ระบบการหายใจ 

การหายใจ คือขบวนการนำออกซิเจนเข้าไปในปอด ซึมเข้าไปทั่วร่างกาย พร้อมทั้งการนำคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นขับออกจากร่างกายทางปอด 

การหายใจอาจแบ่งได้เป็น ๒ ตอน คือ 

      ๑. การหายใจภายนอก (external respiration) เป็นการแลกเปลี่ยนระหว่างออกซิเจนของอากาศหายใจเข้าในปอดกับคาร์บอนไดออกไซด์ในหลอดเลือดฝอยของปอด 

      ๒. การหายใจภายใน (internal respiration) เป็นการ แลกเปลี่ยนก๊าซระหว่างเซลล์ และสารน้ำที่อยู่รอบๆ เซลล์ ซึ่งรวมถึงการใช้ออกซิเจนของเซลล์ด้วย รวมเรียกว่า การหายใจของเซลล์ (cell respiration) ซึ่งจะไม่กล่าวในที่นี้ เพื่อความสะดวกในการศึกษาอาจแบ่งออกเป็น ๓ หัวข้อ คือ

      ๑) การระบายอากาศหายใจ (pulmonary ventillation) ได้แก่ วิธีการที่อากาศผ่านเข้าออกระหว่างอากาศภายนอกและถุงลม ซึ่งจะได้กล่าวละเอียดต่อไป 

      ๒) การซึมผ่าน และการขนส่ง (diffusion and transportation) ของออกซิเจน และคาร์บอนไดออกไซด์ในปอดและใน เลือด 

      ๓) การปรับระดับการหายใจ (regulation of repiration) รวมทั้งกลไกที่ทำให้หายใจ

กายวิภาคศาสตร์ของทางเดินอากาศหายใจที่มีความสำคัญในทางสรีรวิทยา 

ทางเดินอากาศหายใจ แบ่งได้เป็น ๒ ส่วน คือ 

      ก. ทางผ่านอากาศ ตั้งแต่จมูก ปาก กล่องเสียงไปถึง หลอดลมฝอยส่วนปลายสุด (terminal bronchiole) ทางเดินส่วนนี้ทำ หน้าที่เป็นทางผ่านของอากาศ และช่วยทำให้อากาศอุ่นและชื้นขึ้น ด้วย แต่ไม่มีการแลกเปลี่ยนก๊าซเลย 

      ข. หน่วยการหายใจ (respiratory unit) ได้แก่ส่วนของ ทางเดินอากาศหายใจ ตั้งแต่หลอดลมฝอยส่วนหายใจ (respiratory bronchiole) ลงมาจนถึงถุงลม ส่วนนี้ทำหน้าที่แลกเปลี่ยนก๊าซ ถุงลม (alveolus) มีจำนวนเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ในผู้ใหญ่จะมี ประมาณข้างละ ๓๐๐ ล้านถุง ถุงลมมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย ประมาณ ๐.๒๕ มิลลิเมตร คิดเป็นพื้นที่ผิวหน้าประมาณ ๖๐-๘๐ ตารางเมตร ระหว่างผนังของถุงลมมีหลอดเลือดฝอย กระจายอยู่ในลักษณะตาข่าย ฉะนั้นเลือดกับอากาศในถุงลม จะถูกกั้นโดยเยื่อบางๆ ของถุงลมและของหลอดเลือดฝอยเท่านั้น โดยปกติแผ่นเยื่อมีความหนาเพียง ๐.๑๕-๐.๔ ไมครอน ซึ่งทำให้การแลกเปลี่ยนก๊าซดำเนินไปได้ดี

