તમે અગાઉ વાંચ્યું છે તેમ, જીવો દ્વારા ઊર્જા મેળવવા અને વિવિધ પ્રવૃત્તિઓ કરવા માટે ગ્લુકોઝ, એમિનો એસિડ, ફેટી એસિડ જેવા સરળ અણુઓને પરોક્ષ રીતે તોડવા માટે ઓક્સિજન (O₂) નો ઉપયોગ થાય છે. ઉપરોક્ત કેટાબોલિક પ્રક્રિયાઓ દરમિયાન હાનિકારક કાર્બન ડાયોક્સાઇડ (CO₂) પણ મુક્ત થાય છે. તેથી, એ સ્પષ્ટ છે કે કોષોને સતત O₂ પૂરી પાડવી જરૂરી છે અને કોષો દ્વારા ઉત્પન્ન થયેલ CO₂ ને બહાર કાઢવો જરૂરી છે. કોષો દ્વારા ઉત્પન્ન થયેલ CO₂ સાથે વાતાવરણમાંથી O₂ ના આ વિનિમયની પ્રક્રિયાને શ્વસન કહેવામાં આવે છે, જેને સામાન્ય રીતે શ્વાસોચ્છવાસ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. તમારા છાતી પર હાથ મૂકો; તમે છાતી ઉપર-નીચે થતી અનુભવી શકો છો. તમે જાણો છો કે તે શ્વાસોચ્છવાસને કારણે છે. આપણે કેવી રીતે શ્વાસ લઈએ છીએ? શ્વસન અંગો અને શ્વાસોચ્છવાસની ક્રિયાવિધિ આ અધ્યાયના નીચેના વિભાગોમાં વર્ણવેલ છે.

17.1 શ્વસન અંગો

શ્વાસોચ્છવાસની ક્રિયાવિધિ વિવિધ પ્રાણી સમૂહોમાં મુખ્યત્વે તેમના નિવાસસ્થાન અને સંગઠનના સ્તર પર આધારિત બદલાય છે. સ્પંજ, સીલેન્ટરેટ્સ, ફ્લેટવર્મ્સ જેવા નીચલા અકશેરુકીઓ તેમના સમગ્ર શરીરની સપાટી પર સરળ વિસરણ દ્વારા O₂ નો CO₂ સાથે વિનિમય કરે છે. કૃમિ તેમની ભીની ક્યુટિકલનો ઉપયોગ કરે છે અને કીટકોમાં શરીરની અંદર વાતાવરણીય હવાનું પરિવહન કરવા માટે નલિકાઓનું નેટવર્ક (શ્વાસનળીઓ) હોય છે. ગલફડા (શાખાકીય શ્વસન) તરીકે ઓળખાતી વિશિષ્ટ રક્તવાહિનીય બંધારણોનો ઉપયોગ મોટાભાગના જલચર આર્થ્રોપોડ્સ અને મોલસ્ક્સ દ્વારા થાય છે જ્યારે ફેફસાં (ફુપ્ફુસીય શ્વસન) તરીકે ઓળખાતા રક્તવાહિનીય થેલીઓનો ઉપયોગ સ્થળચર પ્રકારો દ્વારા વાયુઓના વિનિમય માટે થાય છે. કશેરુકીઓમાં, માછલીઓ ગલફડાનો ઉપયોગ કરે છે જ્યારે ઉભયજીવીઓ, સરિસૃપો, પક્ષીઓ અને સસ્તન પ્રાણીઓ ફેફસાં દ્વારા શ્વસન કરે છે. દેડકા જેવા ઉભયજીવીઓ તેમની ભીની ત્વચા (ત્વચીય શ્વસન) દ્વારા પણ શ્વસન કરી શકે છે.

