Układ oddechowy DR ROBERT MERONKA ZAKŁAD EKOLOGII INSTYTUT ZOOLOGII WYDZIAŁ BIOLOGII UNIWERSYTET WARSZAWSKI

Transkrypt

1 Układ oddechowy DR ROBERT MERONKA ZAKŁAD EKOLOGII INSTYTUT ZOOLOGII WYDZIAŁ BIOLOGII UNIWERSYTET WARSZAWSKI

2 Źródła energii

3 Definicje Wentylacja wymiana środowiska zewnętrznego przy powierzchniach oddechowych. Wymiana gazowa zewnętrzna dyfuzja gazów oddechowych przez bariery powierzchni oddechowych. Transport przeniesienie gazów oddechowych pomiędzy miejscem wymiany gazowej a miejscem gdzie zachodzą procesy metaboliczne. Wymiana gazowa wewnętrzna dyfuzja gazów oddechowych w tkankach.

4 Układ oddechowy człowieka Budowa i działanie

5 Układ oddechowy człowieka jama nosowa nozdrza jama ustna gardło tchawica prawe oskrzele główne prawe płuco lewe oskrzele główne lewe płuco przepona

6 Pobieranie powietrza atmosferycznego jama nosowa języczek nozdrza podniebienie twarde podniebienie miękkie język tchawica

7 Doprowadzenie powietrza do płuc tchawica lewy płat górny lewe oskrzele główne (pierwszorzędowe) prawy płat górny lewe oskrzele płatowe (drugorzędowe) lewe oskrzele trzeciorzędowe prawy płat środkowy prawy płat dolny lewy płat dolny

8 Mikrostrukturalna budowa płuc przewód pęcherzykowy pęcherzyki oskrzeliki oskrzela ostatniego rzędu przewód pęcherzykowy oskrzele przewód pęcherzykowy pory pęcherzykowe pęcherzyki

9 Miejsce wymiany gazowej oskrzela oskrzeliki mięśnie gładkie włókna elastyczne pęcherzyki płucne kapilary płucne w obrazie skaningowego mikroskopu elektronowego jądro kom. typu I pory pęcherzykowe naczynie krwionośne erytrocyt makrofag błona oddechowa nabłonek oddechowy błona podstawna kom typu I erytrocyt kom. typu II kom typu I nabłonek naczyniowy

10 Kontrola oddychania most rdzeń przedłużony ośrodki oddechowe mostu grzbietowa grupa respiracyjna (VRG) most rdzeń przedłużony most rdzeń przedłużony brzuszna grupa respiracyjna (DRG) ośrodki oddechowe mostu grzbietowa grupa respiracyjna (VRG) most rdzeń przedłużony brzuszna grupa respiracyjna (DRG)

11 Regulacja oddychania wyższe ośrodki mózgowe - kontrola oddychania zależna od woli inne receptory (np. bólu) i bodźce emocjonalne działające przez podwzgórze ośrodki oddechwe mostu i w rdzeniu przedłużonym peryferyjne chemoreceptory receptory rozciągnięcia w płucach centralne chemoreceptory receptory irytantów receptory mięśni

12 Wdech sekwencja zdarzeń Skurcz mięśni oddechowych (obniżenie przepony, uniesienie żeber) zmiany rozmiarów klatki piersiowej zmiany rozmiarów klatki piersiowej widok z góry zwiększenie objętości jamy płucnej płuca są rozciągene objętość śródpłucna rośnie śródpłucne ciśnienie spada powietrze napływa do płuc aż nastąpi wyrównanie ciśnienia śródpłucnego z atmosferycznym

13 Wydech sekwencja zdarzeń zmiany rozmiarów klatki piersiowej zmiany rozmiarów klatki piersiowej widok z góry rozluźnienie mięśni oddechowych (podniesienie przepony, obniżenie żeber) zmniejszenie objętości jamy płucnej elastyczne płuca kurczą się pasywnie,zmniejszenie objętości śródpłucnej śródpłucne ciśnienie wzrasta powietrze wypływa z płuc aż nastąpi wyrównanie ciśnienia śródpłucnego z atmosferycznym

