بـــحــث مـــفـــصــل عـــ || الـجـهـاز الـتـنـفـسـي || ــــن
1. التنفس Respiration
تُعد عملية التنفس أحد أهم العمليات الحيوية التي تحدث في الكائنات الحية، فاستمرار الحياة منوط باستمرار هذه العملية. والتنفس ببساطة هو عملية إمداد خلايا الجسم المختلفة بالأكسجين ( O2 )، وتخليصها من ثاني أكسيد الكربون ( CO2 )، وبخار الماء.
فالأكسجين مهم لحرق الغذاء ، وإنتاج الطاقة اللازمة للعمليات الحيوية، وبالتالي ينتج عن توقف التنفس نقص إمداد الخلايا بالأكسجين، الأمر الذي يؤدي إلى موتها.
ويحدث تبادل الغازات بين الهواء الجوى والدم في الرئة عبر حاجز دقيق جداًّ لا يرى إلا بالمجاهر، ولهذا كان لابد أن ينقى الهواء الجوى من الشوائب والأتربة أولاً، ثم يرطب، ويُدَفَّأ قبل أن يصل إلى الحويصلات الهوائية. ولتحقيق ذلك، يمر الهواء عبر مسار طويل، فيبدأ من الأنف، ثم يمر بالبلعوم، فالحنجرة، فالقصبة الهوائية، فالشُعب وتفرعاتها. ويوجد في الأنف شعر دقيق يحجز الشوائب الكبيرة ومعظم الأتربة. وتمتلئ جدران المسار الهوائي بالأوعية الدموية التي تقوم بتدفئة الهواء، وبغدد تفرز مخاطاً تلتصق به الجراثيم. والخلايا الطلائية التي تبطن جدران المسار الهوائي تَكْتَسي بأهداب تدفع المخاط وبقية الشوائب إلى الخارج، فيتخلص منها الجسم أولاً بأول.
الأهداب الموجودة على الخلايا الطلائية المبطنة للجهاز التنفسي
والتنفس عملية لا غنى عنها، ليس فقط للتبادل الغازي، بل كذلك لتنظيم الوسط الكيميائي للدم، فلا يصير حَمْضياًّ أو قاعدياً. كما يُعد التنفس ضرورياًّ للقيام بعملية النطق، حيث يُعد الهواء الخارج من الرئتين بمثابة المادة الخام التي تتشكل منها الأصوات، والمقاطع اللغوية، من خلال عمليات معقدة، ومتزامنة غالباً. وإلى جانب ذلك، هناك عديد من الوظائف التي يقوم بها الجهاز التنفسي، مثل تنظيم درجة حرارة الجسم، وتصيد الجلطات وإذابتها. كما يقوم الجهاز التنفسي بإرسال المنبهات والمؤثرات الكيميائية إلى المخ، فيتحكم في ضغط الدم. كما أن بعض أجزاء الجهاز التنفسي لها وظائف حسية هامة، مثل حاسة الشم التي تقوم بها مستقبلات موجودة في الغشاء المخاطي المبطن للأنف.
والجهاز التنفسي محفوظ داخل القفص الصدري مدعماً بغضاريف، وذلك لحمايته، وإبقائه مفتوحاً، بحيث يسمح للهواء بحرية الدخول والخروج .
منظر عام للجهاز التنفسي
والتنفس عملية لاإرادية، يقوم بتنظيمها الجهاز العصبي اللاإرادي، ولذا فهي تستمر أثناء النوم. ويكون باندفاع الهواء داخل الرئتين، فيما يسمى بالشهيق Inspiration . ثم تتم عملية التبادل، ثم يخرج الهواء بعد ذلك محملاً بثاني أكسيد الكربون، فيما يسمى بالزفير Expiration .
في كل عملية شهيق يتنفس الإنسان 500 سم 3 من الهواء. وفي حالة الاستنشاق بعمق عقب القيام بمجهود عضلي مثلاً يتضاعف ذلك الرقم مرتين أو ثلاثاً ليصل إلى 1600 سم 3. ويُعد هذا الرقم متواضعاً جداًّ إذا ما قورن بما يستهلكه الحصان مثلاً؛ إذ يستهلك 6000 سم 3 في الحالة العادية، و12017 سم 3 عند بذل مجهود.
