شارح الدرس: الجهاز التنفسي في الإنسان الأحياء • الصف الثاني الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف تركيب الرئتين، ونشرح كيف تكيَّفتَا من أجل تبادُل الغازات بكفاءة.

الرئتان عبارة عن عضوين إسفنجيَّين رقيقين، لا يمكنهما التحرُّك بأنفسهما. على الرغم من هذه الحقيقة، فإنهما في حركة دائمة؛ حيث تعملان على إدخال الهواء إلى أجسامنا وإخراجه منها طوال فترة حياتنا. توجد الرئتان داخل التجويف الصدري، وتحميهما عظام الهيكل العظمي. الرئة اليسرى أصغر قليلًا بالفعل من الرئة اليمنى؛ وذلك لتتكيَّف مع وجود القلب الذي يبعد قليلًا عن منتصف التجويف الصدري. لا يتوقَّف الأمر على وجود القلب والرئتين أحدها بالقرب من الآخَر فقط، ولكنَّ لها أيضًا وظائف مرتبطة ارتباطًا وثيقًا.

الرئتان هما العضوان الأساسيان في الجهاز التنفسي. الجهاز التنفسي هو جهاز يتكوَّن من أعضاء عديدة تعمل معًا لتؤدِّي وظيفة الحياة الأساسية ألا وهي عملية تبادُل الغازات. تتضمَّن عملية تبادُل الغازات في جسم الإنسان إدخال الأكسجين من الهواء الجوي إلى أجسامنا وإزالة ثاني أكسيد الكربون الزائد من الدم. الرئتان هما العضوان الأساسيان المسئولان عن عملية تبادُل الغازات، وتعملان بالتزامن مع أعضاء أخرى، وهو ما يسمح لهما بأداء هذه الوظيفة.

تُحاط الرئتان من الأمام ومن الخلف ومن الجانبين بقفص من العظام المُسطَّحة المنحنية تُسمَّى «الأضلاع». بين الأضلاع توجد طبقاتُ عضلاتٍ صفائحيةٌ تُسمَّى «العضلات الوربية». وهي عضلات تقع بين الأضلاع.

أسفل الرئتين توجد عضلة كبيرة رقيقة على شكل قبَّة تُسمَّى «الحجاب الحاجز»، وهي موضَّحة في الشكل 1. الحجاب الحاجز يفصل الأضلاع والأعضاء الأخرى الموجودة في التجويف الصدري عن المعدة والكبد والأعضاء الأخرى الموجودة في التجويف البطني.

تتَّصل الرئتان بالهواء الخارجي من خلال الفم وفتحتَي الأنف كما هو موضَّح في الشكل 2. يتَّصل الأنف والفم عند الجزء الخلفي من الحلق من خلال ممرٍّ يُسمَّى «البلعوم». عندما يمرُّ الهواء من الأنف إلى البلعوم يُرشَّح الهواء من الجسيمات الغريبة ويُرَطَّب. كما سنرى لاحقًا في هذا الشارح، من المهمِّ للغاية أن يكون الهواء رطبًا عندما يدخل الرئتين لكي تحدث عملية تبادُل الغازات.

ينفتح البلعوم، الذي ينقل الطعام والماء إلى المعدة عند البلع، من الأسفل في الحنجرة والمريء. تؤدِّي الحنجرة وظائف مهمَّة في البلع، وتحمينا من استنشاق الطعام. تُعتبَر الحنجرة أيضًا صندوق الصوت لنا لأنها تحتوي على الأحبال الصوتية التي تكون مهمَّة للغاية لإنتاج الأصوات أو الغناء.

الحنجرة هي الجزء العلوي من القصبة الهوائية التي تنقل الهواء من الرئتين وإليهما أثناء التنفس. المريء والقصبة الهوائية موازيان أحدهما للآخَر، ولهما تركيبان مختلفان تمامًا. يتكوَّن المريء من عضلات تنقبض في صورة موجات لدفع الطعام لأسفل، في حين أن القصبة الهوائية هي أنبوب أكثر صلابة يتكوَّن من غضاريف، مثل الأنف، بحيث لا ينهار ويظلُّ مفتوحًا طوال الوقت.