14 Spirometria FRC czynnościowa pojemność zalegająca (functional residual capacity)

15 Przestrzeń martwa Przestrzeń martwa objętość układu oddechowego nie biorąca udziału w wymianie gazowej. Anatomiczna przestrzeń martwa objętość tchawicy i oskrzeli. U człowieka przeciętnie 150 ml. Pęcherzykowa przestrzeń martwa objętość pęcherzyków nie biorących udziału w wymianie gazowej.

16 Podstawy fizyczne wymiany gazowej

17 Podstawy fizyczne Gazy oddechowe w czasie wymiany gazowej pokonują po drodze różne bariery. Wszystkie bariery pokonywane są wyłącznie na drodze dyfuzji.

18 Prawo dyfuzji Ficka dq / dt = D x A x dc / dx dq/dt szybkość dyfuzji czyli ilość substancji poruszającej się w jednostce czasu (mol/sec) D współczynnik dyfuzji świadczący o łatwości dyfuzji danej substancji w danym środowisku (cm 2 /sec) A powierzchnia dyfuzji (cm 2 ) dc/dx gradient (różnica) stężeń w jednostce odległości

19 Szybkość dyfuzji Jest wprost proporcjonalna do: Współczynnika dyfuzji, Wielkości powierzchni, Gradientu energetycznego. Jest odwrotnie proporcjonalna do: odległości

20 Gradient energetyczny Gradient dc/dx gradient energetyczny, związany z różnicą stężeń, ładunku elektrycznego, temperatury lub ciśnienia. C = 8 C = 2 x C = 8 C = 4 C = 4 C = 2 x

21 Dyfuzja w przepływie Wymiana przeciwprądowa Wymiana równoległa krew (85% wysycenie O 2 ) woda (100% wysycenie O 2 ) krew (50% wysycenie O 2 ) woda (50% wysycenie O 2 ) krew (0% wysycenie O 2 ) woda (15% wysycenie O 2 ) krew (0% wysycenie O 2 ) woda (100% wysycenie O 2 )

22 Optymalne powierzchnie wymiany gazowej Powierzchnie wymiany gazowej powinny być: O dużej powierzchni duża powierzchnia wymiany, Cienkie krótka droga dyfuzji, Unaczynione przepływ utrzymuje gradient ciśnień,

23 Własności powierzchni oddechowych ssaków

24 Powierzchnia Około 6 l pojemności Powierzchnia: od 50 do 75 m 2

25 Grubość Grubość bariery pęcherzykowo-naczyniowej to 0,5 do 2,5 μm jądro kom. typu I erytrocyt pory pęcherzykowe naczynie krwionośne makrofag błona oddechowa nabłonek oddechowy błona podstawna kom typu I kom. typu II kom typu I nabłonek naczyniowy

26 Unaczynienie pęcherzyków

27 Zmiany ciśnienia tlenu Powietrze kaskada ciśnienia tlenu pęcherzyki płucne kapilary płucne krew w naczyniach kapilary w tkankach komórki mitochondria

28 Surfaktanty Wydzielane przez komórki pęcherzykowe typu II Kompleksy lipoprotein (fosfolipoproteiny) Obniżają napięcie powierzchniowe w pęcherzykach normalne pęcherzyki zapadnięte pęcherzyki

29 Wymiana gazowa w środowisku wodnym

30 Płuca a środowisko wodne Duży opór wentylacji uszkodzenia strukturalne duże koszty energetyczne wentylacji Małe ciśnienie parcjalne tlenu Nie działają surfaktanty

