گازهای تنفسی: سوخت حیات و مدیریت پسماند
گازهای اصلی در صحنهٔ تنفس چه هستند؟
هوایی که نفس میکشیم مخلوطی از گازهای مختلف است. اما تنها بخش کوچکی از این گازها در فرآیند تنفس[3] شرکت میکنند. دو بازیگر اصلی در این صحنه عبارتند از:
| نام گاز | نماد شیمیایی | درصد در هوای ورودی (دم) | درصد در هوای خروجی (بازدم) | نقش در تنفس |
|---|---|---|---|---|
| نیتروژن[4] | $N_2$ | 78% | 78% | نقش مستقیم ندارد اما به عنوان گاز حامل عمل میکند. |
| اکسیژن | $O_2$ | 21% | 16% | سوخت اصلی سلولها برای تولید انرژی. |
| دیاکسید کربن | $CO_2$ | 0.04% | 4% | پسماند سلولها که باید از بدن دفع شود. |
| گازهای نجیب و سایر | – | ~1% | ~1% | نقش قابلتوجهی ندارند. |
همانطور که در جدول دیده میشود، هنگام دم، اکسیژن وارد بدن میشود و هنگام بازدم، مقدار آن کاهش و مقدار دیاکسید کربن به طور چشمگیری افزایش مییابد. این تغییرات، اصل ماجرای تنفس است.
سفر اکسیژن و دیاکسید کربن در بدن انسان
تبادل این گازها در یک سفر منظم و چند مرحلهای انجام میشود. این سفر از بینی و دهان شروع و به میلیونها سلول کوچک بدن ختم میشود.
۱. دم و ورود به ریهها: با انقباض ماهیچهٔ دیافراگم[5]، هوا از طریق نای[6] به ریهها کشیده میشود. در انتهای نایژکها[7]، ساختارهای کوچک کیسهمانندی به نام آلوئول[8] قرار دارند. دیوارهٔ آلوئولها بسیار نازک است و توسط شبکهای از مویرگهای خونی[9] احاطه شدهاند.
۲. تبادل در آلوئولها: در اینجا، بر اساس پدیدهای به نام نفوذ[10]، گازها از محل پرتراکم به محل کمتراکم حرکت میکنند. اکسیژن هوای آلوئول (پرتراکم) به داخل خون مویرگها (کمتراکم) نفوذ میکند. در عین حال، دیاکسید کربن موجود در خون (پرتراکم) به داخل آلوئولها (کمتراکم) حرکت میکند. این تبادل را میتوان به شکل زیر نشان داد:
$O_2 (هوا) \rightarrow O_2 (خون)$ و $CO_2 (خون) \rightarrow CO_2 (هوا)$
۳. حمل و نقل توسط خون: اکسیژن توسط مولکولهای هموگلوبین[11] در گلبولهای قرمز خون، مثل واگنهای قطار، به تمام سلولهای بدن حمل میشود. دیاکسید کربن نیز به چند شکل در خون حل شده و به ریهها بازمیگردد.
۴. تبادل در سطح سلول و بازدم: در بافتها، اکسیژن از خون به سلولها داده میشود و دیاکسید کربن از سلولها به خون تحویل گرفته میشود. سپس خون به ریهها بازگشته و دیاکسید کربن در آلوئولها رها میشود. با بازدم و شل شدن دیافراگم، هوای غنی از $CO_2$ از بدن خارج میشود.
تنفس در جانوران و گیاهان: دو روی یک سکه
بسیاری فکر میکنند گیاهان فقط دیاکسید کربن جذب و اکسیژن تولید میکنند. اما این تصور نادرست است. گیاهان نیز مانند جانوران برای کسب انرژی، تنفس سلولی انجام میدهند و در این فرآیند اکسیژن مصرف کرده و دیاکسید کربن تولید میکنند.
| فرآیند | هدف اصلی | گاز مصرفی | گاز تولیدی | زمان انجام |
|---|---|---|---|---|
| تنفس سلولی (در همهٔ موجودات زنده) | تولید انرژی (ATP[12]) | $O_2$ | $CO_2$ | همیشه (شب و روز) |
| فتوسنتز[13] (فقط در گیاهان و برخی میکروبها) | تولید غذا (قند) و ذخیرهٔ انرژی | $CO_2$ | $O_2$ | فقط در روشنایی (روز) |
در طول روز، چون سرعت فتوسنتز بسیار بیشتر از تنفس است، مقدار اکسیژن خالص تولیدی گیاهان بسیار زیاد بوده و ما آن را به عنوان "تولید اکسیژن" میشناسیم. اما در شب که فتوسنتز متوقف میشود، گیاهان فقط تنفس کرده و مانند ما اکسیژن مصرف و دیاکسید کربن تولید میکنند. بنابراین گیاهان نیز هوایی که ما نفس میکشیم را "تنفس" میکنند.
