الجهاز التنفسي

خذ نفسًا واحبسه. انتظر عدة ثوانٍ ثم أطلقه. البشر، عندما لا يبذلون جهدًا، يتنفسون حوالي 15 مرة في الدقيقة في المتوسط. هذا يعادل حوالي 900 نفس في الساعة أو 21,600 نفس في اليوم. مع كل شهيق، يملأ الهواء الرئتين، ومع كل زفير، يندفع خارجًا. يقوم هذا الهواء بأكثر من مجرد نفخ وتفريغ الرئتين في تجويف الصدر. يحتوي الهواء على الأكسجين الذي يعبر نسيج الرئة، ويدخل مجرى الدم، وينتقل إلى الأعضاء والأنسجة. هناك، يتم تبادل الأكسجين بثاني أكسيد الكربون، وهو مادة فضلات خلوية. يخرج ثاني أكسيد الكربون من الخلايا، ويدخل مجرى الدم، ويعود إلى الرئتين، ويُطرد من الجسم أثناء الزفير.

التنفس حدث إرادي ولا إرادي في آن واحد. يتم تنظيم عدد مرات التنفس وكمية الهواء المستنشق أو الزفير بواسطة مركز التنفس في الدماغ استجابة للإشارات التي يتلقاها حول محتوى ثاني أكسيد الكربون في الدم. ومع ذلك، من الممكن تجاوز هذا التنظيم التلقائي لأنشطة مثل التحدث والغناء والسباحة تحت الماء.

أثناء الشهيق، ينزل الحجاب الحاجز (diaphragm) مما يخلق ضغطًا سلبيًا حول الرئتين وتبدأ في الانتفاخ، ساحبة الهواء من خارج الجسم. يدخل الهواء الجسم عبر التجويف الأنفي (nasal cavity) الموجود داخل الأنف مباشرةً (شكل 16.9). عندما يمر الهواء عبر التجويف الأنفي، يتم تدفئة الهواء إلى درجة حرارة الجسم وترطيبه بالرطوبة من الأغشية المخاطية. تساعد هذه العمليات على موازنة الهواء مع ظروف الجسم، مما يقلل من أي ضرر يمكن أن يسببه الهواء البارد والجاف. تتم إزالة الجسيمات العالقة في الهواء في الممرات الأنفية بواسطة الشعر والمخاط والأهداب. كما يتم أخذ عينات كيميائية من الهواء بواسطة حاسة الشم.

من التجويف الأنفي، يمر الهواء عبر البلعوم (pharynx) (الحلق) والحنجرة (larynx) (صندوق الصوت) في طريقه إلى الرغامى (trachea) (شكل 16.9). الوظيفة الرئيسية للرغامى هي توجيه الهواء المستنشق إلى الرئتين والهواء الزفير خارج الجسم. الرغامى البشرية عبارة عن أسطوانة، يتراوح طولها بين 25 إلى 30 سم (9.8-11.8 بوصة)، وتقع أمام المريء وتمتد من البلعوم إلى تجويف الصدر وصولاً إلى الرئتين. تتكون من حلقات غير مكتملة من الغضاريف والعضلات الملساء. توفر الغضاريف القوة والدعم للرغامى للحفاظ على الممر مفتوحًا. الرغامى مبطنة بخلايا تحتوي على أهداب وتفرز المخاط. يلتقط المخاط الجسيمات التي تم استنشاقها، وتحرك الأهداب الجسيمات باتجاه البلعوم.