17.1.1 માનવ શ્વસન તંત્ર

આપણી પાસે ઉપરના હોઠની ઉપર ખુલતી બાહ્ય નાસિકા છિદ્રોની જોડી હોય છે. તે નાસિકા માર્ગ દ્વારા નાસિકા કક્ષ તરફ દોરી જાય છે. નાસિકા કક્ષ ગળાના ભાગમાં ખુલે છે, જેનો એક ભાગ ખોરાક અને હવા માટે સામાન્ય માર્ગ છે. ગળાનો ભાગ સ્વરયંત્ર પ્રદેશ દ્વારા શ્વાસનળીમાં ખુલે છે. સ્વરયંત્ર એક કાર્ટિલેજીનસ બોક્સ છે જે ધ્વનિ ઉત્પાદનમાં મદદ કરે છે અને તેથી તેને સાઉન્ડ બોક્સ કહેવામાં આવે છે. ગળકી દરમિયાન સ્વરછિદ્રને એપિગ્લોટિસ નામના પાતળા લવચીક કાર્ટિલેજીનસ ફ્લેપ દ્વારા ઢાંકી શકાય છે જેથી ખોરાક સ્વરયંત્રમાં પ્રવેશી ન શકે. શ્વાસનળી એક સીધી નળી છે જે મધ્ય-વક્ષ ગુહા સુધી વિસ્તરેલી છે, જે 5મા થોરેસિક કરોડરજ્જુના સ્તરે જમણી અને ડાબી પ્રાથમિક શ્વાસનળીઓમાં વિભાજિત થાય છે. દરેક શ્વાસનળી વારંવાર વિભાજન પામી દ્વિતીયક અને તૃતીયક શ્વાસનળીઓ અને શ્વાસનલિકાઓ બનાવે છે જે અંતિમ શ્વાસનલિકાઓમાં અંત થાય છે. શ્વાસનળી, પ્રાથમિક, દ્વિતીયક અને તૃતીયક શ્વાસનળીઓ અને પ્રારંભિક શ્વાસનલિકાઓ અપૂર્ણ કાર્ટિલેજીનસ રિંગ્સ દ્વારા સમર્થિત હોય છે. દરેક અંતિમ શ્વાસનલિકા ઘણી બધી ખૂબ જ પાતળી, અનિયમિત-દીવાલવાળી અને રક્તવાહિનીય બંધારણવાળી થેલી જેવી રચનાઓ કહેવાતા કોષ્ઠકો (એલ્વિઓલાઈ)ને જન્મ આપે છે. શ્વાસનળીઓ, શ્વાસનલિકાઓ અને કોષ્ઠકોનું શાખાવાળું નેટવર્ક ફેફસાં (આકૃતિ 17.1) બનાવે છે. આપણી પાસે બે ફેફસાં છે જે ડબલ સ્તરી પ્લ્યુરા દ્વારા ઢંકાયેલા છે, તેમની વચ્ચે પ્લ્યુરલ પ્રવાહી હોય છે. તે ફેફસાંની સપાટી પર ઘર્ષણ ઘટાડે છે. બાહ્ય પ્લ્યુરલ પટલ વક્ષસ્થ અસ્તર સાથે નજીકના સંપર્કમાં હોય છે જ્યારે આંતરિક પ્લ્યુરલ પટલ ફેફસાંની સપાટી સાથે સંપર્કમાં હોય છે.

આકૃતિ 17.1 માનવ શ્વસન તંત્રનો રેખાકૃતિ દૃશ્ય (ડાબા ફેફસાનો છેદન દૃશ્ય પણ બતાવેલ છે)

બાહ્ય નાસિકા છિદ્રોથી શરૂ થઈને અંતિમ શ્વાસનલિકાઓ સુધીનો ભાગ વાહક ભાગ બનાવે છે જ્યારે કોષ્ઠકો અને તેમની નલિકાઓ શ્વસન તંત્રનો શ્વસન અથવા વિનિમય ભાગ બનાવે છે. વાહક ભાગ વાતાવરણીય હવાને કોષ્ઠકો સુધી પહોંચાડે છે, તેને વિદેશી કણોથી સાફ કરે છે, ભેજયુક્ત કરે છે અને હવાને શરીરના તાપમાન પર પણ લાવે છે. વિનિમય ભાગ એ રક્ત અને વાતાવરણીય હવા વચ્ચે O₂ અને CO₂ ના વાસ્તવિક વિસરણનું સ્થાન છે.

ફેફસાં વક્ષ ગુહામાં સ્થિત છે જે શારીરિક રીતે એક હવાબંધ ગુહા છે. વક્ષ ગુહા પૃષ્ઠભાગમાં કરોડરજ્જુ દ્વારા, અધોભાગમાં ઉરોસ્થિ દ્વારા, પાર્શ્વમાં પાંસળીઓ દ્વારા અને નીચેની બાજુ ગુંબજ આકારના ડાયાફ્રામ દ્વારા રચાય છે. વક્ષમાં ફેફસાંની શારીરિક રચના એવી છે કે વક્ષ ગુહાના કદમાં કોઈપણ ફેરફાર ફેફસાં (પલ્મોનરી) ગુહામાં પ્રતિબિંબિત થશે. આવી ગોઠવણી શ્વાસોચ્છવાસ માટે આવશ્યક છે, કારણ કે આપણે પલ્મોનરી કદ સીધું બદલી શકતા નથી.