การระบายอากาศหายใจ 

      การระบายอากาศหายใจ เป็นขบวนการที่มีการหายใจ เข้าสลับกับการหายใจออก ทั้งนี้ เพื่อจะรักษาความดันของออกซิเจน และคาร์บอนไดออกไซด์ในถุงลมและในเลือดให้เหมาะสม คนปกติ อัตราหายใจ (respiratory rate) ในขณะพักประมาณ ๑๒-๑๖ ครั้ง/นาที ปริมาตรอากาศหายใจเข้าหรือออกต่อครั้ง (tidal volume) มีค่าประมาณ ๕๐๐ ลูกบาศก์เซนติเมตร  ในคนปกติอากาศถุงลมจะให้ออกซิเจนแก่เลือด ๒๕๐ ลูกบาศก์เซนติเมตร/นาที และจะต้องรับเอาคาร์บอนไดออกไซด์จากเลือดไปในอัตรา ๒๐๐ ลูกบาศก์เซนติเมตร/นาที ในภาวะที่ร่างกายทำงานมากขึ้น เช่น การออกกำลังกาย ร่างกาย จะต้องการออกซิเจนเพิ่มมากขึ้น และคาร์บอนไดออกไซด์จะเกิดมากขึ้นด้วย ร่างกายจึงต้องเพิ่มการหายใจ เพื่อให้ได้ออกซิเจนมากขึ้นและกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ออกมากขึ้น ทั้งนี้เพื่อรักษา ระดับความดันออกซิเจนและความดันคาร์บอนไดออกไซด์ในเลือด แดงให้คงที่อยู่เสมอ คือ ๑๐๐ มิลลิเมตรปรอทและ ๔๐ มิลลิเมตร ปรอท ตามลำดับ

      การระบายอากาศเข้าออกต่อนาทีเรียกว่า ปริมาตรหายใจ ต่อนาที (minute respiratory volume) มีหน่วยเป็นลิตร = ปริมาตร หายใจเข้าหรือออกต่อครั้ง x อัตราหายใจ = ๕๐๐ x ๑๒ = ๖ ลิตร/นาที  การระบายอากาศมากที่สุดเท่าที่จะทำได้เรียกว่า ความจุ การหายใจสูงสุด (maximum breathing capacity) มีค่าประมาณ ๑๒๕-๑๗๐ ลิตร /นาที แต่เป็นในเวลาช่วงสั้นเท่านั้น คือ ๑๕ วินาที ถ้าระยะยาวออกไปอาจลดลงได้เพียง ๑๐๐-๑๒๐ ลิตร/นาที จะ เห็นได้ว่าการหายใจมีกำลังสำรองมากอาจเพิ่มได้ถึง ๒๕ เท่าใน ระยะสั้น หรือ ๒๐ เท่าในระยะยาว 

ส่วนประกอบของอากาศหายใจ 

      อากาศหายใจเข้า (inspired air) หรืออากาศในห้องมีส่วน ประกอบที่สำคัญคือ ออกซิเจน ไนโตรเจน และคาร์บอนไดออกไซด์ (เล็กน้อย) อากาศหายใจเข้าจะมีส่วนประกอบคงที่เสมอ แม้ว่าจะอยู่ที่ระดับน้ำทะเลหรืออยู่ระดับสูง 

      อากาศหายใจออก (expired air) มีส่วนประกอบเปลี่ยนแปลง ไปได้แล้วแต่ความลึกและความถี่ของการหายใจ และแม้การหายใจ แต่ละครั้งก็แตกต่างกันได้ 

      อากาศถุงลม (alveolar air) มีส่วนประกอบค่อนข้างคงที่ โดยอาศัยกลไกการควบคุมการหายใจ

กลศาสตร์ของการหายใจ 

กลศาสตร์ของการหายใจเกี่ยวข้องอยู่กับแรง ความต้านทาน และงานของการหายใจ การหายใจอาศัยกลไกโดยย่อดังนี้