ينقسم طرف الرغامى إلى قصبتين تدخلان الرئة اليمنى واليسرى. يدخل الهواء الرئتين عبر القصبات الهوائية الرئيسية (primary bronchi). تنقسم القصبة الهوائية الرئيسية، مكونة قصبات هوائية (bronchi) أصغر فأصغر قطرًا حتى تصبح الممرات أقل من 1 مم (0.03 بوصة) في القطر عندما تسمى قصيبات هوائية (bronchioles) بينما تنقسم وتنتشر عبر الرئة. مثل الرغامى، تتكون القصبات الهوائية والقصيبات الهوائية من الغضاريف والعضلات الملساء. يتم تعصيب القصبات الهوائية بواسطة أعصاب الجهازين العصبيين الودي ونظير الودي التي تتحكم في انقباض العضلات (نظير الودي) أو استرخائها (الودي) في القصبات الهوائية والقصيبات الهوائية، اعتمادًا على إشارات الجهاز العصبي. القصيبات الهوائية النهائية هي القصيبات الهوائية التنفسية. ترتبط القنوات السنخية بنهاية كل قصيبة هوائية تنفسية. في نهاية كل قناة توجد أكياس سنخية، يحتوي كل منها على 20 إلى 30 حويصلة هوائية (alveoli). يحدث تبادل الغازات فقط في الحويصلات الهوائية. الحويصلات الهوائية رقيقة الجدران وتبدو كفقاعات صغيرة داخل الأكياس. تتصل الحويصلات الهوائية مباشرة بالشعيرات الدموية في الجهاز الدوري. يضمن هذا الاتصال الوثيق انتشار الأكسجين من الحويصلات الهوائية إلى الدم. بالإضافة إلى ذلك، سينتشر ثاني أكسيد الكربون من الدم إلى الحويصلات الهوائية ليتم زفيره. يؤكد الترتيب التشريحي للشعيرات الدموية والحويصلات الهوائية على العلاقة الهيكلية والوظيفية بين الجهازين التنفسي والدوري. تتراوح تقديرات مساحة سطح الحويصلات الهوائية في الرئتين حوالي 100 م². هذه المساحة الكبيرة تعادل مساحة نصف ملعب تنس تقريبًا. تسمح هذه المساحة السطحية الكبيرة، جنبًا إلى جنب مع طبيعة الخلايا السنخية رقيقة الجدران، بانتشار الغازات بسهولة عبر الخلايا.

ربط بصري

شكل 16.9 يدخل الهواء الجهاز التنفسي عبر التجويف الأنفي، ثم يمر عبر البلعوم والرغامى إلى الرئتين. (المصدر: تعديل لعمل NCI)

أي العبارات التالية حول الجهاز التنفسي البشري خاطئة؟

1. عندما نستنشق الهواء، ينتقل من البلعوم إلى الرغامى.
2. تتفرع القصيبات الهوائية إلى قصبات هوائية.
3. تتصل القنوات السنخية بالأكياس السنخية.
4. يحدث تبادل الغازات بين الرئتين والدم في الحويصلات الهوائية.

الجهاز الدوري

الجهاز الدوري عبارة عن شبكة من الأوعية—الشرايين والأوردة والشعيرات الدموية—ومضخة، وهي القلب. في جميع الكائنات الفقارية، هذا نظام مغلق، حيث يكون الدم منفصلاً إلى حد كبير عن الحيز الآخر للسائل خارج الخلوي في الجسم، وهو السائل الخلالي، الذي يغمر الخلايا. يدور الدم داخل الأوعية الدموية ويدور باتجاه واحد من القلب حول أحد مسارين دوريين، ثم يعود إلى القلب مرة أخرى؛ وهذا ما يسمى جهاز الدوران المغلق (closed circulatory system). توجد أجهزة الدوران المفتوحة (Open circulatory systems) في الحيوانات اللافقارية حيث يغمر السائل الدوري الأعضاء الداخلية مباشرةً حتى لو تم تحريكه بواسطة قلب ضخ.

القلب

القلب عضلة معقدة تتكون من مضختين: إحداهما تضخ الدم عبر الدورة الدموية الرئوية (pulmonary circulation) إلى الرئتين، والأخرى تضخ الدم عبر الدورة الدموية الجهازية (systemic circulation) إلى بقية أنسجة الجسم (والقلب نفسه).