وكسائر وظائف الجسم الهامة، يكون تنظيم عملية التنفس الخارجي، والتحكم فيها، عن طريق الجهاز العصبي المركزي، فيبدأ التنفس بإشارة عصبية من مركز التنفس بالمخ لينبه عضلات التنفس والحجاب الحاجز، وعضلات ما بين الضلوع، الأمر الذي ينتج عنه تحريك القفص الصدري للخارج وإلى أعلى. ومع انقباض الحجاب الحاجز، يزداد تجويف القفص الصدري، وبالتالي يقل الضغط داخل الرئتين، فيندفع الهواء عن طريق الأنف والفم إلى داخل الرئتين لتعويض الفقد في الضغط، ويطلق على هذه العملية "الشهيق" .
عملية الشهيق
وبعد إتمام الشهيق، يرسل مركز التنفس إشارة أخرى، فتنبسط عضلات ما بين الضلوع، فيهبط القفص الصدري، ويرتخي الحجاب الحاجز، فيزداد الضغط داخل القفص الصدري، ويضغط على الرئة مؤدياً إلى خروج الهواء منها، ويطلق على هذه العملية "الزفير"،
عملية الزفير
ويستغرق الشهيق وقتاً أطول من الوقت الذي يستغرقه الزفير. وبين عمليتي الشهيق والزفير، توجد فترة توقف قصيرة يحدث فيها تبادل الغازات. ويكون معدل التنفس عند الرجل من 13 إلى 18 دورة في الدقيقة (المتوسط 16)، وعند المرأة من 15 إلى20 دورة في الدقيقة (المتوسط 18)، وتزداد هذه المعدلات في حالات بذل الجهد، وارتفاع درجة الحرارة، والانفعالات.
ويُقسم الجهاز التنفسي إلى قسمين رئيسيين، هما:
أ. القسم الذي يقوم بنقل الهواء من الوسط الخارجي إلى داخل الرئتين، ويُسمى "الممرات الهوائية".
ب. القسم الذي تتم فيه عملية تبادل الغازات، وهو الحويصلات الهوائية
2. الممرات الهوائية
تلعب الممرات الهوائية دوراً هاماً في عمليات التنفس؛ حيث تقوم بنقل الهواء الجوي من الخارج إلى الحويصلات الهوائية داخل الرئتين بعد تنقيته وتدفئته.
الممرات الهوائية عبارة عن قنوات معقدة التركيب، محكمة الإغلاق، وتتفاوت اتساعاً وضيقاً. فتكون أشد ما تكون اتساعاً عند الفم، والتجويف الفموي، والتجويف الأنفي، ثم تضيق كلما اتجهنا إلى الداخل، حتى تصل إلى الحويصلات الهوائية وهي أصغر الحجرات، وهي كذلك مرنة على نحو يتيح لها الانبساط والانقباض وفقاً للوظائف التي تُلمُّ بها، ففي أثناء عملية الشهيق، تنبسط هذه الممرات وتتسع إلى أقصى حد لتسهيل مرور الهواء، في حين تنقبض ويتناقص قطرها، بتأثير من ارتفاع الضغط داخل القفص الصدري، لتسهيل عملية إخراج الهواء.
أ. الأنف: Nose
تبدأ الممرات الهوائية بالأنف، الذي يتكون من كهف يشطره نصفين حاجز عظمي غضروفي يطلق عليه "الحاجز الأنفي" Nasal Septum ، ويفتح كل نصف من الأمام بثقب يسمى "المَنْخَر" Nostril ، يغطيه شعرٌ، يعمل على احتجاز جسيمات التراب الموجودة في الجو .
التجويفان الأنفي والبلعومي
ويُغطَّى الأنف من الخارج بالجلد الذي يمتد إلى الداخل، لكنه يتحول إلى غشاء مخاطي يحتوى على الخلايا الكأسية ( Goblet Cells ) التي تفرز مخاطاً تلتصق به الأجسام الغريبة الموجودة في الهواء الجوى المستنشق. ويُغطَّى الأنف من الداخل – كسائر أجزاء الجهاز التنفسي – بخلايا طلائية ذات أهداب متحركة، تعمل على طرد المخاط والأجسام الغريبة المحتجزة إلى الخارج، كما أن التواءات الأنف الداخلية، تكون بمثابة مصدات هوائية تقلل من اندفاع الهواء داخل الجهاز التنفسي. كما يوجد في الغشاء المبطن للأنف شعيرات دموية متفرعة، وعقد وريدية كبيرة تُكْسِب تجويف الأنف لونه الأحمر الزاهي المميز.