      การหายใจเข้า เป็นขบวนการแอ็กทีฟ (active) การหายใจ เข้าธรรมดา (quiet respiration) ใช้การทำงานของกล้ามเนื้อของ กะบังลมเป็นส่วนใหญ่ เมื่อหายใจเข้า กะบังลมจะเคลื่อน ประมาณ ๑.๒ เซนติเมตร (พื้นที่กะบังลมประมาณ ๒๗๐ ตารางเซน- ติเมตร ฉะนั้น กะบังลมเคลื่อนไป ๑ เซนติเมตร จะทำให้ปริมาตร เปลี่ยนไป ๒๗๐ ลูกบาศก์เซนติเมตร) นอกจากนี้ยังใช้กล้ามเนื้อ ระหว่างกระดูกซี่โครงภายนอกอีกด้วย  เมื่อหายใจเข้าเต็มที่ กะบังลมจะเคลื่อนไปถึง ๓ เซนติเมตร การเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางในแนวหน้าหลัง (antero - posterior diameter) ของทรวงอก นอกจากจะใช้กล้ามเนื้อระหว่างกระดูกซี่โครงภายนอก แล้วยังใช้กล้ามเนื้อช่วยการหายใจ (accessory muscle) เช่นกล้ามเนื้อสเตอร์โนมัสตอยด์ (sternomastoid) และสเคเลน (scalene) โดยช่วยยึดซี่โครง ๒ ซี่บน และกล้ามเนื้อเซอร์ราตัส แอนทีเรียร์ (serratus anterior) ยกซี่โครงอีกหลายซี่ เฉพาะกล้ามเนื้อ สเตอร์โนมัสตอยด์ และ สเคเลน จะทำงานต่อเมื่อต้องการหายใจ แรง (การระบายอากาศหายใจเข้าออกมากกว่า ๕๐ ลิตร/นาที) 

      การหายใจออก เป็นขบวนการพาสซีฟ (passive) จาก ความหยุ่นของเนื้อปอดและทรวงอก รวมทั้งความตึงของกล้าม เนื้อด้วยที่ช่วยดันกะบังลมให้เคลื่อนขึ้นไป การหายใจออกแรงนั้นต้องใช้กล้ามเนื้อหน้าท้อง (transversus abdominis) มาช่วย ซึ่งจะทำงานต่อเมื่ออากาศหายใจออกเพิ่ม มากกว่า ๔๐ ลิตร/นาที และจะทำงานในตอนท้ายๆ ของการหายใจ ออก แต่ถ้าในการหายใจออกแรงมากๆ กล้ามเนื้อหายใจจะทำ งานตลอดช่วง การหายใจแรง (forced respitation) มีกลไกและการใช้ กล้ามเนื้อมากกว่า 

การซึมผ่านและการขนส่ง 

การซึมผ่านของก๊าซ การซึมผ่านของก๊าซผ่านปอด เป็นขบวนการพาสซีฟทั้งหมด ไม่ได้มีกลไกแอ็กทีฟ หรือ การสร้างเลย ขบวนการซึมผ่านของก๊าซแบ่งได้เป็น ๓ ระยะ คือ 

      ๑. ระยะก๊าซ (gas phase) เป็นระยะที่ก๊าซซึมผ่านจาก ท่อถุงลมเข้าไปในถุงลม การซึมผ่านของก๊าซจนทั่วถุงลมร้อยละ ๘๐ ใช้เวลาเพียง ๐.๐๐๒ วินาที ในระยะทางเพียง ๐.๕ มิลลิเมตร ก๊าซโมเลกุลเล็กซึมผ่านได้เร็วกว่าโมเลกุลใหญ่ แต่ขบวนการ เกิดขึ้นเร็ว ดังนั้นก๊าซโมเลกุลใหญ่ก็ยังกระจายสม่ำเสมอ 

      ๒. ระยะเนื้อเยื่อ (tissur phase) เป็นระยะที่ก๊าซซึม ผ่านเยื่อกั้นระหว่างถุงลมและหลอดเลือดฝอยในปอด อัตรา การซึมผ่านเช่นนี้ขึ้นอยู่กับความสามารถของก๊าซที่ละลายใน ของเหลว 

       ๓. ระยะของเหลว (liquid phase) เป็นการซึมผ่าน เข้าไปในพลาสมา โดยอาศัยความแตกต่างของความเข้ม ระหว่างผิว ก๊าซที่ละลายได้มากจะมีความเข้มที่บริเวณผิวสูง ซึ่งทำให้อัตราการซึมผ่านสูงด้วย 

       คาร์บอนไดออกไซด์มีความสามารถในการละลายได้ สูงมาก ทำให้มีอัตราการซึมผ่านมากกว่าออกซิเจนถึง ๒๐ เท่า เพราะฉะนั้นในโรคของปอดที่การซึมผ่านเสียไปจึงไม่มีการคั่ง ของคาร์บอนไดออกไซด์ในเลือด แต่การซึมผ่านของออกซิเจน จะลดลงไปได้มาก

