अध्याय १७ श्वसन आणि वायूंची देवाणघेवाण उपक्रम

उत्तर

महत्त्वपूर्ण क्षमता म्हणजे जास्तीत जास्त श्वास घेतल्यानंतर बाहेर काढता येणारी हवेची कमाल मात्रा. मानवी शरीरात ती सुमारे ३.५ - ४.५ लिटर असते. ताजी हवा पुरवठा करण्याची आणि दूषित हवा बाहेर काढण्याची क्रिया सुलभ करून, ती ऊती आणि पर्यावरण यांच्यातील वायूंची देवाणघेवाण वाढवते.

उत्तर

सामान्य निःश्वासानंतर फुफ्फुसात राहिलेल्या हवेच्या प्रमाणाला कार्यात्मक अवशिष्ट क्षमता (FRC) म्हणतात. त्यात निःश्वास राखीव आकारमान (ERV) आणि अवशिष्ट आकारमान (RV) यांचा समावेश होतो. ERV म्हणजे सामान्य निःश्वासानंतर बाहेर काढता येणारी हवेची कमाल मात्रा. ती सुमारे $1000 mL$ ते $1500 mL$ असते. RV म्हणजे जास्तीत जास्त निःश्वासानंतर फुफ्फुसात राहिलेल्या हवेचे प्रमाण. ते सुमारे $1100 mL$ ते $1500 mL$ असते.

$\therefore FRC=ERV+RV$

$\cong 1500+1500$

$\cong 3000 mL$

मानवी फुफ्फुसांची कार्यात्मक अवशिष्ट क्षमता सुमारे २५०० - $3000 mL$ असते.

उत्तर

प्रत्येक कूपिका (अल्विओलस) अत्यंत पारगम्य आणि पातळ स्क्वॅमस एपिथेलियल पेशींच्या थरांपासून बनलेली असते. त्याचप्रमाणे, रक्त केशिकाही स्क्वॅमस एपिथेलियल पेशींच्या थरांच्या बनलेल्या असतात. प्राणवायू (ऑक्सिजन) युक्त हवा नाकाद्वारे शरीरात प्रवेश करते आणि कूपिकांपर्यंत पोहोचते. शरीरातून येणारे निर्वातित (कार्बन डायऑक्साइड युक्त) रक्त शिरांद्वारे हृदयापर्यंत नेले जाते. हृदय ते प्राणवायूकरणासाठी (ऑक्सिजनेशन) फुफ्फुसांकडे पंप करते. कूपिकांभोवती असलेल्या रक्त केशिका आणि कूपिकांमध्ये असलेल्या वायूंमध्ये $O_2$ आणि $CO_2$ ची देवाणघेवाण होते.

अशाप्रकारे, कूपिका हे वायूंच्या देवाणघेवाणीचे स्थान आहेत. दाब किंवा सांद्रतेतील फरकामुळे वायूंची देवाणघेवाण साध्या विसरणाद्वारे होते. कूपिका आणि केशिका यांच्यातील अडथळा पातळ असतो आणि वायूंचे विसरण उच्च आंशिक दाबाकडून निम्न आंशिक दाबाकडे होते. कूपिकांपर्यंत पोहोचणाऱ्या शिरारक्तात कूपिकीय हवेच्या तुलनेत $O_2$ चा आंशिक दाब कमी आणि $CO_2$ चा आंशिक दाब जास्त असतो. म्हणून, प्राणवायू रक्तात विसरतो. त्याचवेळी, कार्बन डायऑक्साइड रक्तातून बाहेर पडून कूपिकांमध्ये विसरतो.

उत्तर

प्लाझमा आणि लाल रक्तपेशी कार्बन डायऑक्साइडची वाहतूक करतात. कारण ते पाण्यात सहज विरघळणारे असते.

(१) प्लाझमाद्वारे:

सुमारे $7 %$ $CO_2$ प्लाझमाद्वारे विरघळलेल्या अवस्थेत वाहून नेले जाते. कार्बन डायऑक्साइड पाण्याशी संयोग करून कार्बोनिक आम्ल तयार करते.

$ CO_2+H_2 O \longrightarrow \underset{\text{(कार्बोनिक आम्ल)}}{H_2 CO_3} $

कार्बोनिक आम्ल तयार होण्याची प्रक्रिया मंद असल्याने, फक्त थोड्या प्रमाणात कार्बन डायऑक्साइडची वाहतूक या मार्गाने होते.