ويتصل تجويف الأنف بأربعة جيوب تسمى الجيوب الجار أنفية ( Paranasal Sinuses ). كما توجد في تجويف الأنف فتحة للكيس الدمعي تخرج منها الدموع الزائدة. ويُطِلُّ تجويف الأنف من الداخل على البلعوم الأنفي ( Nasopharynx ).
والأنف هو مكان حاسة الشم في جسم الإنسان. وتعتمد حاسة الشم على خلايا عصبية متحورة اسمها خلايا الشم ( Olfactory Cells ). وتوجد هذه الخلايا في منطقة يطلق عليها بصلة الشم ( Olfactory Region )، وتوجد في سقف التجويف الأنفي عند نهاية الجزء العلوي من الحاجز الأنفي .
لتجويف الأنفي
كما يوجد في منطقة الشم خلايا مستطيلة يطلق عليها اسم الخلايا الدعامية Supporting Cells . ويوجد في المنطقة نفسها العديد من الغدد الصغيرة يطلق عليها اسم غدد بومان Bowman Glands تفرز سائلاً زيتياً ذا خصائص فريدة، وفيه تذوب الجزيئات الغازية لمعظم المواد ذات الرائحة .
منطقة الشم
وتحتوي كل خلية من خلايا الشم على حوالي 5 أهداب تسمى "أهداب الشم" تحمل مستقبلات خاصة يطلق عليها "مستقبلات الرائحة"، حيث تقوم بتمييز الروائح المختلفة. وتعتمد حاسة الشم على مدى قابلية أبخرة هذه المادة للذوبان في سائل غدد بومان. ويعتقد العلماء أن تركيب جزيء المادة هو السبب في رائحتها المميزة، حيث يتعرف على هذا الجزيء مستقبل خاصّ به. وتشير أحدث الأبحاث إلى أنه يوجد أكثر من 1000 نوع مختلف من مستقبلات الرائحة، إلا أن كل خلية من خلايا الشم تحتوي على نوع واحد فقط من هذه المستقبلات.
ويولِّد اتحاد مستقبل الرائحة بجزيئه فرق جهد كهربي على جانبي غشاء خلايا الشم العصبية التي تنقلها عبر ألياف عصب الشم إلى مركز الشم في المخ، فيتعرف عليها، إلا أنه بعد فترة من بدء الشم يحدث تكيف فلا يستطيع الإنسان تمييز الرائحة. وتشير الأبحاث إلى أن آلاف الروائح التي يميزها الإنسان ما هي إلا تركيبات لسبع روائح أساسية فقط.
وجدير بالذكر أن حاستي الشم والتذوق يكمل بعضهما بعضاً، فهما يقومان بإحداث تأثير مزدوج على المخ، فيتعرف على الرائحة والمذاق في آن واحد. ولذلك عندما يصاب الإنسان بالبرد، يشعر وبفقدان الطعم المميز للأطعمة والأشربة المختلفة وتغيرها. والواقع أن ما يفقده الإنسان -في هذه الحالة- هي الرائحة المميزة لهذا الطعام وليس المذاق، ولكن المخ ربط بينهما فصارا متلازمين. وبالمثل إذا نفذ للأنف رائحة طعام، فإن براعم التذوق الموجودة في الفم تبدأ في الشعور بمذاق الأكل، وترسله للمخ، فيسيل اللعاب لذلك.
ب. البلعوم Pharynx
يلي الأنفَ تجويفٌ يلتقي فيه الجهازان: التنفسي، والهضمي، يطلق عليه "البلعوم"، ويعرف كذلك -عند العامة- بالزور. ويتكون البلعوم من ثلاثة أجزاء؛ البلعوم الأنفي، والبلعوم الفموي، والبلعوم الحنجري.