القلب غير متماثل، حيث يكون الجانب الأيسر أكبر من الجانب الأيمن، وهو ما يتوافق مع الأحجام المختلفة للدورتين الرئوية والجهازية (شكل 16.10). في البشر، يبلغ حجم القلب تقريبًا حجم قبضة اليد؛ وهو مقسم إلى أربع حجرات: أذينان وبطينان. يوجد أذين (atrium) واحد وبطين واحد على الجانب الأيمن، وأذين واحد وبطين (ventricle) واحد على الجانب الأيسر. يستقبل الأذين الأيمن الدم غير المؤكسج من الدورة الدموية الجهازية عبر الأوردة الرئيسية: الوريد الأجوف العلوي (superior vena cava)، الذي يصرف الدم من الرأس ومن الأوردة القادمة من الذراعين، وكذلك الوريد الأجوف السفلي (inferior vena cava)، الذي يصرف الدم من الأوردة القادمة من الأعضاء السفلية والساقين. يمر هذا الدم غير المؤكسج بعد ذلك إلى البطين الأيمن عبر الصمام ثلاثي الشرف (tricuspid valve)، الذي يمنع رجوع الدم. بعد امتلائه، ينقبض البطين الأيمن، ضخًا للدم إلى الرئتين لإعادة الأكسجة. يستقبل الأذين الأيسر الدم الغني بالأكسجين من الرئتين. يمر هذا الدم عبر الصمام ثنائي الشرف (bicuspid valve) إلى البطين الأيسر حيث يتم ضخ الدم إلى الأبهر (aorta). الأبهر هو الشريان الرئيسي في الجسم، ينقل الدم المؤكسج إلى أعضاء وعضلات الجسم. يُشار إلى هذا النمط من الضخ بالدورة الدموية المزدوجة ويوجد في جميع الثدييات. (شكل 16.10).

ربط بصري

شكل 16.10 ينقسم القلب إلى أربع حجرات، أذينين وبطينين. كل حجرة مفصولة بصمامات أحادية الاتجاه. يستقبل الجانب الأيمن من القلب الدم غير المؤكسج من الجسم ويضخه إلى الرئتين. يضخ الجانب الأيسر من القلب الدم إلى بقية الجسم.

أي العبارات التالية حول الجهاز الدوري خاطئة؟

1. الدم في الوريد الرئوي غير مؤكسج.
2. الدم في الوريد الأجوف السفلي غير مؤكسج.
3. الدم في الشريان الرئوي غير مؤكسج.
4. الدم في الأبهر مؤكسج.

الدورة القلبية

الغرض الرئيسي للقلب هو ضخ الدم عبر الجسم؛ ويقوم بذلك في تسلسل متكرر يسمى الدورة القلبية. الدورة القلبية (cardiac cycle) هي تدفق الدم عبر القلب الذي يتم تنسيقه بواسطة إشارات كهروميكانيكية تسبب انقباض واسترخاء عضلة القلب. في كل دورة قلبية، تدفع سلسلة من الانقباضات الدم إلى الخارج، ضخًا له عبر الجسم؛ يتبع ذلك مرحلة استرخاء، حيث يمتلئ القلب بالدم. تسمى هاتان المرحلتان الانقباض (systole) والانبساط (diastole)، على التوالي (شكل 16.11). تبدأ إشارة الانقباض في موقع على السطح الخارجي للأذين الأيمن. تنتقل الإشارة الكهروميكانيكية من هناك عبر الأذينين مسببة انقباضهما. يدفع انقباض الأذينين الدم عبر الصمامات إلى البطينين. ينتج عن إغلاق هذه الصمامات بسبب انقباض البطينين صوت "لُب". تكون الإشارة، في هذا الوقت، قد انتقلت إلى أسفل جدران القلب، عبر نقطة بين الأذين الأيمن والبطين الأيمن. ثم تسبب الإشارة انقباض البطينين. تنقبض البطينان معًا دافعة الدم إلى الأبهر والشرايين الرئوية. ينتج عن إغلاق الصمامات لهذه الشرايين بسبب سحب الدم مرة أخرى نحو القلب أثناء استرخاء البطينين صوت "دُب" أحادي المقطع.