(२) लाल रक्तपेशींद्वारे (RBCs):

सुमारे २० - $25 %$ $CO_2$ कार्बॅमिनोहीमोग्लोबिनच्या रूपात लाल रक्तपेशींद्वारे वाहून नेले जाते. कार्बन डायऑक्साइड हीमोग्लोबिनच्या पॉलीपेप्टाइड साखळ्यांवरील अमीनो गटांशी बंधन करून कार्बॅमिनोहीमोग्लोबिन नावाचे संयुग तयार करते.

(३) सोडियम बायकार्बोनेटद्वारे:

सुमारे $70 %$ कार्बन डायऑक्साइड सोडियम बायकार्बोनेटच्या रूपात वाहून नेले जाते. $As^{2} CO_2$ रक्त प्लाझमामध्ये विसरते, त्यातील मोठा भाग विकर कार्बोनिक अॅनहायड्रेजच्या उपस्थितीत पाण्याशी संयोग करून कार्बोनिक आम्ल तयार करतो. कार्बोनिक अॅनहायड्रेज हे एक झिंक विकर आहे जे कार्बोनिक आम्लाची निर्मिती गतीवान करते. हे कार्बोनिक आम्ल बायकार्बोनेट $(HCO_3{ }^{-})$ आणि हायड्रोजन आयन $(H^{+})$ मध्ये विघटित होते.

$ CO_2+H_2 O \xrightarrow{\text{ कार्बोनिक अॅनहायड्रेज }} H_2 CO_3 $

$ \mathrm{H_2CO_3} \xrightarrow[\text{कार्बोनिक}]{\text{अॅनहायड्रेज}} + \mathrm{HCO_3^-} + \mathrm{H^+} $

उत्तर

(ii) $pO_2$ जास्त, $pCO_2$ कमी

वातावरणीय हवेतील प्राणवायूचा (ऑक्सिजनचा) आंशिक दाब कूपिकीय हवेतील प्राणवायूच्या आंशिक दाबापेक्षा जास्त असतो. वातावरणीय हवेत, $pO_2$ सुमारे $159 mm Hg$ असतो. कूपिकीय हवेत, ते सुमारे $104 mm Hg$ असते.

वातावरणीय हवेतील कार्बन डायऑक्साइडचा आंशिक दाब कूपिकीय हवेतील कार्बन डायऑक्साइडच्या आंशिक दाबापेक्षा कमी असतो. वातावरणीय हवेत, $pCO_2$ सुमारे $0.3 mmHg$ असतो. कूपिकीय हवेत, ते सुमारे $40 mm Hg$ असते.

उत्तर

डायाफ्राम आकुंचन पावते

श्वास घेणे किंवा इन्हलेशन म्हणजे बाहेरची हवा फुफ्फुसात आणण्याची प्रक्रिया. फुफ्फुस आणि वातावरण यांच्यात दाब प्रवणता निर्माण करून ही क्रिया केली जाते.

हवा फुफ्फुसात प्रवेश करते तेव्हा, डायाफ्राम उदर पोकळीकडे आकुंचन पावते, त्यामुळे श्वासात घेतलेली हवा समाविष्ट करण्यासाठी वक्ष पोकळीतील जागा वाढते.

बाह्य इंटरकॉस्टल स्नायूंच्या एकाचवेळी आकुंचनामुळे अँटेरोपोस्टीरियर अक्षामध्ये वक्ष कक्षाचे आकारमान वाढते. यामुळे बरगड्या आणि उरोस्थि बाहेरच्या दिशेने सरकतात, त्यामुळे डोर्सोव्हेंट्रल अक्षामध्ये वक्ष कक्षाचे आकारमान वाढते.

वक्ष आकारमानातील एकूण वाढीमुळे फुफ्फुसीय आकारमानातही तशीच वाढ होते. आता, या वाढीमुळे, अंतर्फुफ्फुसीय दाब वातावरणीय दाबापेक्षा कमी होतो. यामुळे बाहेरची हवा फुफ्फुसात प्रवेश करते.