શ્વસનમાં નીચેના પગલાં સામેલ છે:

(i) શ્વાસોચ્છવાસ અથવા ફુપ્ફુસીય વેન્ટિલેશન જે દ્વારા વાતાવરણીય હવા અંદર ખેંચાય છે અને CO₂ યુક્ત કોષ્ઠકીય હવા બહાર છોડવામાં આવે છે.

(ii) કોષ્ઠકીય પટલ દ્વારા વાયુઓ (O₂ અને CO₂) નું વિસરણ.

(iii) રક્ત દ્વારા વાયુઓનું પરિવહન.

(iv) રક્ત અને ઊતકો વચ્ચે O₂ અને CO₂ નું વિસરણ.

(v) કોષો દ્વારા કેટાબોલિક પ્રક્રિયાઓ માટે O₂ નો ઉપયોગ અને પરિણામી CO₂ નું મુક્ત થવું (કોષીય શ્વસન જેમ કે અધ્યાય 14 માં વર્ણવેલ છે).

17.2 શ્વાસોચ્છવાસની ક્રિયાવિધિ

શ્વાસોચ્છવાસમાં બે તબક્કાઓ સામેલ છે: શ્વાસગ્રહણ જે દરમિયાન વાતાવરણીય હવા અંદર ખેંચાય છે અને શ્વાસવિસર્જન જે દ્વારા કોષ્ઠકીય હવા બહાર છોડવામાં આવે છે. ફેફસાંમાં અને બહાર હવાની હિલચાલ ફેફસાં અને વાતાવરણ વચ્ચે દબાણ ઢાળ બનાવીને કરવામાં આવે છે. જો ફેફસાંની અંદરનું દબાણ (ઇન્ટ્રા-પલ્મોનરી દબાણ) વાતાવરણીય દબાણ કરતાં ઓછું હોય, એટલે કે, વાતાવરણીય દબાણની સાપેક્ષ ફેફસાંમાં નકારાત્મક દબાણ હોય, તો શ્વાસગ્રહણ થઈ શકે છે. તે જ રીતે, જ્યારે ઇન્ટ્રા-પલ્મોનરી દબાણ વાતાવરણીય દબાણ કરતાં વધુ હોય ત્યારે શ્વાસવિસર્જન થાય છે. ડાયાફ્રામ અને પાંસળીઓ વચ્ચેની બાહ્ય અને આંતરિક આંતરકોસ્ટલ પેશીઓનો એક વિશિષ્ટ સમૂહ આવા ઢાળોના નિર્માણમાં મદદ કરે છે. શ્વાસગ્રહણ ડાયાફ્રામના સંકોચનથી શરૂ થાય છે જે અગ્ર-પશ્ચાદ્ અક્ષમાં વક્ષ ગુહાનું કદ વધારે છે. બાહ્ય આંતર-કોસ્ટલ પેશીઓના સંકોચનથી પાંસળીઓ અને ઉરોસ્થિ ઉપર ઉઠે છે જેના કારણે પૃષ્ઠ-અધોભાગ અક્ષમાં વક્ષ ગુહાનું કદ વધે છે. વક્ષના કદમાં સમગ્ર વધારો ફુપ્ફુસીય કદમાં સમાન વધારો કરે છે. ફુપ્ફુસીય કદમાં વધારો થવાથી ઇન્ટ્રા-પલ્મોનરી દબાણ વાતાવરણીય દબાણ કરતાં ઓછું થાય છે જે બહારથી હવાને ફેફસાંમાં દાખલ થવા માટે દબાણ આપે છે, એટલે કે, શ્વાસગ્રહણ (આકૃતિ 17.2a). ડાયાફ્રામ અને આંતર-કોસ્ટલ પેશીઓના શિથિલીકરણથી ડાયાફ્રામ અને ઉરોસ્થિ તેમની સામાન્ય સ્થિતિમાં પરત ફરે છે અને વક્ષના કદ અને તેથી ફુપ્ફુસીય કદ ઘટાડે છે. આના કારણે ઇન્ટ્રા-પલ્મોનરી દબાણમાં વાતાવરણીય દબાણ કરતાં સહેજ વધારો થાય છે જે ફેફસાંમાંથી હવાના નિષ્કાસનનું કારણ બને છે, એટલે કે, શ્વાસવિસર્જન (આકૃતિ 17.2b). આપણી પાસે ઉદરમાં વધારાની પેશીઓની મદદથી શ્વાસગ્રહણ અને શ્વાસવિસર્જનની શક્તિ વધારવાની ક્ષમતા છે. સરેરાશ, એક સ્વસ્થ માનવ મિનિટ દીઠ 12-16 વખત શ્વાસ લે છે. શ્વાસોચ્છવાસની હિલચાલમાં સામેલ હવાના કદનો અંદાજ સ્પાયરોમીટરનો ઉપયોગ કરીને કાઢી શકાય છે જે ફુપ્ફુસીય કાર્યોના નિદાનમાં મદદ કરે છે.

