अध्याय 17 श्वास और गैसों का आदान-प्रदान व्यायाम
अभ्यास
1. वायल क्षमता को परिभाषित कीजिए। इसका क्या महत्व है?
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उत्तर
वायल क्षमता अधिकतम श्वास लेने के बाद बाहर निकाली जा सकने वाली वायु का अधिकतम आयतन है। यह मानव शरीर में लगभग 3.5 - 4.5 लीटर होता है। यह ताजी वायु की आपूर्ति और दूषित वायु के निष्कासन की क्रिया को बढ़ावा देती है, जिससे ऊतकों और पर्यावरण के बीच गैसीय विनिमय बढ़ता है।
2. सामान्य श्वास लेने के बाद फेफड़ों में शेष वायु की मात्रा बताइए।
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उत्तर
सामान्य श्वास छोड़ने के बाद फेफड़ों में शेष वायु की मात्रा को कार्यात्मक अवशेष क्षमता (FRC) कहा जाता है। इसमें श्वास छोड़ने का आरक्षित आयतन (ERV) और अवशेष आयतन (RV) शामिल होते हैं। ERV सामान्य श्वास छोड़ने के बाद बाहर निकाली जा सकने वाली वायु का अधिकतम आयतन है। यह लगभग $1000 mL$ से $1500 mL$ होता है। RV अधिकतम श्वास छोड़ने के बाद फेफड़ों में शेष वायु की मात्रा है। यह लगभग $1100 mL$ से $1500 mL$ होता है।
$\therefore FRC=ERV+RV$
$\cong 1500+1500$
$\cong 3000 mL$
मानव फेफड़ों की कार्यात्मक अवशेष क्षमता लगभग 2500 - $3000 mL$ होती है।
3. गैसों का विसरण केवल एल्वियोली क्षेत्र में होता है और श्वसन तंत्र के अन्य भागों में नहीं। क्यों?
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उत्तर
प्रत्येक वायुकोष अत्यधिक पारगम्य और पतली स्क्वैमस उपकला कोशिकाओं की परतों से बना होता है। इसी प्रकार, रक्त केशिकाओं में भी स्क्वैमस उपकला कोशिकाओं की परतें होती हैं। ऑक्सीजन-समृद्ध वायु नाक के माध्यम से शरीर में प्रवेश करती है और वायुकोषों तक पहुँचती है। शरीर से डिऑक्सीजनेटेड (कार्बन डाइऑक्साइड-समृद्ध) रक्त शिराओं द्वारा हृदय तक लाया जाता है। हृदय इसे ऑक्सीजनेशन के लिए फेफड़ों में पंप करता है। वायुकोषों को घेरने वाली रक्त केशिकाओं और वायुकोषों में मौजूद गैसों के बीच $O_2$ और $CO_2$ का आदान-प्रदान होता है।
इस प्रकार, वायुकोष गैसीय आदान-प्रदान के स्थल होते हैं। गैसों का आदान-प्रदान सरल विसरण द्वारा दबाव या सांद्रता में अंतर के कारण होता है। वायुकोष और केशिकाओं के बीच की बाधा पतली होती है और गैसों का विसरण उच्चतर आंशिक दबाव से निम्नतर आंशिक दबाव की ओर होता है। वायुकोषों तक पहुँचने वाले शिरीय रक्त में $O_2$ का आंशिक दबाव वायुकोषीय वायु की तुलना में कम और $CO_2$ का आंशिक दबाव अधिक होता है। इसलिए, ऑक्सीजन रक्त में विसरित होती है। साथ ही, कार्बन डाइऑक्साइड रक्त से बाहर निकलकर वायुकोषों में विसरित होती है।
4. $CO_2$ के प्रमुख परिवहन तंत्र क्या हैं? समझाइए।
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उत्तर
