดผ่านเนื้อเยื่อ มีส่วนช่วยทำให้เลือดปล่อย O₂ ให้เนื้อเยื่อได้ง่ายขึ้น(สภาพความเป็นกรดจะลดความสามารถของฮีโมโกลบิน ในการจับกับ O₂ )
                มนุษย์ที่อาศัยอยู่บนภูเขาสูง ๆ ซึ่งมีความกดดันของอากาศต่ำ จะมี O₂ อยู่น้อยมนุษย์พวกนี้จะมีการปรับตัวโดยมีการสร้างเม็ดเลือดแดงมากกว่าปกติ นักไต่เขาสูง ๆ จะต้องมี O₂ ติดตัวไปด้วย มิฉะนั้นจะเกิดอาการขาด O₂ ได้ ดังนั้นปริมาณ O₂ ในอากาศและในน้ำจึงเป็นปัจจัยจำเป็นต่อการดำรงชีวิตของทั้งพืช และสัตว์
                จะเห็นได้ว่าการหายใจประกอบไปด้วยขั้นต่างๆ ดังนี้
                1. การหายใจเข้าและหายใจออก (breathing)
                2. การหายใจภายนอก ซึ่งเป็นการแลกเปลี่ยนแก็ส O₂ และ CO₂ ระหว่างอากาศที่ถุงลมกับเลือด (external respiration)
                3. การหายใจภายใน ซึ่งเป็นการแลกเปลี่ยน O₂ และ CO₂ ระหว่างเลือดกับของเหลวในเนื้อเยื่อ (internal respiration)
                4. การหายใจระดับเซลล์ (cellular respiration) เพื่อผลิต ATP ขึ้นในเซลล์
                ขั้นตอนของการหายใจแสดงไว้ดังรูป 4.8

8. อาการต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการหายใจ

                อาการที่เกี่ยวข้องกับการหายใจ ได้แก่

                8.1 การไอ (coughing)

                เป็นการขับลมออกจากปอดอย่างรวดเร็ว ตามปกติมักเกิดขึ้น เมื่อมีวัตถุแปลกปลอมเข้าไปอยู่ในหลอดลม จึงเกิดการไอเพื่อขับวัตถุแปลกปลอมนั้นออก แม้แต่การมีก้อนเสมหะ ซึ่งเป็นเยื่อเมือกที่หลุดออกมาจากหลอดลมมากๆ ก็จะเกิดการไอขึ้นได้จากการรับประทานอาหารแล้ว เกิดมีเศษอาหารตกลงไปในหลอดลม ก็จะเกิดการไอเพื่อป้องกันไม่ให้อาหารลงสู่ปอดได้ กลไกการไอมีดังนี้ ตอนแรกจะหายใจเข้าลึกและยาว ทำให้อากาศเข้าเต็มปอด ต่อมากลอตทิสจะปิดและหายใจออกอย่างแรง จึงดันให้กลอสทิสเปิดเป็นพักๆ สิ่งแปลกปลอมจะถูกดันเข้าสู่คอหอยและช่องปาก

                8.2 การสะอึก (hiccough)

                เกิดขึ้นเนื่องจากกะบังลมหดตัวกระตุกทำให้มีการหายใจเข้าทันที และกลอตทิสก็ปิดทันทีด้วย ลมจึงดันเข้าไปทำให้เกิดเสียงขึ้น การสะอึกมักเนื่องมาจากการเกิดระคายเคืองที่กระเพาะอาหาร

ภาพที่ 8 แผนภาพการหายใจที่เกิดขึ้น 4 ขั้น ( ที่มา : Mader . 1988 : 151 )

                8.3 การจาม (sneezing)

                เป็นการขับลมออกมาผ่านทางจมูกและปากอย่างรวดเร็ว ดังนั้นจึงเกิดการหายใจเข้าลึก ๆ ต่อมาจะเกิดการหายใจออกทันทีโดยเร็ว ทั้งนี้เนื่องจากมีสิ่งแปลกปลอมผ่านเข้าสู่โพรงจมูก หรือหลอดลม ดังนั้นการจามจึงช่วยขับน้ำมูกและสิ่งแปลกปลอมออกจากร่างกายได้ (สุวรรณา หังสพฤกษ์ และ คณะ . 2534:373)
                การไอหรือการจามอาจเกิดขึ้นในเวลาที่เราเป็นไข้หวัดได้

                8.4 การสะอื้น (sobbing)

                เกิดในเวลาที่หายใจเข้า ขณะที่กลอตทิสปิด ดังนั้นลมจึงไม่เข้าปอด

                8.5 การหาว (yawning)

