วิทยาศาสตร์สู่ความเป็นเลิศ

ขนาดตัวอักษร : เพิ่มขนาด | ลดขนาด

            ระบบหายใจของสัตว์ เป็นกระบวนการแลกเปลี่ยนแก๊สหายใจ โดยมีการนำแก๊สออกซิเจนจากภายนอกเข้าสู่ร่างกาย และกำจัดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดจากการหายใจในระดับเซลล์ออกสู่สิ่งแวดล้อมภายนอก โดยทั่วไปการแลกเปลี่ยนแก๊สระหว่างเซลล์ที่มีชีวิต และสิ่งแวดล้อมที่อยู่โดยรอบเกิดขึ้นโดยอาศัยการแพร่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ที่เปียกชื้น แก๊สที่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เข้าไปได้จะต้องอยู่ในสภาพสารละลาย สิ่งมีชีวิตขนาดเล็กในเซลล์แต่ละเซลล์จะสัมผัสกับน้ำโดยตรง จึงไม่พบอวัยวะหายใจใดๆ ในสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ สิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่มีวิธี การแลกเปลี่ยนแก๊สเพื่อการหายใจที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น มีการเพิ่มพื้นที่ผิวที่จะเป็นแหล่ง แลกเปลี่ยนแก๊สได้มากขึ้นหากเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีเซลล์ที่อยู่ภายในมากและอยู่ห่างไกล จากผิวแลกเปลี่ยนแก๊ส จะต้องมีกลไกเฉพาะที่ทำหน้าที่นำแก๊สไปสู่เซลล์ต่างๆ ทั่วร่างกายได้

          โดยทั่วไปผิวแลกเปลี่ยนแก๊ส แบ่งเป็น 2 ประเภท คือ ประเภทที่อยู่ชั้นนอก เหมาะสำหรับสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่ในน้ำ เพราะสามารถสัมผัสกับน้ำภายนอกได้โดยตรง อีกประเภทหนึ่งคือการมีพื้นผิวแลกเปลี่ยนแก๊สที่อยู่ภายในร่างกาย สิ่งมีชีวิตที่มีการ แลกเปลี่ยนแก๊สประเภทนี้จะต้องอาศัยการลำเลียงแก๊สไปสู่เซลล์เหล่านั้น การแลกเปลี่ยนแก๊สต้องการแลกเปลี่ยนแก๊สที่มีขนาดพอเพียง สามารถลำเลียงแก๊สระหว่างพื้นที่แลกเปลี่ยนแก๊สกับสิ่งแวดล้อมและเซลล์ภายในอย่างมีประสิทธิภาพ สามารถป้องกันพื้นผิวที่เป็นแหล่งแลกเปลี่ยนแก๊สจากอันตรายต่างๆได้ โดยเฉพาะการเสียดสี มีการรักษาพื้นผิวแลกเปลี่ยนแก๊สให้ชื้นอยู่เสมอ

1. โครงสร้างของอวัยวะการหายใจของสัตว์

           1.1 สัตว์น้ำ
          ยังไม่มีอวัยวะพิเศษใช้ในการหายใจ การแลกเปลี่ยนแก๊ส จึงเกิดที่เยื่อหุ้มเซลล์ หรือผนังลำตัว ออกซิเจนจากน้ำจะแพร่เข้าสู่เซลล์ และปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาสู่น้ำ พบในแมงกะพรุน ไฮดรา

          สัตว์น้ำที่เจริญขึ้นจะมีเหงือก (gill) เป็นอวัยวะแลกเปลี่ยนแก็สอยู่ภายนอกร่างกายเหงือกยังมีความแตกต่างกันในเรื่องความซับซ้อน เหงือกของปลาดาวเป็นผิวหนังที่ยื่นออกไปเป็นรูปถุง เรียกว่า เดอร์มัลแบรงเคีย ปลาหมึกจะมีเหงือกอยู่ในช่องแมนเทิลส่วนเหงือกของปลากระดูกแข็งจะอยู่ใต้แผ่นปิดเหงือก ตัวอ่อนของสัตว์สะเทินน้ำสะเทินบกจะมีเหงือกยื่น ออกมานอกร่างกายบริเวณคอหอย มีพื้นที่สัมผัสกับน้ำมากจึงเพิ่มประสิทธิภาพใน การแลกเปลี่ยนแก็ส เหงือกของสัตว์ชั้นสูง เช่นเหงือกปลา จะมีเส้นเลือดฝอยมาเลี้ยงดังนั้นออกซิเจนจากน้ำจะแพร่เข้าสู่เส้นเลือดฝอยของเหงือก เลือดจะพาออกซิเจนไปเลี้ยงส่วนต่างๆ ของร่างกาย