प्लाज्मा और लाल रक्त कोशिकाएँ कार्बन डाइऑक्साइड का परिवहन करती हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि ये जल में आसानी से घुलनशील होते हैं।
(1) प्लाज्मा के माध्यम से:
लगभग $7 %$ $CO_2$ प्लाज्मा के माध्यम से विलयित अवस्था में वहन की जाती है। कार्बन डाइऑक्साइड जल के साथ मिलकर कार्बोनिक अम्ल बनाती है।
$ CO_2+H_2 O \longrightarrow \underset{\text{(कार्बोनिक अम्ल)}}{H_2 CO_3} $
चूँकि कार्बोनिक अम्ल बनने की प्रक्रिया धीमी होती है, इस तरह से केवल थोड़ी मात्रा में कार्बन डाइऑक्साइड ही ले जाया जाता है।
(2) आरबीसी के माध्यम से:
लगभग 20 – $25 %$ $CO_2$ लाल रक्त कोशिकाओं द्वारा कार्बामिनोहीमोग्लोबिन के रूप में परिवहित होता है। कार्बन डाइऑक्साइड हीमोग्लोबिन की पॉलीपेप्टाइड श्रृंखलाओं पर मौजूद अमीनो समूहों से जुड़कर कार्बामिनोहीमोग्लोबिन नामक यौगिक बनाती है।
(3) सोडियम बाइकार्बोनेट के माध्यम से:
लगभग $70 %$ कार्बन डाइऑक्साइड सोडियम बाइकार्बोनेट के रूप में परिवहित होती है। जैसे ही $CO_2$ रक्त प्लाज्मा में विसरित होती है, इसका एक बड़ा भाग एंजाइम कार्बोनिक एनहाइड्रेज़ की उपस्थिति में पानी से मिलकर कार्बोनिक अम्ल बनाता है। कार्बोनिक एनहाइड्रेज़ एक जिंक एंजाइम है जो कार्बोनिक अम्ल के निर्माण को तेज करता है। यह कार्बोनिक अम्ल बाइकार्बोनेट $(HCO_3{ }^{-})$ और हाइड्रोजन आयनों $(H^{+})$ में विघटित होता है।
$ CO_2+H_2 O \xrightarrow{\text{ कार्बोनिक एनहाइड्रेज़ }} H_2 CO_3 $
$ \mathrm{H_2CO_3} \xrightarrow[\text{कार्बोनिक}]{\text{एनहाइड्रेज़}} + \mathrm{HCO_3^-} + \mathrm{H^+} $
5. वायुमंडलीय वायु की तुलना में ऐल्वियोलर वायु में $pO_2$ और $pCO_2$ कैसी होंगी?
(i) $pO_2$ कम, $pCO_2$ अधिक
(ii) $pO_2$ अधिक, $pCO_2$ कम
(iii) $pO_2$ अधिक, $pCO_2$ अधिक
(iv) $pO_2$ कम, $pCO_2$ कम
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उत्तर
(ii) $pO_2$ अधिक, $pCO_2$ कम
वायुमंडलीय वायु में ऑक्सीजन का आंशिक दाब फुफ्फुसीय वायु में ऑक्सीजन के आंशिक दाब से अधिक होता है। वायुमंडलीय वायु में $pO_2$ लगभग $159 mm Hg$ होता है। फुफ्फुसीय वायु में यह लगभग $104 mm Hg$ होता है।
वायुमंडलीय वायु में कार्बन डाइऑक्साइड का आंशिक दाब फुफ्फुसीय वायु में कार्बन डाइऑक्साइड के आंशिक दाब से कम होता है। वायुमंडलीय वायु में $pCO_2$ लगभग $0.3 mmHg$ होता है। फुफ्फुसीय वायु में यह लगभग $40 mm Hg$ होता है।
6. सामान्य परिस्थितियों में श्वसन की प्रक्रिया की व्याख्या कीजिए।
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उत्तर
डायाफ्राम संकुचित होता है
श्वसन या श्वास लेना शरीर के बाहर से वायु को फेफड़ों में लाने की प्रक्रिया है। यह फेफड़ों और वातावरण के बीच दाब विभाजन उत्पन्न करके किया जाता है।