                เกิดจากการที่มี CO₂ ในเลือดมากผิดปกติ ไปกระตุ้นศูนย์ควบคุมการหายใจทำให้มีการหายใจเข้ายาว และลึกเกิดขึ้น เพื่อให้สูด O₂ เข้าปอดได้เต็มที่

9. การช่วยคืนชีพ (resuscitation)

                เป็นการช่วยให้คนที่ไม่หายใจและหัวใจไม่ทำงานให้กลับหายใจ และหัวใจทำงานได้อีก อุบัติเหตุ เช่น จมน้ำ ไฟฟ้าดูด ตกจากที่สูง การแพ้ยา โรคหัวใจหรือหลังการผ่าตัดคนไข้หรือผู้ได้รับอุบัติเหตุ และหยุดหายใจ และหัวใจหยุดเต้น ดังนั้นจึงต้องทำการช่วยให้หายใจได้ต่อไปอีก และหัวใจกลับมาเต้น และทำงานได้ต่อไป
                การช่วยคืนชีพนั้นจะรวมถึงการผายปอดและการนวดหัวใจร่วมกัน เพื่อให้ปอดและหัวใจกลับมาทำหน้าที่ได้ดังเดิม

                9.1. การผายปอด (artificial respiration)

                มีหลักการที่ต้องปฏิบัติดังนี้
                        9.1.1 ปลดเปลื้องเสื้อผ้าเข็มขัดของผู้ป่วยให้หลวม เพื่อจะได้หายใจสะดวกตรวจดูปากว่ามีฟันปลอมหรือไม่ ถ้ามีต้องถอดออก และดูลิ้นอย่าให้ตกลงไปในคอ
                        9.1.2 เลือกวิธีผายปอดที่ถูกวิธี เช่น คนจมน้ำ จะต้องให้นอนคว่ำ แล้วยกกลางตัวขึ้น เพื่อให้น้ำไหลออกทางปากได้สะดวก
                        9.1.3 ทำการผายปอดให้ถูกต้องตามจังหวะ ประมาณ 15 – 18 ครั้งต่อนาทีหากทำเร็วๆ จะทำให้คนไข้หายใจได้เพียงตื้น ๆ เท่านั้น จึงต้องทำช้า ๆ เพื่อให้หายใจได้อีก
                        9.1.4 ผู้ทำการผายปอดต้องใช้กำลังน้ำหนักตัวทั้งหมด มิใช่ใช้กำลังแขนด้วยเหตุนี้ผู้ทำการผายปอดจึงต้องเหยียดแขนตรงแล้วทุ่มน้ำหนักตัวลงไป
                        9.1.5 ต้องผายปอด จนคนไข้หายใจได้เอง วิธีการผายปอด มีอยู่ด้วยกันหลายวิธี แต่จะกล่าวถึงเพียง 2 วิธี
                                ก. วิธีของนีลเซน (Niesen’s method) ให้คนไข้นอนคว่ำ ฝ่ามือทั้งสองคว่ำไว้ใต้ศีรษะ ผู้ทำการผายปอดอยู่ด้านหน้าของศีรษะคนไข้ และจับแขนบริเวณใกล้ข้อศอกของคนไข้ดึงรั้งมาข้างหน้า โดยผู้ทำการผายปอดโยกตัวเอง ทำให้อกคนไข้ขยายเป็นการหายใจเข้า ต่อมาปล่อยแขนคนไข้แล้วเอามือกดใต้บริเวณไหล่ เป็นการหายใจออก วิธีนี้จะมีอากาศ เข้าสู่ปอดประมาณ 590 ลูกบาศก์เซนติเมตร
                                ข. วิธีเมาท์ทูเมาท์ (mouth to mouth method ) มีขั้นการผายปอด 5 ขั้น ดังรูปที่ 4.9
                                ขั้นที่ 1 ผู้ที่ทำการผายปอดอยู่ด้านข้างของคนไข้บริเวณศีรษะ ใช้มือขวาจับบริเวณด้านบนของศีรษะ ส่วนมือซ้ายจับใต้คางของคนไข้ จับศีรษะของคนไข้ยกขึ้นพร้อมกับหงายศีรษะขึ้น
                                ขั้นที่ 2 ใช้หัวแม่มือซ้ายง้างขากรรไกรของคนไข้ให้อ้าปากและเงยขึ้น
                                ขั้นที่ 3 ใช้นิ้วมือขวาปีบจมูกคนไข้ไว้เพื่อป้องกันไม่ให้อากาศออกทางจมูก
                                ขั้นที่ 4 เอาปากของผู้ผายปอดปะกบกับปากของคนไข้ เป่าลมเข้าปากคนไข้ให้เต็มที่ เพื่อให้อากาศเข้าสู่ปอด
                                ขั้นที่ 5 เมื่ออากาศเข้าปอดคนไข้ จะเห็นว่าอกคนไข้ขยายจึงเอาปากออกได้
                                ทำซ้ำเช่นนี้ประมาณ 3 – 4 วินาที หรือจนกระทั่งคนไข้หายใจได้เอง ในกรณีที่เป่าลมเข้าปากไม่ได้ให้ใช้วิธีเป่าลมเข้าจมูกแทน ในเด็กสามารถเป่าลมเข้าได้ทั้งปากและจมูก