شكل 16.11 في كل دورة قلبية، تضخ سلسلة من الانقباضات (الانقباض) والاسترخاءات (الانبساط) الدم عبر القلب وعبر الجسم. (أ) أثناء الانبساط القلبي، يتدفق الدم إلى القلب بينما تكون جميع الحجرات مسترخية. (ب) ثم تظل البطينان مسترخيتين بينما يدفع الانقباض الأذيني الدم إلى البطينين. (ج) بمجرد استرخاء الأذينين مرة أخرى، يدفع الانقباض البطيني الدم خارج القلب.

يُعد ضخ القلب وظيفة لخلايا عضلة القلب، أو الخلايا العضلية القلبية، التي تشكل عضلة القلب. الخلايا العضلية القلبية هي خلايا عضلية مميزة مخططة مثل العضلات الهيكلية ولكنها تضخ بشكل إيقاعي ولا إرادي مثل العضلات الملساء؛ تتصل الخلايا المتجاورة بأقراص بينية توجد فقط في عضلة القلب. تسمح هذه الاتصالات للإشارة الكهربائية بالانتقال مباشرة إلى الخلايا العضلية المجاورة.

تنتج النبضات الكهربائية في القلب تيارات كهربائية تتدفق عبر الجسم ويمكن قياسها على الجلد باستخدام أقطاب كهربائية. يمكن ملاحظة هذه المعلومات على شكل مخطط كهربية القلب (electrocardiogram (ECG)) وهو تسجيل للنبضات الكهربائية لعضلة القلب.

الأوعية الدموية

يُحمل الدم من القلب عبر الجسم بواسطة شبكة معقدة من الأوعية الدموية (شكل 16.12). تنقل الشرايين (Arteries) الدم بعيدًا عن القلب. الشريان الرئيسي للدورة الدموية الجهازية هو الأبهر؛ يتفرع إلى شرايين رئيسية تنقل الدم إلى أطراف وأعضاء مختلفة. تحتوي الأبهر والشرايين القريبة من القلب على جدران سميكة ولكن مرنة تستجيب وتخفف فروق الضغط الناتجة عن ضربات القلب. تحتوي الشرايين الأبعد عن القلب على المزيد من الأنسجة العضلية في جدرانها التي يمكن أن تنقبض لتؤثر على معدلات تدفق الدم. تتفرع الشرايين الرئيسية إلى شرايين فرعية، ثم إلى أوعية أصغر تسمى الشرايين الصغيرة، لتصل إلى عمق أكبر في عضلات وأعضاء الجسم.

تتفرع الشرايين الصغيرة إلى شبكات شعيرية. تحتوي الشبكات الشعيرية على عدد كبير، من 10 إلى 100 من الشعيرات الدموية (capillaries) التي تتفرع بين خلايا الجسم. الشعيرات الدموية هي أنابيب ضيقة القطر يمكن أن تستوعب خلايا دم حمراء مفردة وهي مواقع لتبادل المغذيات والفضلات والأكسجين مع الأنسجة على المستوى الخلوي. يتسرب السائل أيضًا من الدم إلى الفراغ الخلالي من الشعيرات الدموية. تتجمع الشعيرات الدموية مرة أخرى في وريدات تتصل بأوردة صغيرة تتصل أخيرًا بأوردة رئيسية. الأوردة (Veins) هي أوعية دموية تعيد الدم الغني بثاني أكسيد الكربون إلى القلب. الأوردة ليست سميكة الجدران مثل الشرايين، لأن الضغط فيها أقل، وتحتوي على صمامات على طولها تمنع رجوع الدم بعيدًا عن القلب. تصرف الأوردة الرئيسية الدم من نفس الأعضاء والأطراف التي تغذيها الشرايين الرئيسية.

شكل 16.12 شرايين الجسم، المشار إليها باللون الأحمر، تبدأ من قوس الأبهر وتتفرع لتزويد أعضاء وعضلات الجسم بالدم المؤكسج. أوردة الجسم، المشار إليها باللون الأزرق، تعيد الدم إلى القلب. الشرايين الرئوية زرقاء لتعكس حقيقة أنها غير مؤكسجة، والأوردة الرئوية حمراء لتعكس أنها مؤكسجة. (المصدر: تعديل لعمل ماريانا رويز فياريال)