जब वायु फेफड़ों में प्रवेश करती है, तो डायाफ्राम पेट की गुहा की ओर संकुचित होता है, जिससे वक्ष गुहा में श्वसित वायु को समायोजित करने के लिए स्थान बढ़ जाता है।
बाह्य अंतरपसली पेशियों के एक साथ संकुचन के साथ वक्ष चैम्बर का आयतन अग्रपश्च अक्ष में बढ़ता है। इससे पसलियाँ और स्तनबंध बाहर की ओर खिसकते हैं, जिससे वक्ष चैम्बर का आयतन डोर्सोवेंट्रल अक्ष में बढ़ता है।
थोरैसिक आयतन में समग्र वृद्धि से फुफ्फुसीय आयतन में समान वृद्धि होती है। अब, इस वृद्धि के परिणामस्वरूप, अंतःफुफ्फुसीय दाब वायुमंडलीय दाब से कम हो जाता है। इससे शरीर के बाहर की हवा फेफड़ों में प्रवेश करती है।
7. श्वसन का नियमन कैसे होता है?
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उत्तर
मस्तिष्क के मेडुला क्षेत्र में उपस्थित श्वसन ताल केंद्र मुख्य रूप से श्वसन के नियमन के लिए उत्तरदायी है। न्यूमोटैक्सिक केंद्र श्वसन ताल केंद्र द्वारा किए गए कार्य को संकेत देकर परिवर्तित कर सकता है ताकि श्वासन दर को कम किया जा सके।
श्वसन केंद्र के निकट उपस्थित रसायन-संवेदी क्षेत्र कार्बन डाइऑक्साइड और हाइड्रोजन आयनों के प्रति संवेदनशील होता है। यह क्षेत्र फिर यौगिकों को निष्कासित करने के लिए श्वसन दर को बदलने के संकेत भेजता है।
कैरोटिड धमनी और ऑर्टा में उपस्थित ग्राही रक्त में कार्बन डाइऑक्साइड और हाइड्रोजन आयनों के स्तर का पता लगाते हैं। जैसे ही कार्बन डाइऑक्साइड का स्तर बढ़ता है, श्वसन केंद्र आवश्यक परिवर्तनों के लिए तंत्रिका आवेग भेजता है।
8. ऑक्सीजन परिवहन पर $pCO_2$ का प्रभाव क्या है?
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उत्तर
$pCO_2$ ऑक्सीजन के परिवहन में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। एल्वियोलस में, कम $pCO_2$ और उच्च $pO_2$ हीमोग्लोबिन के निर्माण को बढ़ावा देता है। ऊतकों में, उच्च $pCO_2$ और कम $pO_2$ ऑक्सीहीमोग्लोबिन से ऑक्सीजन के विघटन को बढ़ावा देता है। इसलिए, रक्त में $pCO_2$ के घटने से हीमोग्लोबिन की ऑक्सीजन के प्रति आकर्षण क्षमता बढ़ जाती है। इसलिए, ऑक्सीजन रक्त में ऑक्सीहीमोग्लोबिन के रूप में परिवहित होती है और ऊतकों में इससे पृथक हो जाती है।
9. एक पहाड़ पर चढ़ते समय मनुष्य की श्वसन प्रक्रिया में क्या होता है?
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उत्तर
जैसे-जैसे ऊंचाई बढ़ती है, वातावरण में ऑक्सीजन की मात्रा घट जाती है। इसलिए, जब एक मनुष्य पहाड़ पर चढ़ता है, तो वह प्रत्येक सांस के साथ कम ऑक्सीजन प्राप्त करता है। इससे रक्त में ऑक्सीजन की मात्रा घट जाती है। रक्त में ऑक्सीजन की मात्रा में कमी के प्रतिसाद में श्वसन दर बढ़ जाती है। साथ ही, रक्त को ऑक्सीजन की आपूर्ति बढ़ाने के लिए हृदय की धड़कन की दर भी बढ़ जाती है।
10. कीट में गैसीय विनिमय का स्थान क्या है?