ภาพที่ 9 การผายปอดตามวิธีของนีลเซน 

 ภาพที่ 10 การผายปอดแบบเมาท์ทูเมาท์

                9.2. การนวดหัวใจ (cardiac massage)

                เป็นการช่วยให้ปอดและหัวใจทำงาน หลังจากหยุดทำงานไปแล้ว มักทำกับ คนไข้ที่ถูกไฟฟ้าดูด จมน้ำ คนไข้โรคหัวใจ ดังนั้นจึงต้องใช้การผายปอดร่วมกับการนวด หัวใจ ซึ่งทำได้ดังนี้
                ให้คนไข้นอนหงายราบบนที่นอนแข็ง ผู้ทำการนวดอาจยืนหรือนั่งคุกเข่าให้ทำมุมฉากกับคนไข้ ใช้ฝ่ามือข้างหนึ่งวางบนกระดูกอกและใช้ฝ่ามือหนึ่งทับบนหลังมือของมือ ข้างล่าง ดังรูป 4.11 ก.
                กดฝ่ามือทั้งสองข้างขนกระดูกอกให้ได้นาทีละ 60 ครั้ง แต่ละครั้งที่กดต้องเว้นระยะเพื่อให้อกขยายตัวสลับกับหดตัว การกดฝ่ามือต้องใช้น้ำหนักตัวทั้งตัวกด แรงกดของฝ่ามือจะเป็นการนวดเพื่อกระตุ้นหัวใจ และปอดให้ทำงาน การนวดหัวใจ และปอดในเด็กเล็กไม่เกิน 10 ขวบใช้นวดมือข้างเดียว ดังรูป 4.11 ข.
                รูปที่ 11 ค. เป็นภาพตัดตามขวางของอก แสดงแรงกดของฝ่ามือ ทำให้อกยุบตัวลง เพื่อกดและกระตุ้นหัวใจและปอดให้ทำงาน

ภาพที่ 11 การนวดหัวใจ และปอด ก. การนวดหัวใจ และปอดในผู้ใหญ่ ข. การนวดหัวใจ และปอดในเด็กอายุต่ำกว่า 10 ปี ค. ภาพตัดตามขวางของอกแสดงแรงกดของฝ่ามือทำให้ทรวงอกยุบตัวลง ลูกศรแสดงแรงกดบนกระดูกอก เส้นจุดแสดงทรวงอกตอนขยายตัว ( ที่มา : Anderson and others . 1988 : 1451)

