Tại sao con người không thể trao đổi khí ở dưới nước

Phổi không có khả năng tự phồng lên, và sẽ chỉ nở ra khi có sự gia tăng thể tích của khoang ngực.[6][7] Ở người, cũng như ở các loài động vật có vú khác, điều này đạt được chủ yếu thông qua sự co cơ của cơ hoành, nhưng cũng nhờ sự co lại của các cơ liên sườn kéo khung xương sườn lên trên và ra ngoài như thể hiện trong sơ đồ bên trái.[8] Trong quá trình hít vào mạnh mẽ (Hình bên phải), các cơ phụ của hít vào, kết nối xương sườn và xương ức với đốt sống cổ và đáy hộp sọ, trong nhiều trường hợp, thông qua một cơ cấu trung gian gắn vào xương đòn, phóng đại các chuyển động của tay cầm bơm và tay cầm xô (xem hình minh họa bên trái), mang lại sự thay đổi lớn hơn về thể tích khoang ngực.[8] Trong quá trình thở ra (thở ra), khi nghỉ ngơi, tất cả các cơ hít vào thư giãn, đưa ngực và bụng trở lại vị trí được gọi là "vị trí nghỉ", được xác định bởi độ đàn hồi giải phẫu của chúng.[8] Tại thời điểm này, phổi chứa dung tích chức năng còn lại của không khí, mà ở người trưởng thành, có thể tích khoảng 2,5–3,0 lít.[8]

Trong quá trình thở mạnh (hyperpnea), chẳng hạn như trong khi tập thể dục, việc thở ra được thực hiện bằng cách thư giãn tất cả các cơ hít vào, (giống như khi nghỉ ngơi), nhưng ngoài ra, cơ bụng, thay vì thụ động., lúc này co bóp mạnh khiến khung xương sườn bị kéo xuống dưới (phía trước và hai bên).[8] Điều này không chỉ làm giảm kích thước của khung xương sườn mà còn đẩy các cơ quan trong ổ bụng lên trên so với cơ hoành, do đó sẽ phình sâu vào lồng ngực. Thể tích phổi lúc cuối thở ra bây giờ ít không khí hơn so với "dung tích còn lại chức năng" lúc nghỉ.[8] Tuy nhiên, ở động vật có vú bình thường, phổi không thể được làm trống hoàn toàn. Ở một người trưởng thành, luôn có ít nhất một lít không khí còn sót lại trong phổi sau khi thở ra tối đa.[8]

Thở bằng cơ hoành làm cho bụng phình ra một cách nhịp nhàng và hóp lại. Do đó, nó thường được gọi là "thở bụng". Các thuật ngữ này thường được sử dụng thay thế cho nhau vì chúng mô tả cùng một hành động.

Khi các cơ phụ của quá trình hít vào được kích hoạt, đặc biệt là trong quá trình thở gắng sức, các xương đòn được kéo lên trên, như đã giải thích ở trên. Biểu hiện bên ngoài của việc sử dụng các cơ hít vào đôi khi được gọi là thở xương đòn, đặc biệt xuất hiện khi lên cơn hen suyễn và ở những người bị bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính.

Đường hô hấp trênSửa đổi

Thông thường, không khí được hít vào và thở ra qua mũi. Các hốc mũi (giữa lỗ mũi và hầu) khá hẹp, thứ nhất là do vách ngăn mũi bị chia đôi, và thứ hai là các vách bên có một số nếp gấp dọc, hoặc các ngăn, được gọi là lỗ mũi,[9] do đó làm lộ ra diện tích lớn của màng nhầy mũi với không khí khi hít vào (và thở ra). Điều này làm cho không khí hít vào lấy hơi ẩm từ chất nhầy ướt và hơi ấm từ các mạch máu bên dưới, do đó không khí gần như bão hòa với hơi nước và gần bằng nhiệt độ cơ thể vào thời điểm nó tới thanh quản.[8] Một phần hơi ẩm và nhiệt này được thu lại khi không khí thở ra di chuyển ra ngoài qua một phần chất nhầy đã được làm mát và khô trong đường mũi, trong quá trình thở ra. Chất nhầy dính cũng giữ lại nhiều hạt vật chất được hít vào, ngăn không cho nó đến phổi.[8][9]