وقتی تعادل گازها به هم میخورد: تأثیر فعالیت انسان
طبیعت برای میلیونها سال تعادل دقیقی بین تولید و مصرف این گازها برقرار کرده بود. اما فعالیتهای انسانی در دو قرن اخیر این تعادل را بر هم زده است. سوزاندن سوختهای فسیلی مانند نفت، گاز و زغالسنگ برای تولید انرژی، حملونقل و صنعت، مقدار بسیار زیادی $CO_2$ به جو زمین اضافه میکند. از سوی دیگر، جنگلزدایی، جمعیت "تصفیهکننده" طبیعی این گاز (یعنی درختان) را کاهش میدهد.
افزایش بیش از حد دیاکسید کربن و سایر گازهای مشابه در جو، مانند پتویی ضخیم عمل کرده و گرمای خورشید را در نزدیکی سطح زمین به دام میاندازد. این پدیده منجر به گرمایش جهانی و تغییرات اقلیمی میشود که اثرات آن را در آب شدن یخچالهای طبیعی، افزایش سطح آب دریاها، وقوع سیلها و خشکسالیهای شدید میبینیم.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: بله، گیاهان در شب نیز تنفس سلولی دارند و دیاکسید کربن تولید میکنند. اما مقدار $CO_2$ تولیدی توسط چند گلدان در یک اتاق معمولی با تهویهٔ نسبی، آنقدر ناچیز است که خطری برای انسان ندارد. خطر اصلی در فضاهای کاملاً دربسته و بسیار پر از گیاه (مانند گلخانههای بزرگ بدون تهویه) ممکن است ایجاد شود.
پاسخ: جالب است که محرک اصلی برای نفس کشیدن، معمولاً افزایش غلظت دیاکسید کربن در خون است، نه کاهش اکسیژن! وقتی نفس را حبس میکنید، $CO_2$ در خون جمع میشود. مراکز کنترل تنفس در مغز این افزایش را حس کرده و احساس "خفهشدن" و نیاز فوری به بازدم ایجاد میکنند. البته کاهش شدید اکسیژن نیز در نهایت باعث بیهوشی میشود.
پاسخ: فشار هوا در ارتفاعات بالا کمتر است. بنابراین اگرچه درصد اکسیژن هوا همچنان 21% است، اما تعداد مولکولهای اکسیژن در هر دم کمتر میشود. برای جبران این کمبود، بدن با افزایش تعداد و عمق تنفس (نفسنفس زدن) سعی میکند اکسیژن بیشتری را به سلولها برساند.
پاورقی
[1]اکسیژن (Oxygen): گازی بیبو و بیرنگ که برای سوختوساز هوازی و تولید انرژی در سلولها ضروری است. نماد شیمیایی: $O_2$.
[2]دیاکسید کربن (Carbon Dioxide): گازی که به عنوان محصول نهایی تنفس سلولی تولید میشود. نقش مهمی در فتوسنتز و تنظیم دمای زمین دارد. نماد شیمیایی: $CO_2$.
[3]تنفس (Respiration): در این مقاله عمدتاً به فرآیند تبادل گازها بین بدن و محیط (تنفس بیرونی) و فرآیند تولید انرژی در سلول با استفاده از اکسیژن (تنفس سلولی) اشاره دارد.
[4]نیتروژن (Nitrogen): گاز اصلی تشکیلدهندهٔ هوا. نماد شیمیایی: $N_2$.
[5]دیافراگم (Diaphragm): ماهیچهٔ گنبدی شکل در زیر ریهها که انقباض و انبساط آن باعث دم و بازدم میشود.
[6]نای (Trachea): لولهای که هوا را از حلق به ریهها هدایت میکند.
[7]نایژک (Bronchiole): شاخههای کوچک و انتهایی مجاری تنفسی در ریه.
[8]آلوئول (Alveoli): کیسههای هوایی میکروسکوپی در ریه که محل اصلی تبادل گازها هستند.
[9]مویرگ (Capillary): رگهای خونی بسیار باریک که اجازهٔ تبادل مواد بین خون و بافتها را میدهند.
[10]نفوذ (Diffusion): حرکت ذرات از ناحیهای با غلظت بالا به ناحیهای با غلظت پایین.
[11]هموگلوبین (Hemoglobin): پروتئین موجود در گلبولهای قرمز که به اکسیژن متصل شده و آن را حمل میکند.
[12]ATP (Adenosine Triphosphate): مولکول اصلی ذخیره و انتقال انرژی در سلولهای زنده.
[13]فتوسنتز (Photosynthesis): فرآیندی که در آن گیاهان با استفاده از انرژی نور خورشید، آب و دیاکسید کربن را به قند و اکسیژن تبدیل میکنند.