البلعوم الأنفي Nasopharynx : هو الجزء العلوي من البلعوم، ويقوم بنقل الهواء من تجويف الأنف إلى البلعوم الفموي، وتوجد فيه فتحة قناة استاكيوس التي تربط بين الأذن الوسطى والبلعوم فتحدث اتزاناً في الضغط على جانبي طبلة الأذن.
البلعوم الفموي Oropharynx : هو الجزء المشترك بين الجهاز الهضمي، والجهاز التنفسي، ويقوم بنقل الهواء المستنشق من البلعوم الأنفي إلى البلعوم الحنجري.
البلعوم الحنجري Laryngopharynx : هو الجزء الأخير من البلعوم، ويقوم بتوصيل الهواء إلى الحنجرة. ويفصل بين البلعوم الحنجري والحنجرة جزءٌ رخو غضروفي يطلق عليه "اللهاة" أو "لسان المزمار" Epiglottis يقوم بإغلاق الحنجرة في حالة مرور الغذاء، لمنعه من دخول القصبة الهوائية، كما أنه يساعد في تنظيم عملية السعال.
ج. الحنجرة Larynx
الحنجرة جسم أو صندوق غضروفي ، مهيأ بشكل خاص ليكون بمثابة صمام منظم لكمية الهواء الداخلة أو الخارجة أثناء عمليتي الشهيق والزفير. وتبقى الحنجرة مفتوحة إلا عند مرور الطعام والماء من الفم إلى المريء، فإنها تقفل بواسطة لسان المزمار الموجود بين آخر اللسان وبداية القصبة الهوائية. ويطلق على الحنجرة "صندوق الصوت"، وذلك لاحتوائها على الأحبال الصوتية المسؤولة عن إصدار الصوت.
منظر أمامي للحنجرة
ويدعِّم الحنجرةَ تسعةُ أجزاء من الغضاريف أهمها: الغضروف الدرقي والغضروف الحلقاني ..
الغضروف الدرقي Thyroid Cartilage يدعم الحنجرة من الأمام، ويتكون من شريحتين على شكل جناحين يلتقيان في الأمام ليكونا بروزاً يطلق عليه في الإنسان تفاحة آدم Adam’s Apple ، وهاتان الشريحتان تكونان جانبي الحنجرة، أما الغضروف الحلقاني Cricoid Cartilage ، فيقع أسفل الغضروف الدرقي.
منظر أمامي للحنجرة والقصبة الهوائية، موضحاً الدعامات الغضروفية
منظر خلفي للحنجرة والقصبة الهوائية، موضحاً الدعامات الغضروفية
ويضيق تجويف الحنجرة في مكانين عن طريق زوجين من الأربطة، يبرزان من الجوانب إلى داخل التجويف. الزوج العلوي من هذه الأربطة يطلق عليهما "الأحبال الصوتية الكاذبة" False Vocal Cords . أما الزوج السفلي من الأربطة، فيطلق عليهما "الأحبال الصوتية الحقيقية" True Vocal Cords .
وتُقسِّم الأحبال الصوتية الحنجرة إلى جزأين، الجزء العلوي يسمى الجزء الدهليزي، والجزء السفلي يسمى الجزء التنفسي
الأحبال الصوتية
د. الأحبال الصوتية Vocal Cords
ينشأ الصوت في منطقة المزمار الموجودة في الحنجرة، حيث توجد الأحبال الصوتية الحقيقية. وتوجد عضلات صغيرة متصلة بالأحبال الصوتية وبجدار المزمار. وهذه العضلات تنقبض، فتشد الأحبال الصوتية لتزداد حدة الصوت Tone ، أو تنبسط، فترتخي الأحبال الصوتية لتنخفض حدة الصوت.
وتأخذ الأحبال الصوتية أوضاعاً ثلاثة في عملية إنتاج الصوت:
(1) أن تنغلق انغلاقاً كاملاً؛ بحيث لا تسمح للهواء المتصاعد من الرئتين بالخروج، فيظل محتبساً خلف جدارها برهة قصيرة. ثم تفتح الأحبال الصوتية، فيندفع الهواء المنضغط خلفها محدثاً صوتاً ينتج في العربية صوت الهمزة.
(2) أن تنغلق انغلاقاً جزئياً، بحيث يضيق مجرى الهواء فيها، الأمر الذي يضطر الهواء المتدافع من الرئتين إلى الاحتكاك بجدارها الذي يتميز بحساسيته الشديدة، فتتذبذب الأحبال الصوتية محدثة صويتاً للهواء الخارج، فيصير الصوت الخارج في هذه الحالة صوتاً مجهوراً Voiced .