การขนส่งก๊าซในเลือด

      ร่างกายขนส่งออกซิเจนไปให้ เซลล์ได้ ๒ ทาง คือ การรวมกับเฮโมโกลบินและการละลายไปใน เลือด การรวมกับเฮโมโกลบินมีบทบาทสำคัญที่สุด เพราะนำออกซิเจน ไปได้มากกว่าการละลายไปในเลือดถึง ๓๐-๑๐๐ เท่า หมาย ความว่าถ้าไม่มีเฮโมโกลบินร่างกายจะต้องมีเลือดเพิ่มขึ้นอีก ๓๐-๑๐๐ เท่าจึงจะพอใช้ เฮโมโกลบินนำออกซิเจนที่ขนส่งไป ประมาณร้อยละ ๙๗ ที่เหลือประมาณร้อยละ ๓ เท่านั้นที่ละลาย ไปตามธรรมดา การจับและการปล่อยออกซิเจนของเฮโมโกลบิน ขึ้นอยู่กับความดันของออกซิเจนในเลือด เมื่อความดันนี้สูง เฮโมโกลบินจะจับออกซิเจนไว้ได้มาก แต่ถ้าต่ำเฮโมโกลบินจะ ปล่อยออกซิเจนออกมา 

      ถ้าคิดว่าเลือดมีเฮโมโกลบิน ๑๕ กรัม/ ๑๐๐ มิลลิเมตร และเฮโมโกลบิน ๑ กรัม จับออกซิเจนได้ ๑.๓๔ ลูกบาศก์เซนติเมตร เลือด ๑๐๐ ลูกบาศก์เซนติเมตร จะจับออกซิเจนได้ ๑๙.๑ ลูกบาศก์ เซนติเมตร (ร้อยละ ๑๙.๑) เมื่อเฮโมโกลบินซึ่งมีความดันออกซิเจน ๙๗ มิลลิเมตรปรอท และมีออกซิเจนอยู่ประมาณร้อยละ ๑๙.๑ ไปถึงเนื้อเยื่อ ก็จะปล่อยออกซิเจนให้เนื้อเยื่อซึ่งมีความดัน ออกซิเจน ๔๐ มิลลิเมตรปรอท จนออกซิเจนในเฮโมโกลบิน ลดลงเหลือร้อยละ ๑๔.๔ เฮโมโกลบินจะเสียออกซิเจนไปประมาณ ร้อยละ ๕ ฉะนั้น ถ้าผลผลิตของหัวใจเท่ากับ ๕ ลิตร/นาที เฮโมโกลบินจะนำออกซิเจนไปส่งให้เนื้อเยื่อได้ประมาณ ๒๕๐ ลูกบาศก์เซนติเมตร/นาที 

การปรับระดับการหายใจ 

      การหายใจต้องมีการปรับให้มีการเปลี่ยนแปลงได้เสมอ เพื่อให้เหมาะสมกับความต้องการออกซิเจนของร่างกาย เช่น ในขณะออกกำลังกาย ร่างกายต้องทำงานเพิ่มขึ้น ระบบการหายใจ จึงต้องเพิ่มงานการขนส่งออกซิเจนให้เพียงพอ และขับคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นมาออกไปด้วยเพื่อให้ความดันออกซิเจนและ คาร์บอนไดออกไซด์คงที่อยู่เสมอ คือ ๑๐๐ และ ๔๐ มิลลิเมตร-ปรอท ตามลำดับ 

กลไกการควบคุมการหายใจอาศัยการทำงานที่สำคัญ ๒ อย่าง คือ 

      ก. การควบคุมทางประสาท ซึ่งเป็นส่วนสำคัญที่สุด ที่ทำให้มีการหายใจอยู่ได้ กลไกนี้ประกอบด้วยศูนย์หายใจและ รีเฟล็กซ์ต่างๆ 

      ข. การควบคุมทางเคมี สารเคมีที่สำคัญคือ คาร์บอนไดออกไซด์ ออกซิเจน และไฮโดรเจนไอออนในเลือด และในสารน้ำของร่างกาย