આકૃતિ 17.2 શ્વાસોચ્છવાસની ક્રિયાવિધિ બતાવે છે: (a) શ્વાસગ્રહણ (b) શ્વાસવિસર્જન

17.2.1 શ્વસન કદ અને ક્ષમતાઓ

જુઓ કદ (TV): સામાન્ય શ્વસન દરમિયાન અંદર ખેંચાયેલી અથવા બહાર કાઢેલી હવાનું કદ. તે લગભગ 500 mL છે, એટલે કે, એક સ્વસ્થ માણસ પ્રતિ મિનિટ લગભગ 6000 થી 8000 mL હવા અંદર ખેંચી શકે છે અથવા બહાર કાઢી શકે છે.

શ્વાસગ્રહણ અનામત કદ (IRV): એક વ્યક્તિ જબરદસ્ત શ્વાસગ્રહણ દ્વારા અંદર ખેંચી શકે તેવી હવાનું વધારાનું કદ. આનો સરેરાશ 2500 mL થી 3000 mL છે.

શ્વાસવિસર્જન અનામત કદ (ERV): એક વ્યક્તિ જબરદસ્ત શ્વાસવિસર્જન દ્વારા બહાર કાઢી શકે તેવી હવાનું વધારાનું કદ. આનો સરેરાશ 1000 mL થી 1100 mL છે.

અવશેષ કદ (RV): જબરદસ્ત શ્વાસવિસર્જન પછી પણ ફેફસાંમાં રહેલી હવાનું કદ. આનો સરેરાશ 1100 mL થી 1200 mL છે. ઉપર વર્ણવેલા કેટલાક શ્વસન કદને ઉમેરીને, વ્યક્તિ વિવિધ ફુપ્ફુસીય ક્ષમતાઓ મેળવી શકે છે, જેનો ઉપયોગ નિદાનમાં થઈ શકે છે.

શ્વાસગ્રહણ ક્ષમતા (IC): સામાન્ય શ્વાસવિસર્જન પછી એક વ્યક્તિ અંદર ખેંચી શકે તેવી હવાનું કુલ કદ. આમાં જુઓ કદ અને શ્વાસગ્રહણ અનામત કદ (TV+IRV) સામેલ છે.

શ્વાસવિસર્જન ક્ષમતા (EC): સામાન્ય શ્વાસગ્રહણ પછી એક વ્યક્તિ બહાર કાઢી શકે તેવી હવાનું કુલ કદ. આમાં જુઓ કદ અને શ્વાસવિસર્જન અનામત કદ (TV+ERV) સામેલ છે.

કાર્યાત્મક અવશેષ ક્ષમતા (FRC): સામાન્ય શ્વાસવિસર્જન પછી ફેફસાંમાં રહેશે તે હવાનું કદ. આમાં ERV+RV સામેલ છે.

મહત્તમ શ્વસન ક્ષમતા (VC): જબરદસ્ત શ્વાસવિસર્જન પછી એક વ્યક્તિ અંદર ખેંચી શકે તેવી હવાનું મહત્તમ કદ. આમાં ERV, TV અને IRV અથવા જબરદસ્ત શ્વાસગ્રહણ પછી એક વ્યક્તિ બહાર કાઢી શકે તેવી હવાનું મહત્તમ કદ સામેલ છે.

કુલ ફુપ્ફુસ ક્ષમતા (TLC): જબરદસ્ત શ્વાસગ્રહણના અંતે ફેફસાંમાં સમાયેલ હવાનું કુલ કદ. આમાં RV, ERV, TV અને IRV અથવા મહત્તમ શ્વસન ક્ષમતા + અવશેષ કદ સામેલ છે.