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उत्तर
कीटों में, गैसीय विनिमय नलिकाओं के एक जाल के माध्यम से होता है जिसे सामूहिक रूप से ट्रेकियल तंत्र के रूप में जाना जाता है। कीट के शरीर के दोनों ओर स्थित छोटे छिद्र स्पिरेकल्स के रूप में जाने जाते हैं। ऑक्सीजन-समृद्ध वायु स्पिरेकल्स के माध्यम से प्रवेश करती है। स्पिरेकल्स नलिकाओं के जाल से जुड़े होते हैं। स्पिरेकल्स से ऑक्सीजन ट्रेकिया में प्रवेश करती है। यहां से ऑक्सीजन शरीर की कोशिकाओं में विसरित हो जाती है।
कार्बन डाइऑक्साइड की गति उल्टे मार्ग का अनुसरण करती है। शरीर की कोशिकाओं से $CO_2$ पहले ट्रेकी में प्रवेश करता है और फिर स्पाइरेकल्स के माध्यम से शरीर से बाहर निकल जाता है।
11. ऑक्सीजन डिसोसिएशन वक्र को परिभाषित कीजिए। क्या आप इसके सिग्मॉइडल पैटर्न का कोई कारण सुझा सकते हैं?
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उत्तर
ऑक्सीजन डिसोसिएशन वक्र एक ग्राफ है जो ऑक्सीजन के विभिन्न आंशिक दबावों पर ऑक्सीहीमोग्लोबिन के प्रतिशत संतृप्ति को दर्शाता है।
यह वक्र विभिन्न आंशिक दबावों पर ऑक्सीहीमोग्लोबिन और हीमोग्लोबिन के संतुलन को दर्शाता है।
फेफड़ों में ऑक्सीजन का आंशिक दबाव उच्च होता है। इसलिए, हीमोग्लोबिन ऑक्सीजन से जुड़कर ऑक्सीहीमोग्लोबिन बनाता है।
ऊतकों में ऑक्सीजन की सांद्रता कम होती है। इसलिए, ऊतकों पर ऑक्सीहीमोग्लोबिन ऑक्सीजन छोड़कर हीमोग्लोबिन बन जाता है।
डिसोसिएशन वक्र का सिग्मॉइड आकार हीमोग्लोबिन से ऑक्सीजन के बंधन के कारण होता है। जैसे ही पहला ऑक्सीजन अणु हीमोग्लोबिन से बंधता है, यह दूसरे ऑक्सीजन अणु के बंधन के लिए आकर्षण बढ़ा देता है। बाद में, हीमोग्लोबिन और अधिक ऑक्सीजन को आकर्षित करता है।
12. क्या आपने हाइपॉक्सिया के बारे में सुना है? इसके बारे में जानकारी इकट्ठा करने की कोशिश करें और अपने दोस्तों के साथ चर्चा करें।
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उत्तर
हाइपॉक्सिया एक ऐसी स्थिति है जिसमें फेफड़ों में ऑक्सीजन की अपर्याप्त या घटी हुई आपूर्ति होती है। यह कई बाहरी कारकों जैसे $pO_2$ में कमी, अपर्याप्त ऑक्सीजन आदि के कारण होता है। विभिन्न प्रकार की हाइपॉक्सिया नीचे चर्चा की गई हैं।
हाइपॉक्सेमिक हाइपॉक्सिया
इस स्थिति में, धमनी रक्त में ऑक्सीजन के आंशिक दबाव के कम होने के कारण रक्त में ऑक्सीजन की मात्रा में कमी आती है।
अरक्तता-जन्य हाइपॉक्सिया
इस स्थिति में, हीमोग्लोबिन की सांद्रता में कमी आती है।
स्थगनात्मक या इस्कीमिक हाइपॉक्सिया