للحفاظ على مرونة القصبة الهوائية تنتظم غضاريفها في صورة تَتَابُعٍ من الحلقات التي تشبه الحرف C. عند فتحة كل حلقة توجد مجموعة من العضلات يمكن أن تنقبض لتضييق الحلقة؛ الأمر الذي يكون مطلوبًا، على سبيل المثال، عند السعال. يمكنك أن ترى ذلك في مخطَّط المقطع العرضي الموضَّح في الشكل 2. السطح الداخلي للقصبة الهوائية مُبطَّن بنسيج تنفسي طلائي، وهو عبارة عن بطانة تُكوِّن أهدابًا على سطح القصبة الهوائية الداخلي وتحتوي على غدد تُفرِز مخاطًا. تساعد هذه الأهداب على التقاط الجسيمات أو مُسبِّبات الأمراض من الهواء الذي يمرُّ عليها، وترطيبه. تتحرَّك الأهداب باستمرار لتُحرِّك المخاط نحو البلعوم؛ حيث يمكن بلعه والتخلُّص منه.

في أسفل الصدر، كما ترى في الشكل 3، تتفرَّع القصبة الهوائية إلى فرع أيمن وفرع أيسر يُسمَّيان «الشعبتين الهوائيتين» (مفردها: شعبة هوائية). تصل الشعبتان الهوائيتان القصبة الهوائية بكلٍّ من الرئتين. داخل الرئتين تتفرَّع الشعبة الهوائية إلى المزيد من الأوعية الأصغر والأصغر التي تُسمَّى «الشعيبات الهوائية».

في نهاية هذه الشعيبات الهوائية توجد تراكيب صغيرة على شكل أكياس تُسمَّى «الحويصلات الهوائية»، وهي التي تمثِّل موقع حدوث عملية تبادُل الغازات في الرئتين. من المثير للدهشة أنه يوجد حوالي 600 مليون حويصلة هوائية في كل رئة لدى الإنسان.

مثال ١: تحديد تراكيب الجهاز التنفسي على رسم توضيحي

يُظهِر الرسم التوضيحي المُبيَّن مخطَّطًا أساسيًّا للرئتين في الإنسان، مع تكبير بعض الأجزاء.

1. أيُّ رقم يشير إلى القصبة الهوائية؟
2. أيُّ رقم يشير إلى الحويصلات الهوائية؟

الحل

هذا السؤال يقدِّم لنا رسمًا توضيحيًّا تشريحيًّا للجهاز التنفسي في الإنسان، ويطلب منَّا تحديد جزأين؛ القصبة الهوائية والحويصلات الهوائية. من أجل الإجابة عن هذا السؤال علينا أولًا تذكُّر وظائف القصبة الهوائية والحويصلات الهوائية ووَصْف تركيبهما. بعد ذلك سنسمِّي الأجزاء المناظرة في الرسم التوضيحي التي تتناسب مع وصفنا للصورة.

القصبة الهوائية هي أنبوب صلب يصل الرئتين بالفم والأنف. تُسمَّى بـ «القصبة الهوائية» لأنها ممرٌّ أنبوبي كبير ينقل الهواء المُتحرِّك. إذا ضغطتَ بيدك على الجانب الأمامي لعنقك فسوف تشعر بسهولة بالقصبة الهوائية. في الصدر، بالقرب من الرئتين، تتفرَّع القصبة الهوائية إلى شعبتين تتفرَّعان بدورهما أكثر إلى ممرَّات أصغر وأصغر تُسمَّى «الشعيبات الهوائية».

أما الحويصلات الهوائية فهي مُركَّبات صغيرة من الأنسجة توجد عند نهاية أصغر الشعيبات الهوائية. إنها تظهر على شكل تجمُّع من فقاعات الصابون أو عنقودِ عنبٍ. الحويصلات الهوائية عبارة عن أكياسٍ جدرانها رقيقة مملوءة بالهواء، وهي موقع حدوث عملية تبادُل الغازات في الرئتين. إنها محاطة بشعيرات دموية أيضًا. الشعيرات الدموية عبارة عن أوعية دموية لها جدران رقيقة للغاية أيضًا. ينتشر ثاني أكسيد الكربون من الدم إلى الحويصلات الهوائية ليتخلَّص الجسم منه أثناء الزفير. ينتشر الأكسجين القادم من الهواء إلى الدم من خلال الحويصلات الهوائية لتمتصَّه خلايا الدم الحمراء التي تنقله إلى جميع أجزاء الجسم.

ها هو الشكل الموضَّح في السؤال. أُشِيرَ إلى التراكيب الأربعة بأسمائها.