उत्तर

मेंदूच्या मेड्युला प्रदेशात असलेले श्वसन ताल केंद्र हे प्रामुख्याने श्वसनाचे नियमन करण्यासाठी जबाबदार असते. न्यूमोटॅक्सिक केंद्र श्वास घेण्याचा दर कमी करण्यासाठी संकेत देऊन श्वसन ताल केंद्राद्वारे केलेल्या कार्यात बदल करू शकते.

श्वसन केंद्राजवळ असलेला रसायनसंवेदी प्रदेश कार्बन डायऑक्साइड आणि हायड्रोजन आयनांसाठी संवेदनशील असतो. हा प्रदेश नंतर त्या संयुगांना काढून टाकण्यासाठी निःश्वासाचा दर बदलण्यासाठी संकेत देतो.

कॅरोटिड धमनी आणि महाधमनीमध्ये असलेले ग्राही रक्तातील कार्बन डायऑक्साइड आणि हायड्रोजन आयनांची पातळी शोधतात. कार्बन डायऑक्साइडची पातळी वाढल्यानुसार, श्वसन केंद्र आवश्यक बदलांसाठी चेतातंतू प्रेरणा पाठवते.

उत्तर

$pCO_2$ प्राणवायूच्या (ऑक्सिजन) वाहतुकीत महत्त्वाची भूमिका बजावते. कूपिकेवर (अल्व्हिओलसमध्ये), कमी $pCO_2$ आणि उच्च $pO_2$ हे हीमोग्लोबिनची निर्मिती अनुकूल करते. ऊतींवर, उच्च $pCO_2$ आणि कमी $pO_2$ हे ऑक्सिहीमोग्लोबिनमधून प्राणवायूचे (ऑक्सिजनचे) विघटन अनुकूल करते. म्हणून, रक्तातील $pCO_2$ कमी झाल्याने हीमोग्लोबिनची प्राणवायूसाठी (ऑक्सिजनसाठी) आकर्षणशक्ती वाढते. त्यामुळे, प्राणवायू (ऑक्सिजन) रक्तात ऑक्सिहीमोग्लोबिनच्या रूपात वाहून नेला जातो आणि ऊतींवर त्यातून प्राणवायू (ऑक्सिजन) विघटित होतो.

उत्तर

उंची वाढल्याने वातावरणातील प्राणवायूची (ऑक्सिजनची) पातळी कमी होते. म्हणून, माणूस डोंगर चढताना, प्रत्येक श्वासाबरोबर कमी प्राणवायू (ऑक्सिजन) मिळवतो. यामुळे रक्तातील प्राणवायूचे (ऑक्सिजनचे) प्रमाण कमी होते. रक्तातील प्राणवायूचे (ऑक्सिजनचे) प्रमाण कमी झाल्याच्या प्रतिसादात श्वसन दर वाढतो. त्याचवेळी, रक्ताला प्राणवायूचा (ऑक्सिजनचा) पुरवठा वाढवण्यासाठी हृदयाच्या ठोक्यांचा दर वाढतो.

उत्तर

कीटकांमध्ये, वायूंची देवाणघेवाण एकत्रितपणे श्वासनलिका संस्था (ट्रॅकियल सिस्टम) म्हणून ओळखल्या जाणाऱ्या नलिकांच्या जाळ्याद्वारे होते. कीटकाच्या शरीराच्या बाजूंवरील लहान छिद्रांना श्वासरंध्रे (स्पायरॅकल्स) म्हणतात. प्राणवायू (ऑक्सिजन) युक्त हवा श्वासरंध्रांमधून प्रवेश करते. श्वासरंध्रे नलिकांच्या जाळ्याशी जोडलेली असतात. श्वासरंध्रांमधून, प्राणवायू (ऑक्सिजन) श्वासनलिकांमध्ये (ट्रॅकियामध्ये) प्रवेश करतो. येथून, प्राणवायू (ऑक्सिजन) शरीराच्या पेशींमध्ये विसरतो.

कार्बन डायऑक्साइडची हालचाल उलट मार्गाने होते. शरीराच्या पेशींमधून $CO_2$ प्रथम श्वासनलिकांमध्ये (ट्रॅकियामध्ये) प्रवेश करते आणि नंतर श्वासरंध्रांमधून शरीराबाहेर पडते.

उत्तर

प्राणवायू विघटन वक्र (ऑक्सिजन डिसोसिएशन कर्व्ह) हा प्राणवायूच्या (ऑक्सिजनच्या) विविध आंशिक दाबांवर ऑक्सिहीमोग्लोबिनच्या संतृप्ततेची टक्केवारी दर्शवणारा आलेख आहे.