31 Powietrze a woda Powietrze (20 o C) Woda (20 o C) Stosunek P : W Wsp. dyfuzji O2 (m2/sec x 10-9) ~ : 1 Wsp. dyfuzji CO2 (m2/sec x 10-9) ~ : 1 Rozpuszczalność O2 (ml/l) : 1 Rozpuszczalność CO2 (ml/l) ~1 Stężenie O2 (mm) ciśn. 1 atm : 1 Stężenie CO2 (mm) ciśn. 1 atm ~1 Gęstość (kg/m3) ~1 : 800 Lepkość (poise x 10-2) : 50

32 łuk skrzelowy blaszka skrzelowa przepływ wody łuk skrzelowy naczynia krwionośne pokrywy skrzelowe filamenty skrzelowe przepływ wody przepływ krwi wymiana przeciwprądowa dyfuzja tlenu

33 Różne metody wentylacji Ryby kostnoszkieletowe przepływ wody wymuszany ruchem pokryw srzelowych Ryby chrzęstnoszkieletowe przepływ wody wymuszany ruchem zwierzęcia

34 Wentylacja u ryb kostnoszkieletowych Woda jest naprzemiennie zasysana przez otwór gębowy i wypuszczana przez szczeliny skrzelowe dzięki ruchom jamy gębowej i pokryw skrzelowych. Wypływająca woda omywa skrzela dostarczając tlen.

35 Własności skrzel Funkcje skrzel Osmoregulacja Równowaga kwasowo zasadowa Funkcja wydalnicza Regulacja hormonalna Funkcjonowanie skrzel w środowisku gazowym Bardzo efektywne przy większym stężeniu tlenu Wilgotne listki skrzelowe sklejają się, ograniczając powierzchnię wymiany gazowej

36 Wymiana gazowa u ptaków Przystosowanie do lotu

37 Oddychanie a lot Lot aktywny stanowi duże obciążenie energetyczne Wysokie zapotrzebowanie na tlen tchawica płuco tchawica przednie worki powietrzne tylne worki powietrzne

38 Cykl wentylacji u ptaków Pełen cykl trwa dwa wdechy i dwa wydechy Przepływ przez płuca jest jednokierunkowy tchawica przednie worki powietrzne płuco tylne worki powietrzne Pełen cykl wentylacji płuc ptaka: 1) Podczas wdechu powietrze wypełnia tylne worki powietrzne. 2) Podczas wydechu przechodzi do płuc. 3) Podczas wdechu przechodzi do przednich worków powietrznych. 4) Podczas wydechu wypuszczane jest na zewnątrz. Procesy 1 i 3 oraz 2 i 4 zachodzą równocześnie.

39 Wymiana gazowa u ptaków Bardzo efektywny system Pozwala pokryć zapotrzebowanie na tlen związane z lotem W płucach ptaków kierunek przepływu krwi jest prostopadły do kierunku przepływu powietrza.

40 Różnorodność wymiany gazowej

41 Różnorodność wymiany gazowej Dyfuzja w powietrzu lub wodzie Dyfuzja/transport gazów Woda Powietrze Woda przepływ w Powietrze układzie dyfuzja O 2 dyfuzja O 2 dyfuzja O krążenia 2 dyfuzja O 2 Jednokomórkowce i drobne zwierzęta dyfuzja w tkankach Przepływ mas wody Pijawki dyfuzja w tkankach Dżdżownica przepływ w układzie krążenia przepływ dyfuzja O 2 Wentylacja/transport gazów przepływ w układzie krążenia dyfuzja w tkankach Gąbki Parzydełkowce Przepływ mas powietrza przepływ lub dyfuzja w tchawkach rozpuszczanie O 2 i dyfuzja w tracheolach przepływ Kręgowce rozpuszczanie O 2 i dyfuzja Owady przepływ lub dyfuzja w przetchlinkach

42 Wymiana gazowa przez powłoki ciała Nereida różnokolorowa Hediste diversicolor Rurecznik mułowy Tubifex tubifex Wypławek biały Dendrocoelum lacteum