باستخدام هذه المعلومات يمكن أن نرى أن رقم 4 يشير إلى القصبة الهوائية، ورقم 2 يشير إلى الحويصلات الهوائية.

الآن، لنلقِ نظرة على الآليَّات التي يُعتمَد عليها في تدفُّق الهواء من الجهاز التنفسي وإليه بالاستعانة بالشكل 4.

عندما نأخذ نفسًا تنقبض العضلات الوربية، وترتفع الأضلاع لأعلى وللخارج. ينقبض أيضًا الحجاب الحاجز، وهو ما يجعله مسطَّحًا وينجذب لأسفل. هذا يجعل الرئتين الإسفنجيتين الرقيقتين تتمدَّدان وتتَّسعان لأن الفراغ داخل القفص الصدري أصبح أكبر. لعلك تتذكَّر أن الغازات تتدفَّق من المناطق ذات الضغط المرتفع إلى المناطق ذات الضغط المنخفض، تمامًا مثل السوائل. عندما تتَّسع الرئتان يزيد حجمهما، وهذا ما يجعل الضغط داخلهما منخفضًا. نظرًا لأن الضغط داخل الرئتين الآن أقل من الضغط خارج الجسم فإن الهواء سيتدفَّق من خارج الجسم إلى داخل الأنف، وينزل عبر القصبة الهوائية ثم إلى داخل الرئتين. تُعرَف هذه الحركة بـ «الشهيق».

عندما نُخرِج نفسًا تنبسط العضلات الوربية، وتتحرَّك الأضلاع إلى الأسفل وللداخل. ينبسط الحجاب الحاجز كذلك، الأمر الذي يجعله يندفع لأعلى مرة أخرى. هذا يجعل الرئتين أصغر حجمًا لأن التجويف الصدري أصبح أصغر. تنكمش الرئتان، وهو ما يقلِّل حجمهما، الأمر الذي يؤدِّي إلى زيادة الضغط داخلهما. بما أن الضغط داخل الرئتين الآن أعلى من ضغط الهواء خارج الجسم فإن هذه الحركة تدفع الهواء إلى خارج الرئتين، ويصعد عبر القصبة الهوائية، ثم يخرج من الأنف للهواء. هذه الحركة نسمِّيها «الزفير». إذا وضعتَ يدك على الجزء السفلي من صدركَ وأخذتَ نفسًا عميقًا وأخرجتَه فستتمكَّن من الشعور باتِّساع تجويفك الصدري وانقباضه خلال عملية الشهيق والزفير.

مثال ٢: وصف آليَّة الزفير

يوضِّح الشكل مخطَّطًا بسيطًا للرئتين خلال عملية الزفير (إخراج الهواء من الرئتين).

1. أكمل العبارة باستخدام: «لأعلى» أو «لأسفل»: عندما يقوم شخص بعملية الزفير، يتحرَّك الحجاب الحاجز .
2. أكمل العبارة باستخدام: «إلى الداخل» أو «إلى الخارج»: عندما يقوم شخص بعملية الزفير، تتحرَّك الأضلاع .
3. أكمل العبارة: عندما يقوم شخص بعملية الزفير، حجم التجويف الصدري، و ضغط الهواء داخل الرئتين.

الحل

الرئتان عبارة عن عضوين إسفنجيَّين رقيقين لا يمكنهما التحرُّك من تلقاء أنفسهما. عندما نُخرِج نفسًا، أو أثناء الزفير، يعمل جهازنا التنفسي وما يتَّصل به من تراكيب معًا على دفع الهواء خارج الرئتين. لكي يحدث ذلك يجب أن تنكمش الرئتان، وهو ما يقلِّل حجمهما، وهذا يتسبَّب في زيادة الضغط داخلهما. ينتقل الهواء من المناطق ذات الضغط المرتفع إلى المناطق ذات الضغط المنخفض. عندما تنكمش الرئتان يصبح الضغط داخلهما أعلى من ضغط الهواء خارج الجسم. هذا ما يدفع الهواء خارج الرئتين، وعبر القصبة الهوائية لأعلى؛ ليخرج من الأنف إلى الهواء الخارجي. لكي تنكمش الرئتان يجب أن يصبح التجويف الصدري أصغر؛ الأمر الذي يغيِّر شكل الرئتين بداخله. ولكي يصبح التجويف الصدري أصغر تنبسط العضلات الوربية الموجودة بين الأضلاع، وهو ما يحرِّك الأضلاع إلى أسفل وللداخل. ينبسط الحجاب الحاجز أيضًا، وهو ما يجعله يتمدَّد إلى أعلى. يؤدِّي هذا إلى تقلُّص التجويف الصدري، وتنكمش الرئتان، الأمر الذي يزيد الضغط ويؤدِّي إلى حدوث الزفير.