इस स्थिति में, खराब रक्त परिसंचरण के कारण रक्त में ऑक्सीजन की मात्रा में कमी आती है। यह तब होता है जब व्यक्ति लंबे समय तक ठंडे तापमान के संपर्क में रहता है।
हिस्टोटॉक्सिक हाइपॉक्सिया
इस स्थिति में, ऊतक ऑक्सीजन का उपयोग करने में असमर्थ होते हैं। यह कार्बन मोनोऑक्साइड या सायनाइड विषाक्तता के दौरान होता है।
13. अंतर बताइए
(a) IRV और ERV
(b) श्वासन क्षमता और श्वासोच्छवास क्षमता।
(c) जीवन क्षमता और कुल फेफड़ों की क्षमता।
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उत्तर
(a)
| श्वासन आरक्षित आयतन (IRV) | श्वासोच्छवास आरक्षित आयतन (ERV) |
|---|---|
| 1. यह सामान्य श्वास के बाद श्वास ली जा सकने वाली अधिकतम वायु की मात्रा है। | 1. यह सामान्य श्वासोच्छवास के बाद श्वासोच्छवास की जा सकने वाली अधिकतम वायु की मात्रा है। |
| 2. यह मानव फेफड़ों में लगभग 2500 से 3500 मिलीलीटर होता है। | 2. यह मानव फेफड़ों में लगभग 1000 से 1100 मिलीलीटर होता है। |
(b)
| श्वास क्षमता (IC) | उच्छ्वास क्षमता (EC) |
|---|---|
| 1. यह वायु की वह मात्रा है जो सामान्य उच्छ्वास के बाद श्वास ली जा सकती है। | 1. यह वायु की वह मात्रा है जो सामान्य श्वास के बाद उच्छ्वासित की जा सकती है। |
| 2. इसमें ज्वारीय आयतन और श्वास रिज़र्व आयतन शामिल होते हैं। | 2. इसमें ज्वारीय आयतन और उच्छ्वास रिज़र्व आयतन शामिल होते हैं। |
| $IC=TV+IRV$ | $EC=TV+ERV$ |
(c)
| जीवन क्षमता (VC) | कुल फेफड़ा क्षमता (TLC) |
|---|---|
| 1. यह वायु की अधिकतम मात्रा है जो अधिकतम श्वास के बाद उच्छ्वासित की जा सकती है। इसमें IC और ERV शामिल होते हैं। | 1. यह फेफड़ों में अधिकतम श्वास के बाद वायु की मात्रा है। इसमें IC, ERV और अवशेष आयतन शामिल होते हैं। |
| 2. यह मानव फेफड़ों में लगभग 4000 mL होती है। | 2. यह मानव फेफड़ों में लगभग 5000 से 6000 mL होती है। |
14. ज्वारीय आयतन क्या है? एक स्वस्थ मानव के लिए एक घंटे में ज्वारीय आयतन (अनुमानित मान) ज्ञात कीजिए।
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उत्तर
ज्वारीय आयतन सामान्य श्वसन के दौरान श्वास ली गई या उच्छ्वासित वायु की मात्रा होती है।
यह प्रति मिनट लगभग 6000 से $8000 mL$ वायु होती है।
एक स्वस्थ मानव के लिए एक घंटे में ज्वारीय आयतन की गणना इस प्रकार की जा सकती है:
ज्वारीय आयतन $=6000$ से $8000 mL/$ मिनट
एक घंटे में ज्वारीय आयतन $=6000$ से $8000 mL \times(60 min)$ $=3.6 \times 10^{5} mL$ से $4.8 \times 10^{5} mL$
इसलिए, एक स्वस्थ मानव के लिए एक घंटे में ज्वारीय आयतन लगभग $3.6 \times 10^{5} mL$ से $4.8 \times 10^{5} mL$ होती है।
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