43 Różne typy układów odechowych Powierzchnie wymiany gazowej Uwypuklone Wklęśnięte Skrzela zewnętrzne Płuca Skrzela wewnętrzne Tchawki

44 Skrzela zewnętrzne Axolotl larwa ambystomy meksykańskiej Ambystoma mexicanum Hypselodoris apolegma ślimak nagoskrzelny

45 Skrzela wewnętrzne przepływ wody skrzela syfon odpływowy syfon wlotowy skrzela jama skrzelowa Skrzela u mięczaków małż Skrzela u stawonogów rak

46 Wymiana gazowa u ślimaków płuco skrzel e Ślimak skrzelodyszny Ślimak płucodyszny

47 Układ oddechowy owadów Tchawki rozgałęzione rurki wypełnione powietrzem Przetchlinki ujście tchawek na powierzchni ciała Tracheole zakończenia wypełnione hemolimfą worki powietrzne tchawki komórki tracheola worek powietrzny przetchlinki tchawka powietrze ściana ciała

48 Płucotchawki u pajęczaków Nazywane też płucami blaszkowymi (książkowymi) Dwie pary Zbudowane z 10 do 100 blaszek Gazy dyfundują przez przetchlinki Niektóre pająki mają poza tym system tchawek blaszki przetchlinki przetchlinka

49 Ewolucja układu oddechowego u kręgowców

50 Oddychanie powietrzem u ryb Pojawiło się wielokrotnie i niezależnie Wzmocnione skrzela niezapadające się w powietrzu Jama gębowa lub gardłowa Unaczyniony żołądek Wyspecjalizowane uchyłki jelita Ryby oddychające powietrzem wtłacząją powietrze za pomocą ruchów dna jamy gębowej do narządu oddechowego.

51 Płazy Formy larwalne posiadają skrzela Znacząca rola skórnej wymiany gazowej Proste parzyste płuca, u niektórych podzielone Powietrze pompowane do płuc za pomocą jamy gębowej przełykanie albo wentylacja Płazy podczas płucnej wymiany gazowej wtłacząją powietrze za pomocą ruchów dna jamy gębowej do płuc.

52 Gady Parzyste płuca, u węży jedno płuco zredukowane lub brak Płuca podzielone przegrodami zwiększenie powierzchni Wentylacja na zasadzie pompy ssącej Przełykanie niezależne od wentylacji Kilka różnych rozwiązań zmiany objętości klatki piersiowej

53 Wentylacja u gadów wentylacja za pomocą skurczów mięśni międzyżebrowych skurcze mięśni brzusznych i ruchy kończnyn zmieniają objętość tułowia skurcze przepony zmieniają objętość tułowia

54 Ssaki Parzyste płuca o budowie pęcherzykowej Wentylacja za pomocą przepony i mięśni międzyżebrowych Taka sama budowa i zasada działania u wszystkich ssaków

55 Wtórne przystosowania do życia w wodzie Nurkowanie

56 Nurkujące owady i pajęczaki Topik Argyroneta aquatica Pływak żółtobrzeżek Dytiscus marginalis

57 Larwy ważek Łątka halabardówka Coenagrion hastulatum Husarz władca Anax imperator Skrzelotchawki

58 Nurkowanie ssaków Rozpuszczanie azotu w osoczu krwi Nie stanowi problemu gdy nie zmienia się ciśnienie Przy szybkim spadku ciśnienia pojawiają się pęcherzyki gazu we krwi Rozpuszczanie azotu w lipidach Upośledza przewodzenie impulsów nerwowych

59 Nurkowanie człowieka Nurkowanie swobodne Krótki czas Ryzyko związane z hiperwentylacją Nurkowanie z aparatem oddechowym Zmiany objętości gazów Czas dekompresji unikanie choroby ciśnieniowej Mieszanki oddechowe unikanie narkozy azotowej

60 Historia O 2 na ziemi