1. عندما يقوم شخص بعملية الزفير يتحرَّك الحجاب الحاجز إلى أعلى.
2. عندما يقوم شخص بعملية الزفير تتحرَّك الأضلاع إلى الخارج.
3. عندما يقوم شخص بعملية الزفير يقلُّ حجم التجويف الصدري، ويزيد ضغط الهواء داخل الرئتين.

الرئتان عبارة عن عضوين مُعقَّدين مُهيَّئين للسماح للأكسجين القادم من الهواء بالانتشار بسرعة وبفعالية داخل الدم، وكذلك للسماح لثاني أكسيد الكربون الموجود في الدم بالانتشار بسرعة وفعالية للخروج إلى الهواء. لكن لماذا تُعتبَر عملية تبادُل الغازات ضرورية على الإطلاق؟ حسنًا، تحتاج خلايا الجسم إلى أكسجين لتوليد طاقة خلوية من خلال عملية تُسمَّى «التنفس الخلوي». تُستخدَم هذه الطاقة الخلوية في أداء جميع وظائف الخلايا، وهو ما يبقيها على قيد الحياة؛ الأمر الذي بدوره يبقينا على قيد الحياة. يستهلك التنفس الخلوي كمية كبيرة من الأكسجين، ويُنتِج ثاني أكسيد الكربون باعتباره ناتجًا ثانويًّا. إذا تراكم ثاني أكسيد الكربون داخل أجسامنا فسيكون هذا ضارًّا للغاية، لذلك لا بد من التخلُّص منه من أجسامنا على صورة فضلات.

الهواء المحيط بنا عبارة عن خليط من الغازات كما هو موضَّح في الشكل 5. إنه يتكوَّن من حوالي من غاز النيتروجين، و من غاز الأكسجين، و من غاز ثاني أكسيد الكربون. أما نسبة الـ تقريبًا المتبقية فإنها تظلَّ خليطًا من غاز الأرجون وبخار الماء وبعض الغازات الأخرى. على الرغم من أن النسبة الكبيرة من الهواء الذي نتنفَّسه نيتروجين فإن تركيز الأكسجين به مرتفع نسبيًّا، وتركيز ثاني أكسيد الكربون منخفض للغاية. هذا مهمٌّ في عملية التنفس لأن عملية تبادُل الغازات في الرئتين تحدث عن طريق الانتشار.

قد تتذكَّر أن الانتشار هو حركة الجزيئات من المناطق ذات التركيز المرتفع إلى المناطق ذات التركيز المنخفض. يُطلَق على الفرق في التركيز «تدرُّج التركيز»، وتتحرَّك الجزيئات دائمًا إلى أسفل تدرُّج التركيز أثناء عملية الانتشار. هذا المفهوم موضَّح بيانيًّا في الشكل 6. عملية الانتشار عملية سلبية، وتحدث تلقائيًّا دون الحاجة إلى مُدخِلات طاقة إضافية.

عندما نأخذ نفسًا يتدفَّق الهواء الغني بالأكسجين إلى داخل الرئتين. الدم الذي يدخل الرئتين يحتوي على تركيز منخفض جدًّا من الأكسجين، وتركيز مرتفع نسبيًّا من ثاني أكسيد الكربون. نظرًا لأن تركيز الأكسجين في الهواء أعلى من تركيزه في الدم سينتشر الأكسجين أسفل اتجاه تدرُّج التركيز من الهواء إلى الدم.

بالإضافة إلى ذلك تركيز ثاني أكسيد الكربون في الدم أعلى من تركيزه في الهواء داخل الرئتين. هذا يتسبَّب في انتشار ثاني أكسيد الكربون أسفل اتجاه تدرُّج التركيز والخروج من الدم. أثناء الزفير يتخلَّص الجسم من ثاني أكسيد الكربون، الذي ينتشر خارج الدم، على صورة فضلات.