10. บทสรุป

                การแลกเปลี่ยนแก๊สในสัตว์ เป็นกระบวนการแลกเปลี่ยนแก๊สหายใจโดยมีการนำแก๊สออกซิเจนจากภายนอกเข้าสู่ร่างกาย และกำจัดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ที่เกิดจากการหายใจระดับเซลล์ออกสู่ภายนอก
                โครงสร้างของอวัยวะการหายใจของสัตว์
                1. สัตว์น้ำ การแลกเปลี่ยนแก๊สเกิดที่เยื่อหุ้มเซลล์หรือผนังลำตัว ออกซิเจนจากน้ำจะแพร่เข้าสู่เซลล์ และปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ออกสู่น้ำ
                2. สัตว์บก โครงสร้างอวัยวะแลกเปลี่ยนแก๊สเป็นท่อลมในสัตว์พวกแมลง และเป็นปอดในสัตว์พวกปลา และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม
                ปอดของมนุษย์ ปอดเป็นอวัยวะแลกเปลี่ยนแก๊สระหว่างสิ่งแวดล้อมภายนอกกับเลือด
                การหายใจถูกควบคุมโดยศูนย์หายใจในสมองส่วนเมดัลลาออบลองกาตา เป็นส่วนท้ายของสมองใกล้รอยต่อของกระโหลกศีรษะกับคอ
                การลำเลียงแก๊ส เป็นการลำเลียงแก๊สที่ใช้ในการหายใจจะต้องอาศัยตัวกลางที่เป็นของเหลว ไอออนอินทรีย์ เม็ดเลือดแดงซึ่งมีฮีโมโกลบิน เป็นองค์ประกอบที่สำคัญ
                การหายใจประกอบไปด้วยขั้นต่าง ๆ ดังนี้
                1. การหายใจเข้าและหายใจออก
                2. การหายใจภายนอก ซึ่งเป็นการแลกเปลี่ยนแก๊ส O₂ และ CO₂ ระหว่างอากาศที่ถุงลมกับเลือด
                3. การหายใจภายใน ซึ่งเป็นการแลกเปลี่ยน O₂ และ CO₂ ระหว่างเลือดกับของเหลวในเนื้อเยื่อ
                4. การหายใจระดับเซลล์ เพื่อผลิต ATP ขึ้นในเซลล์
                อาการต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการหายใจ ได้แก่
                1. การไอ เป็นการขับลมออกจากปอดอย่างรวดเร็ว เมื่อมีสิ่งแปลกปลอมเข้าไปอยู่ในหลอดลม
                2. การสะอึก เกิดจากกะบังลมหดตัว กระตุก ทำให้มีการหายใจเข้าทันทีการสะอึกเกิดจากการระคายเคืองที่กระเพาะอาหาร
                3. การจาม เป็นการขับลมออกมาผ่านทางจมูก และปากอย่างรวดเร็ว
                4. การสะอื้น เกิดในเวลาที่หายใจเข้าขณะที่กลอตทิสปิด ดังนั้นลมจึงไม่เข้าปอด
                5. การหาว เกิดจากการที่มี CO₂ ในเลือดมากผิดปกติ ทำให้มีการหายใจเข้ายาวและลึก เพื่อให้สูด O₂ เข้าปอดได้เต็มที่
                การช่วยคืนชีพ เป็นการช่วยให้คนที่ไม่หายใจ และหัวใจไม่ทำงานให้กลับหายใจและหัวใจทำงานได้อีก การช่วยคืนชีพจะรวมถึงการผายปอด และการนวดหัวใจร่วมกันเพื่อให้ปอดและหัวใจกลับมาทำหน้าที่ได้ดังเดิม

ศึกษาเพิ่มเติม 

Gas Exchange in Animals

www2.sluh.org/bioweb/.../ol_gas_exchange_in_animals.ht...

แปลหน้านี้

cellular respiration is the burning of fuel within cells to produce usable energy; gas exchange is the ventilation of gases to and from the body cells of an animal ...

Mechanisms for Gas Exchange - CliffsNotes

www.cliffsnotes.com › Sciences › Biology

แปลหน้านี้

In animals, gas exchange follows the same general pattern as in plants. Oxygen and carbon dioxide move by diffusion across moist membranes. In simple ...

Gas exchange - Wikipedia, the free encyclopedia

en.wikipedia.org/wiki/Gas_exchange

แปลหน้านี้

Gas exchange is a biological process through which different gases are ... is linked with respiration in animals, and both respiration and photosynthesis in plants.

[PPT]GAS EXCHANGE in “Animals”

www2.sunysuffolk.edu/anastaj/.../Respiration.ppt

แปลหน้านี้

GAS EXCHANGE in “Animals”. Cells require O2 for aerobic respiration and expel CO2 as a waste product. Fick's Law of Diffusion. Gas exchange involves the ...

Gas Exchange - Biology Reference

www.biologyreference.com › Fo-Gr

แปลหน้านี้

Gas exchange is the process by which oxygen and carbon dioxide (the respiratory gases) ... Larger animals require an extended surface for gas exchange.

Gas exchange in animals by madeleine - SlideShare

www.slideshare.net/.../gas-exchange-in-animals-by-madelei...

แปลหน้านี้

23 เม.ย. 2556 - GAS EXCHANGEIN ANIMALSWe will be studying the diversity of adaptationsfor this process in four animal groups:MammalsFish Birds Insects.

Skin and Gills and Tracheal Systems - Boundless

www.boundless.com › ... › Systems of Gas Exchange

แปลหน้านี้

Some animals, such as amphibians and earthworms, can use their skin (integument) toexchange gases between the external environment and the circulatory ...

[PPT]Gas Exchange in Animals

www.biol.wwu.edu/lapsansk/206/AnimalGasXC.ppt

แปลหน้านี้

Gas Exchange in Animals (2/23/09). Describe the requirements for a respiratory surface, using examples. Describe countercurrent exchange of e.g. gases.