(3) أن تنفتح الأحبال الصوتية انفتاحاً كاملاً، فيخرج الهواء المتصاعد من الرئتين، فالقصبة الهوائية متجاوزاً الحنجرة، والأحبال الصوتية بحرية تامة؛ ودون احتكاك، ويكون الصوت الخارج في هذه الحالة صوتاً مهموساً Voiceless .
يعني هذا أن الهواء يكتسب صفة الصوتية عند الحنجرة، ثم يتنوع ويتشكل صوامت Consonants ، وحركات Vowels حسب وضع اللسان والأسنان والشفتين، ودرجة التقاء الأعضاء المتحركة بالأعضاء الثابتة داخل الفم. والأحبال الصوتية أسمك في الذكور منها في الإناث، وعلى هذا فالذكور لهم صوت أعمق وأخشن من صوت الإناث. وذلك نتيجة تأثير الهرمون الذكري "التستسترون" Testosterone .
هـ. القصبة الهوائية Trachea
بعد مروره من الأنف والبلعوم والحنجرة، يتجه الهواء نحو القصبة الهوائية، وهي عبارة عن مجرى واحد، لا يلبث أن ينشق إلى فرعين قرب عظمة القص ..
الرئتان وتفرعات الشعب الهوائية
وتتكون القصبة الهوائية من مجموعة من حلقات غضروفية تسمى غضاريف القصبة الهوائية Tracheal Rings تكون على هيئة دوائر غير كاملة، ويكون الجزء غير المدعم منها مواجهاً للمريء. وتتصل نهايتا كل غضروف بعضهما ببعض بواسطة عضلات ملساء. وتكمن أهمية هذه العضلات في أنها تعطي مساحة تسمح بتمدد المريء أثناء مرور الطعام، وفي الوقت نفسه تحافظ على استدارة القصبة الهوائية، فلا تنغلق أبداً، ضماناً لاستمرار عملية التنفس.
وتتفرع القصبة الهوائية إلى شعبتين هوائيتين يسرى، ويمنى Left and Right Bronchi ، ويتكون جدار كل شعبة من عضلات مدعمة بالغضاريف، وتغطى من الداخل بغشاء مخاطي، وأهداب متحركة. وتنقسم هاتان الشعبتان، داخل عمق الرئة حوالي 25 مرة، إلى ممرات أصغر منهما .. ويطلق على أول 10 انقسامات منها الشعيبات الثانوية Bronchioles ، أما باقي الانقسامات فهي أنابيب ميكروسكوبية يطلق عليها الشعيبات الهوائية. ويتكون جدار هذه الشعيبات الهوائية من عضلات ملساء فقط، وهي تُبطَّن من الداخل بغشاء مخاطي، وأهداب متحركة.
ويبطن القصبة الهوائية خلايا طلائية هُدْبية Ciliated Epithelial Cells . تتحرك هذه الأهداب لأعلى في اتجاه الأنف والفم، حيث تنقل المخاط وما يحمله من ذرات غبار وبكتيريا في اتجاه الفم. وعندما تصل إلى البلعوم تحدث عملية السعال، حيث يتخلص منه إما بالبصق وإما بالابتلاع.
وتكون هذه الأهداب أقرب ما يكون إلى الإصابة بالشلل حين تعرضها لبعض الغازات (مثل ثاني أكسيد الكبريت الموجود في دخان السجائر)، أو مواد أخرى كالكحول. وقد أفادت دراسة علمية أن التعرض لثاني أكسيد الكبريت المنبعث من سيجارة واحدة يكفي لشل حركة الأهداب لمدة ساعة كاملة، ليصبح خلالها الجهاز التنفسي مفتوحاً على مصراعيه لدخول الميكروبات بأنواعها. ويتضح من خلال ذلك سبب ارتفاع معدلات الإصابة بأمراض الجهاز التنفسي في المدخنين ومدمني الكحول.