تحدث عملية تبادُل الغازات هذه، أي دخول الأكسجين للدم وخروج ثاني أكسيد الكربون منه، داخل الرئتين في تراكيب مُتخصِّصة صغيرة تُسمَّى «الحويصلات الهوائية». تنتهي كل شعيبة هوائية صغيرة للغاية داخل الرئتين بتجمُّعٍ من الأكياس الشبيهة بالفقاعات تُسمَّى «الحويصلات الهوائية». تتكوَّن هذه الحويصلات الهوائية من نسيج طلائي رقيق للغاية. من الخارج تُحاط الحويصلات الهوائية بالكامل تقريبًا بأوعية دموية صغيرة تُسمَّى «الشعيرات الدموية». هذه الأوعية الدموية أيضًا لها جدران رقيقة للغاية. يبلغ سُمك الحاجز بين الهواء والدم الذي تكوِّنه الخلايا في جدران الحويصلات الهوائية والأوعية الدموية حوالي 2 جزء من المليون من المتر. قطر الشعيرات الدموية صغير للغاية لدرجة أن خلايا الدم الحمراء، أو كريات الدم الحمراء، الموجودة داخلها يجب أن تمرَّ خلالها واحدة تلو الأخرى.

ونظرًا لأن جدران الشعيرات الدموية والحويصلات الهوائية رقيقة للغاية فإن ثاني أكسيد الكربون الموجود في الدم يمكنه أن ينتشر خارج الدم بسرعة. لهذا السبب نفسه ينتشر الأكسجين بفعالية في الدم؛ حيث تمتصُّه خلايا الدم الحمراء. لخلايا الدم الحمراء بروتين خاصٌّ يُسمَّى «الهيموجلوبين»، وهو الذي يساعد هذه الخلايا في نقل الأكسجين من الرئتين إلى أنسجة الجسم التي تحتاج إليه.

بالإضافة إلى الجدران الرقيقة التي تقصِّر المسافة خلال عملية الانتشار، فإن الحويصلات الهوائية لديها أوجه تكيُّف أخرى تسمح بالتبادُل الفعَّال للغازات بين الدم والهواء الجوي.

أولًا، عدد الحويصلات الهوائية كبير جدًّا. تركيبها الذي يشبه الفقاعات يزيد من مساحة السطح المتاحة لعملية تبادُل الغازات داخل الرئتين. لو مددنا أسطح جميع الحويصلات الهوائية الموجودة في كِلا الرئتين على سطح مستوٍ فسوف تغطِّي مساحة ملعب تنس. تسمح مساحة السطح الكبيرة هذه بحدوث المزيد من عمليَّات انتشار الغازات.

ثانيًا، الدم في الشعيرات الدموية يتحرَّك باستمرار من الرئتين وإليهما مع كل ضربة من ضربات القلب. يُنقَل الدم المُؤكسَج من الرئتين بسرعة، ويتمُّ إحلال دم غير مُؤكسَج محلَّه. هذا يسمح ببقاء تدرُّج التركيز بين الدم والهواء منحدرًا قدر الإمكان. يزيد انحدار تدرُّج التركيز بين الدم والهواء الجوي من معدَّل انتشار الغازات من الدم وإليه.

وأخيرًا، تكون الأسطح الداخلية للممرَّات الهوائية والأسطح الداخلية للرئتين كلها رطبة لكي تُشَبِّع الهواء ببخار الماء. يلعب بخار الماء هذا دورًا وقائيًّا مهمًّا على السطح الرقيق جدًّا للحويصلات الهوائية. إنه يحميها من الجفاف ويقلِّل التوتر السطحي؛ الأمر الذي يمنع انهيار الحويصلات الهوائية. يخرج بخار الماء هذا جزئيًّا خلال الزفير، وهو ما يؤدِّي إلى فقدان أجسامنا ربع كمية الماء التي نتناولها يوميًّا خلال التنفس.

ونتيجةً للتنفس الخلوي تحتاج خلايا الجسم باستمرار إلى الأكسجين، وتُنتِج باستمرار ثاني أكسيد الكربون. يسمح عمل الرئتين لأجسامنا بالتخلُّص بفعالية من فضلات ثاني أكسيد الكربون الذي تُنتِجه الخلايا، وإعادة توفير الأكسجين بسرعةٍ حال استهلاكه.

هيا نراجع ما تعلَّمناه عن الجهاز التنفسي في الإنسان في هذا الشارح.