انتشار گازها؛ عبور O₂ از کیسه‌های هوایی به خون و CO₂ از خون به کیسه‌ها

انتشار گازها: سفری شگفت‌انگیز برای اکسیژن و دی‌اکسید کربن

ساختار ریه و دستگاه تنفس

ریه‌های شما شبیه دو اسفنج بزرگ هستند که در قفسهٔ سینه قرار دارند. وقتی نفس می‌کشید، هوا از طریق نای وارد نایژه‌ها و سپس نایژک‌ها می‌شود تا در نهایت به کیسه‌های هوایی⁵ برسد. این کیسه‌ها ساختارهای کوچک و نازکی هستند که شبیه خوشه‌های انگور می‌مانند و محل اصلی مبادلهٔ گازها هستند.

دور تا دور این کیسه‌های هوایی را مویرگ‌های خونی بسیار باریکی فراگرفته‌اند. دیوارهٔ کیسه‌های هوایی و دیوارهٔ مویرگ‌ها вместе بسیار نازک هستند (ضخامتی کمتر از یک سلول!) که این امر باعث می‌شود گازها به راحتی بین آنها رد و بدل شوند.

انتشار گازها چگونه رخ می‌دهد؟

مهم‌ترین اصل در این فرآیند، پدیده‌ای فیزیکی به نام انتشار⁶ است. مولکول‌های گاز به‌طور طبیعی از ناحیه‌ای با غلظت بیشتر به ناحیه‌ای با غلظت کمتر حرکت می‌کنند، درست مانند زمانی که یک قطره رنگ در یک لیوان آب پخش می‌شود.

در ریه‌ها:

• هوای تازه‌ای که وارد کیسه‌های هوایی شده، غلظت بالایی از اکسیژن (O₂) دارد.
• خونی که به مویرگ‌های اطراف کیسه‌های هوایی می‌رسد، به دلیل مصرف اکسیژن توسط سلول‌های بدن، غلظت اکسیژن کمی دارد اما غلظت دی‌اکسید کربن (CO₂) در آن بالا است.

بنابراین، به‌طور طبیعی:

• اکسیژن از کیسه‌های هوایی (محل با غلظت بالا) به داخل خون در مویرگ‌ها (محل با غلظت پایین) انتشار می‌یابد.
• دی‌اکسید کربن از خون در مویرگ‌ها (محل با غلظت بالا) به داخل کیسه‌های هوایی (محل با غلظت پایین) انتشار می‌یابد تا با بازدم از بدن خارج شود.

سفر اکسیژن در خون: نقش هموگلوبین

اکسیژن به‌تنهایی نمی‌تواند به مقدار کافی در خون حل شود. اینجاست که سلول‌های قرمز خون و مولکول هموگلوبین⁷ به کمک می‌آیند. هموگلوبین پروتئینی در گلبول‌های قرمز است که عاشق اکسیژن است!

وقتی اکسیژن از دیوارهٔ کیسه‌های هوایی عبور می‌کند و وارد خون می‌شود، بلافاصله به هموگلوبین متصل می‌شود و ترکیبی به نام اکسی‌هموگلوبین را تشکیل می‌دهد. این ترکیب مانند یک تاکسی، اکسیژن را از ریه‌ها به تمام سلول‌های بدن می‌رساند.

واکنش اتصال اکسیژن به هموگلوبین را می‌توان به صورت زیر نشان داد: $\ce{Hb + 4O2 Hb(O2)4}$

انتقال دی‌اکسید کربن: بازگشت ضایعات

سلول‌های بدن برای تولید انرژی، مواد غذایی را می‌سوزانند و در این فرآیند، دی‌اکسید کربن به عنوان یک مادهٔ زائد تولید می‌کنند. اگر این گاز از بدن خارج نشود، مانند زباله‌ای که در خانه انباشته شود، سمی خواهد شد.

دی‌اکسید کربن به چند شکل در خون حمل می‌شود:

1. مقداری به‌طور مستقیم در پلاسمای خون حل می‌شود.
2. مقداری به هموگلوبین متصل می‌شود (البته به بخشی متفاوت از اکسیژن).
3. بیشتر آن به شکل یون بیکربنات⁸ (HCO₃⁻) درمی‌آید که حمل آن در خون بسیار آسان‌تر است.

وقتی خون حاوی CO₂ به مویرگ‌های اطراف ریه می‌رسد، تمام این فرآیندها برعکس می‌شوند. دی‌اکسید کربن از خون جدا شده، از دیوارهٔ مویرگ و کیسهٔ هوایی عبور می‌کند و آمادهٔ خروج از بدن با بازدم می‌شود.

یک روز در زندگی اکسیژن: مثالی عینی

بیایید سفر یک مولکول اکسیژن را از هوای آزاد تا یک سلول عضله در پای شما دنبال کنیم:

1. شما یک نفس عمیق می‌کشید. مولکول اکسیژن از بینی شما وارد شده، از نای و نایژک‌ها گذر می‌کند و به یک کیسهٔ هوایی می‌رسد.
2. به دلیل غلظت بالا در کیسهٔ هوایی و غلظت پایین در خون مجاور، از دیوارهٔ نازک عبور کرده و وارد یک مویرگ خونی می‌شود.
3. در آنجا به یک مولکول هموگلوبین در گلبول قرمز متصل می‌شود.
4. قلب شما این گلبول قرمز را مانند یک قایق پرسرعت، به سوی پایتان پمپاژ می‌کند.
5. در مویرگ‌های پای شما، غلظت اکسیژن در سلول‌های عضله که در حال فعالیت هستند بسیار پایین است. بنابراین اکسیژن از هموگلوبین جدا شده، از دیوارهٔ مویرگ عبور می‌کند و وارد سلول عضله می‌شود.
6. سلول عضله از این اکسیژن برای سوزاندن قند و تولید انرژی مورد نیاز برای دویدن شما استفاده می‌کند! در این فرآیند دی‌اکسید کربن تولید می‌شود که باید دفع شود.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

¹ انتشار گازها (Gas Exchange)
² ریه‌ها (Lungs)
³ اکسیژن (Oxygen)
⁴ دی‌اکسید کربن (Carbon Dioxide)
⁵ کیسه‌های هوایی (Alveoli)
⁶ انتشار (Diffusion)
⁷ هموگلوبین (Hemoglobin)
⁸ یون بیکربنات (Bicarbonate Ion)