ويتواجد تحت طبقة الخلايا الطلائية شبكة من الشعيرات الدموية الكثيفة جداً تقوم بترطيب الهواء وتدفئته قبل أن يدخل إلي الرئة، وبالتالي فهي تحافظ على رطوبة الطبقة الطلائية، وتجعل درجة حرارة الهواء الداخل إلى الرئة في درجة حرارة الجسم تقريباً.
و. الرئتان Lungs
الرئتان عبارة عن نسيج إسفنجي رخو يحتوي على الحويصلات الهوائية. وتحتوي كل رئة على حوالي 300 مليون حويصلة هوائية، تراوح قطر كل واحدة فيها ما بين 0.1 إلى 0.2 ملليمتر، وتمثل مساحة السطح لكل الحويصلات الهوائية حوالي 70 متراً مربعاً. ويحتوي الجسم على رئتين، يمنى ويسرى.
وتنقسم الرئة اليسرى بشق واحد إلى فصين، أما الرئة اليمنى فتنقسم بشقين إلى ثلاثة فصوص، ولذلك فإن الرئة اليمنى أكبر من اليسرى. ولمنع احتكاك الرئتين بالقفص الصدري، غلفتا بغشاء يسمى الغشاء البَلُّوري أو "البَلُّور" Pleura ، وهو غشاء ممتد من العمود الفقري إلى عظمة القص. ويتكون البَلُّور من طبقتين؛ الطبقة المواجهة للقفص الصدري، وتسمى البَلُّور الجداري Parietal Pleura ، والطبقة المواجهة للرئتين، وتسمى بالبَلُّور الحشوي Visceral Pleura ، وبين الطبقتين يوجد سائل لزج يسهل تمدد الرئتين وانكماشهما. كما يقوم الغشاء البَلُّوري كذلك بتثبيت الرئتين في جدار الصدر والحجاب الحاجز.
3. عملية التنفس وتبادل الغازات
وتنقسم عملية التنفس إلى مرحلتين:
أ. المرحلة الأولى: التنفس الخارجي، ويتمثل في عمليتي الشهيق والزفير، وتتم أثناءه عملية تبادل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون بين الدم والهواء الجوي داخل الرئتين، وفيها يتحول الدم غير المؤكسج إلى دم مؤكسج ، حيث تحاط الحويصلات الهوائية كلياً بالشعيرات الدموية ، ويحدث داخلها تبادل الغازات، وذلك عندما يتخلل أكسجين الهواء الجوي الموجود داخل الحويصلات الدم. وفي المقابل ينطلق ثاني أكسيد الكربون من الدم إلى هواء الحويصلات الهوائية. والغشاء المكون للحويصلات الهوائية والشعيرات الدموية يتكون من خلية واحدة، وعلى ذلك لا يتعدى سمك الجدارين معاً 0.0004 ملليمتر.
الحويصلة الهوائية، مكان حدوث تبادل الغازات بين الدم والهواء الجوي
ب. المرحلة الثانية: التنفس الداخلي، وهي عملية مماثلة للتنفس الخارجي، لكنها تكون على مستوى أنسجة الجسم والخلية، حيث تتم ثمة عملية تبادل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون، وفيها يتحول الدم المؤكسج إلى دم غير مؤكسج. فعندما يصل الدم المؤكسج إلى الخلايا، ينفذ الأكسجين خلال جدر الخلايا ليستخدم في العمليات الكيميائية والحيوية داخل الخلية. ونتيجة لعملية التمثيل الغذائي، يقل تركيز الأكسجين، وفي المقابل تزداد نسبة ثاني أكسيد الكربون الذي يخترق جدر الخلايا ليذهب إلى الدم ، فيذوب 5% منه في بلازما الدم، ويتحد 25% منه مع هيموجلوبين الدم بمساعدة بعض الإنزيمات الخاصة.
آلية تبادل الغازات في الجسم
أما الباقي (حوالي70%)، فيتحد مع الماء الموجود في خلايا الدم الحمراء ليكون حمض الكربونيك، وهو حمض غير ثابت، وبالتالي ينحل إلى أيون هيدروجين، وأيون البيكربونات. وعندما يصل الدم إلى الحويصلات الهوائية في الرئة، تحدث تفاعلات كيميائية، تؤدي إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون،الذي يتخلل جدر الحويصلات تاركاً الدم لينطلق في الزفير مع بخار الماء.
يتبع
بعد يوم