हा वक्र प्राणवायूच्या (ऑक्सिजनच्या) विविध आंशिक दाबांवर ऑक्सिहीमोग्लोबिन आणि हीमोग्लोबिन यांचे समतोल दर्शवतो.

फुफ्फुसांमध्ये, प्राणवायूचा (ऑक्सिजनचा) आंशिक दाब जास्त असतो. म्हणून, हीमोग्लोबिन प्राणवायूशी (ऑक्सिजनशी) बंधन करून ऑक्सिहीमोग्लोबिन तयार करते.

ऊतींमध्ये प्राणवायूचे (ऑक्सिजनचे) प्रमाण कमी असते. म्हणून, ऊतींवर, ऑक्सिहीमोग्लोबिन हीमोग्लोबिन तयार करण्यासाठी प्राणवायू (ऑक्सिजन) सोडते.

विघटन वक्राचा सिग्मॉइड आकार हा हीमोग्लोबिनशी प्राणवायूचे (ऑक्सिजनचे) बंधन होण्यामुळे असतो. पहिले प्राणवायूचे (ऑक्सिजनचे) रेणू हीमोग्लोबिनशी बंधन करताच, दुसऱ्या प्राणवायू रेणूच्या (ऑक्सिजन रेणूच्या) बंधनासाठीची आकर्षणशक्ती वाढवते. त्यानंतर, हीमोग्लोबिन अधिक प्राणवायू (ऑक्सिजन) आकर्षित करते.

उत्तर

हायपॉक्सिया ही एक अशी स्थिती आहे ज्यामध्ये फुफ्फुसांना प्राणवायूचा (ऑक्सिजनचा) अपुरा किंवा कमी पुरवठा होतो. हे $pO_2$ मध्ये घट, अपुरा प्राणवायू (ऑक्सिजन) इत्यादी अनेक बाह्य घटकांमुळे होते. हायपॉक्सियाचे विविध प्रकार खाली चर्चा केले आहेत.

हायपॉक्सेमिक हायपॉक्सिया

या स्थितीत, धमनी रक्तातील प्राणवायूचा (ऑक्सिजनचा) आंशिक दाब कमी झाल्यामुळे रक्तातील प्राणवायूचे (ऑक्सिजनचे) प्रमाण कमी होते.

अॅनेमिक हायपॉक्सिया

या स्थितीत, हीमोग्लोबिनची सांद्रता कमी होते.

स्थिर किंवा इस्केमिक हायपॉक्सिया

या स्थितीत, रक्ताभिसरण खराब झाल्यामुळे रक्तातील प्राणवायूचे (ऑक्सिजनचे) प्रमाण कमी असते. जेव्हा एखाद्या व्यक्तीला दीर्घ काळ थंड तापमानात उघडे ठेवले जाते तेव्हा हे घडते.

हिस्टोटॉक्सिक हायपॉक्सिया

या स्थितीत, ऊती प्राणवायू (ऑक्सिजन) वापरण्यास असमर्थ असतात. कार्बन मोनॉक्साइड किंवा सायनाइड विषबाधा दरम्यान हे घडते.

उत्तर

(अ)

(ब)

(क)

उत्तर

ज्वारीय आकारमान (टायडल व्हॉल्यूम) म्हणजे सामान्य श्वासोच्छ्वासादरम्यान श्वासात घेतलेल्या किंवा सोडलेल्या हवेचे प्रमाण.

ते दर मिनिटाला सुमारे ६००० ते $8000 mL$ हवेचे असते.

निरोगी माणसासाठी तासाभरातील ज्वारीय आकारमानाची गणना खालीलप्रमाणे केली जाऊ शकते:

ज्वारीय आकारमान $=6000$ ते $8000 mL /$ प्रति मिनिट

तासाभरातील ज्वारीय आकारमान $=6000$ ते $8000 mL \times(60 min)$ $=3.6 \times 10^{5} mL$ ते $4.8 \times 10^{5} mL$

म्हणून, निरोगी माणसासाठी तासाभरातील ज्वारीय आकारमान अंदाजे $3.6 \times 10^{5} mL$ ते $4.8 \times 10^{5} mL$ असते.