Đường hô hấp dướiSửa đổi

Giải phẫu của hệ thống hô hấp điển hình của động vật có vú, bên dưới các cấu trúc thường được liệt kê trong số "đường hô hấp trên" (hốc mũi, hầu họng và thanh quản), thường được mô tả như một cây hô hấp hoặc cây khí quản (hình bên trái). Đường dẫn khí lớn hơn làm phát sinh các nhánh hơi hẹp hơn, nhưng nhiều hơn so với đường dẫn khí "thân" làm phát sinh các nhánh. Cây hô hấp của con người trung bình có thể bao gồm 23 nhánh như vậy thành các đường dẫn khí nhỏ dần, trong khi cây hô hấp của chuột có tới 13 nhánh như vậy. Các bộ phận gần (những bộ phận gần nhất với ngọn cây, chẳng hạn như khí quản và phế quản) có chức năng chủ yếu là truyền không khí đến các đường hô hấp dưới. Các bộ phận sau này như tiểu phế quản hô hấp, các ống phế nang và phế nang chuyên để trao đổi khí.[8][10]

Khí quản và các phần đầu tiên của phế quản chính nằm ngoài phổi. Phần còn lại của các nhánh "cây" trong phổi, và cuối cùng kéo dài đến mọi phần của phổi.

Các phế nang là các thiết bị đầu cuối mù của "cây", có nghĩa là bất kỳ không khí nào đi vào chúng đều phải thoát ra theo cùng một con đường mà nó đã sử dụng để vào phế nang. Một hệ thống như vậy tạo ra không gian chết, một thể tích không khí lấp đầy đường thở (không gian chết) vào cuối quá trình hít vào, và được thở ra, không thay đổi, trong lần thở ra tiếp theo, chưa bao giờ đến phế nang. Tương tự, không gian chết được lấp đầy bởi không khí phế nang vào cuối quá trình thở ra, và là không khí đầu tiên được thở trở lại phế nang, trước khi bất kỳ không khí trong lành nào đến phế nang trong quá trình hít vào. Thể tích không gian chết của một người trưởng thành điển hình là khoảng 150 ml.

Mục đích cơ bản của việc thở là làm mới không khí trong phế nang để quá trình trao đổi khí diễn ra trong máu. Sự cân bằng áp suất riêng phần của khí trong máu phế nang và không khí phế nang xảy ra bằng cách khuếch tán. Sau khi thở ra, phổi của người trưởng thành vẫn chứa 2,5–3 L không khí, dung tích còn lại chức năng của họ hoặc FRC. Khi hít phải, chỉ có khoảng 350 mL không khí mới, ấm, ẩm được đưa vào và được trộn đều với FRC. Do đó, thành phần khí của FRC thay đổi rất ít trong chu kỳ thở. Điều này có nghĩa là máu ở phổi, mao mạch luôn cân bằng với thành phần không khí tương đối ổn định trong phổi và tốc độ khuếch tán với khí trong máu động mạch không đổi theo mỗi nhịp thở. Do đó, các mô cơ thể không tiếp xúc với sự thay đổi lớn về căng thẳng oxy và carbon dioxide trong máu do chu kỳ thở gây ra, và các cơ quan nhận cảm hóa học ngoại vi và trung tâm chỉ đo lường sự thay đổi dần dần của các khí hòa tan. Vì vậy, việc kiểm soát nội môi của nhịp thở chỉ phụ thuộc vào áp suất riêng phần của oxy và carbon dioxide trong máu động mạch, sau đó cũng duy trì độ pH không đổi của máu.[8]