17.3 વાયુઓનો વિનિમય

કોષ્ઠકો વાયુઓના વિનિમયના પ્રાથમિક સ્થાનો છે. વાયુઓનો વિનિમય રક્ત અને ઊતકો વચ્ચે પણ થાય છે. O₂ અને CO₂ નો આ સ્થાનોએ મુખ્યત્વે દબાણ/સાંદ્રતા ઢાળ પર આધારિત સરળ વિસરણ દ્વારા વિનિમય થાય છે. વાયુઓની દ્રાવ્યતા તેમજ વિસરણમાં સામેલ પટલોની જાડાઈ પણ કેટલાક મહત્વપૂર્ણ પરિબળો છે જે વિસરણની દરને અસર કરી શકે છે. વાયુઓના મિશ્રણમાં એક વ્યક્તિગત વાયુ દ્વારા ફાળવવામાં આવેલ દબાણને આંશિક દબાણ કહેવામાં આવે છે અને તેને ઓક્સિજન માટે pO₂ અને કાર્બન ડાયોક્સાઇડ માટે pCO₂ તરીકે દર્શાવવામાં આવે છે. આ બંને વાયુઓના વાતાવરણીય હવામાં અને વિસરણના બે સ્થાનોમાં આંશિક દબાણ કોષ્ઠક 17.1 અને આકૃતિ 17.3 માં આપવામાં આવ્યા છે. કોષ્ઠકમાં આપેલા ડેટા સ્પષ્ટ રીતે કોષ્ઠકોથી રક્ત અને રક્તથી ઊતકો સુધી ઓક્સિજન માટે સાંદ્રતા ઢાળ દર્શાવે છે.

કોષ્ઠક 14.1 વાતાવરણની સરખામણીમાં વિસરણમાં સામેલ વિવિધ ભાગોમાં ઓક્સિજન અને કાર્બન ડાયોક્સાઇડના આંશિક દબાણ (mm Hg માં)

આકૃતિ 17.3 કોષ્ઠક અને શરીરના ઊતકો પર રક્ત સાથે વાયુઓના વિનિમય અને ઓક્સિજન અને કાર્બન ડાયોક્સાઇડના પરિવહનનું રેખાકૃતિ નિરૂપણ

તે જ રીતે, CO₂ માટે વિપરીત દિશામાં એક ઢાળ હાજર છે, એટલે કે, ઊતકોથી રક્ત અને રક્તથી કોષ્ઠકો સુધી. CO₂ ની દ્રાવ્યતા O₂ કરતાં 20-25 ગણી વધારે હોવાથી, આંશિક દબાણમાં પ્રતિ એકમ તફાવત દ્વારા વિસરણ પટલમાંથી વિસરી શકે તેવા CO₂ ની માત્રા O₂ ની તુલનામાં ઘણી વધારે છે. વિસરણ પટલ ત્રણ મુખ્ય સ્તરોથી બનેલું છે (આકૃતિ 17.4) એટલે કે, કોષ્ઠકોનું પાતળું સ્ક્વેમસ એપિથેલિયમ, કોષ્ઠકીય કેપિલરીઓનું એન્ડોથેલિયમ અને તેમની વચ્ચેનો આધાર પદાર્થ (સ્ક્વેમસ એપિથેલિયમને આધાર આપતી પાતળી બેઝમેન્ટ પટલ અને કેપિલરીઓના એક સ્તર એન્ડોથેલિયલ કોષોને ઘેરી લેતી બેઝમેન્ટ પટલથી બનેલો). જો કે, તેની કુલ જાડાઈ એક મિલીમીટર કરતાં ઘણી ઓછી છે. તેથી, આપણા શરીરમાં તમામ પરિબળો કોષ્ઠકોથી ઊતકો સુધી O₂ ના વિસરણ માટે અને ઊતકોથી કોષ્ઠકો સુધી CO₂ ના વિસરણ માટે અનુકૂળ છે.

આકૃતિ 17.4 ફુપ્ફુસીય કેપિલરી સાથેના કોષ્ઠકના છેદનની રેખાકૃતિ.

17.4 વાયુઓનું પરિવહન

રક્ત એ O₂ અને CO₂ માટે પરિવહનનું માધ્યમ છે. લગભગ 97 ટકા O₂ રક્તમાં આરબીસી દ્વારા પરિવહન કરવામાં આવે છે. બાકીના 3 ટકા O₂ પ્લાઝમા દ્વારા ઓગળેલી અવસ્થામાં લઈ જવામાં આવે છે. લગભગ 20-25 ટકા CO₂ આરબીસી દ્વારા પરિવહન કરવામાં આવે છે જ્યારે તેનો 70 ટકા બાયકાર્બોનેટ તરીકે લ