Tốc độ và độ sâu của nhịp thở được kiểm soát tự động bởi các trung tâm hô hấp nhận thông tin từ các cơ quan thụ cảm hóa học ngoại vi và trung ương. Các cơ quan thụ cảm hóa học này liên tục theo dõi áp suất riêng phần của carbon dioxide và oxy trong máu động mạch. Trước hết, các cảm biến là cơ quan thụ cảm hóa học trung tâm trên bề mặt của ống tủy sống của thân não, đặc biệt nhạy cảm với độ pH cũng như áp suất riêng phần của carbon dioxide trong máu và dịch não tủy.[8] Nhóm cảm biến thứ hai đo áp suất riêng phần của oxy trong máu động mạch. Cùng nhau, chất thứ hai được gọi là thụ thể hóa học ngoại vi nằm trong cơ thể động mạch chủ và động mạch cảnh.[8] Thông tin từ tất cả các cơ quan thụ cảm hóa học này được truyền tải đến các trung tâm hô hấp ở pons và tủy sống, phản ứng với sự sai lệch áp suất riêng phần của carbon dioxide và oxy trong máu động mạch so với bình thường bằng cách điều chỉnh tốc độ và độ sâu của nhịp thở, sao cho cách để khôi phục áp suất riêng phần của carbon dioxide trở lại 5,3 kPa (40 mm Hg), độ pH đến 7,4 và ở mức độ thấp hơn, áp suất riêng phần của oxy đến 13 kPa (100 mm Hg).[8] Ví dụ, tập thể dục làm tăng sản xuất carbon dioxide bởi các cơ đang hoạt động. Carbon dioxide này khuếch tán vào máu tĩnh mạch và cuối cùng làm tăng áp suất riêng phần của carbon dioxide trong máu động mạch. Điều này được cảm nhận ngay lập tức bởi các cơ quan nhận cảm carbon dioxide trên thân não. Các trung tâm hô hấp phản ứng với thông tin này bằng cách làm cho tốc độ và độ sâu của nhịp thở tăng lên đến mức áp suất riêng phần của carbon dioxide và oxy trong máu động mạch gần như ngay lập tức trở lại mức như lúc nghỉ ngơi. Các trung tâm hô hấp liên lạc với các cơ thở thông qua các dây thần kinh vận động, trong đó dây thần kinh phrenic, bên trong cơ hoành, có lẽ là quan trọng nhất.[8]

Thở tự động có thể được ghi đè ở một mức độ hạn chế bằng cách lựa chọn đơn giản, hoặc để hỗ trợ bơi lội, nói, hát hoặc luyện giọng khác. Không thể kìm nén muốn thở đến mức thiếu oxy nhưng luyện tập có thể tăng khả năng nín thở.

Các phản xạ kiểm soát hơi thở tự động khác cũng tồn tại. Việc ngâm mình, đặc biệt là mặt, trong nước lạnh, kích hoạt phản ứng gọi là phản xạ lặn.[11][12] Điều này đầu tiên là kết quả của việc tắt các đường thở chống lại dòng nước. Tốc độ trao đổi chất chậm lại ngay. Điều này cùng với sự co mạch dữ dội của các động mạch đến các chi và nội tạng vùng bụng. Điều này dự trữ oxy có trong máu và phổi khi bắt đầu lặn gần như chỉ dành cho tim và não.[11] Phản xạ lặn là một phản ứng thường được sử dụng ở những động vật thường xuyên phải lặn, chẳng hạn như chim cánh cụt, hải cẩu và cá voi.[13][14] Nó cũng hiệu quả hơn ở trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ hơn là ở người lớn.[15]

Bề mặt trao đổi khí là nơi thực hiện quá trình trao đổi khí (nhận O2 và giải phóng CO2) giữa cơ thể với môi trường

Các bề mặt trao đổi khí ở động vật gồm có: bề mặt cơ thể, hệ thống ống khí, mang, phổi.

Bề mặt trao đổi khí của cơ quan hô hấp của động vật phải cần đáp ứng được các yêu cầu sau đây

• Bề mặt trao đổi khí rộng, diện tích lớn
• Mỏng và ẩm ướt giúp khí khuếch tán qua dễ dàng
• Có nhiều mao mạch và máu có sắc tố hô hấp
• Có sự lưu thông khí tạo ra sự chênh lệch nồng độ để các khí khuếch tán dễ dàng

Bộ trao đổi khí ở động vật có vú được hình thành ra phổi, giống như trong hầu hết các động vật trên đất liền lớn hơn. Trao đổi khí xảy ra trong các túi chứa khí gọi là phế nang, nơi có màng rất mỏng (gọi là hàng rào máu-không khí) tách máu trong các mao mạch phế nang (trong các bức tường của phế nang) từ không khí phế nang trong túi.