          ปริมาณออกซิเจนในน้ำมีน้อยกว่าในอากาศมาก น้ำจืด 1 ลิตรที่อุณหภูมิ 15 องศาเซลเซียส จะมีออกซิเจนอยู่เพียง 7 ลูกบาศก์เซนติเมตร ส่วนในน้ำเค็มจะมีอยู่เพียง 5 ลูกบาศก์เซนติเมตร (Purves and Orians. 1983:572) ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับ ความดัน อุณหภูมิและ ความเค็มของน้ำด้วย ในอากาศ 1 ลิตรจะมีออกซิเจนอยู่ถึง 210 ลูกบาศก์เซนติเมตรนอกจากปริมาณออกซิเจนในน้ำต่ำแล้ว การแพร่ของออกซิเจนในน้ำยังช้ากว่าในอากาศหลายพันเท่า สัตว์น้ำจึงมีปัญหาในการได้รับออกซิเจนไม่เพียงพอ สัตว์น้ำที่หายใจด้วยเหงือก จึงต้องปรับตัว โดยการเคลื่อนไหวอยู่ตลอดเวลา เพื่อให้น้ำผ่านเหงือกอยู่ตลอดเวลา ปลาจะโผล่ขึ้นมา ฮุบน้ำเข้าปาก และระบายน้ำออกทางเหงือก กุ้งจะทำกระแสน้ำวนเข้าช่องเหงือกที่อยู่ ใต้เปลือกหุ้มหัวและอกอยู่ตลอดเวลา ด้วงดิ่งเป็นแมลงปีกแข็ง อาศัยอยู่ในน้ำจะเก็บอากาศไว้ใต้ปีกคู่หน้า

          1.2 สัตว์บก
          เมื่อขึ้นมาอาศัยอยู่บนบกซึ่งมีออกซิเจนเหลือเฟือ จึงวิวัฒนาการโครงสร้างของอวัยวะแลกเปลี่ยนแก๊สเป็นท่อลม (trachea) ในสัตว์พวกแมลง และเป็นปอดในสัตว์พวกปลาบางชนิด จนถึงสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม อากาศในปอดและท่อลมจะชื้นอยู่เสมอเซลล์ที่อยู่บริเวณของแหล่งแลกเปลี่ยนจะมีชั้นน้ำบางๆเคลือบอยู่ ทำให้ออกซิเจนสามารถละลายน้ำได้ดี แสดงว่าน้ำยังเข้าเกี่ยวข้องในการแลกเปลี่ยนแก๊สเช่นเดียวกับในใบของพืชบก

          1.2.1 ท่อลม เป็นท่อติดต่อกับภายนอกของร่างกายทางรูหายใจ (spiracle) ท่อลมจะแตกแขนงเป็นท่อเล็กๆ แทรกไปทั่วทุกส่วนของร่างกาย ท่อลมเป็นแหล่งแลกเปลี่ยนแก๊ส ในแมลง ออกซิเจนสามารถแพร่จากแขนงของท่อลมผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เข้าไปในเซลล์ ส่วนคาร์บอนไดออกไซด์ก็จะแพร่ออกจาเซลล์เข้าสู่ท่อลม ทั้งลำตัวแมลงจะมีรูหายใจซึ่งมีลิ้นค่อยปิดเปิดอยู่ ระบบการหายใจแบบนี้เป็นปัจจัยจำกัดที่สำคัญในการจำกัดขนาดของแมลงไม่ให้มีขนาดใหญ่เกินไป แมลงพวกตั๊กแตน จะมีการขยายตัวของท่อลม เป็นถุงอากาศ (air sac) บริเวณ รูหายใจ นอกจากจะมีลิ้นแล้วยังมีขนอยู่มากมาย เพื่อกรองฝุ่นละอองและสิ่งสกปรกไว้ไม่ให้ผ่านเข้าท่อลม

          แมงมุม แมงป่อง จะมีอวัยวะแลกเปลี่ยนแก๊สต่างไปจากแมลงที่ เรียกว่า ปอดแผง (book lung) ซึ่งประกอบไปด้วยเซลล์ร่างกาย เรียงตัวเป็นแผ่นบางๆซ้อนกันหลายชั้นพับซ้อนอยู่ในช่องว่างของร่างกาย ช่องว่างนี้จะมีรูเปิด เรียกว่า รูหายใจ แผ่นเซลล์บางๆ เหล่านี้จะต้องเปียกชื้นอยู่เสมอ เพื่อทำหน้าที่เป็นแหล่งแลกเปลี่ยนออกซิเจนกับเซลล์และรับคาร์บอนไดออกไซด์ออกมากำจัด

1.2.2 ปอด (lung) เป็นอวัยวะที่มีผิวแลกเปลี่ยนแก๊สอยู่ภายในร่างกาย ปอดมีลักษณะเป็นถุง ซึ่งมีความสัมพันธ์โดยตรงกับระบบการหมุนเวียนของเลือด ปอดชนิดง่ายที่สุดเป็นถุงลมที่มีเส้นเลือดมาเลี้ยงที่ผนังชั้นในและมีทางติดต่อกับภายนอก มักพบในหอย ที่อาศัยอยู่ตามชายหาดใกล้ระดับน้ำทะเล หอยพวกนี้ไม่จำเป็นต้องการออกซิเจนจากอากาศเพราะได้ออกซิเจนส่วนใหญ่มาจากน้ำทะเล

ปอดของสัตว์มีกระดูกสันหลังจะมีวิวัฒนาการเพิ่มพื้นที่ผิวของปอดให้มากขึ้น โดยการแบ่งผิวด้านในเป็นกระเปาะ มีรอยพับซ้อนเล็กๆจำนวนมาก และมีเส้นเลือดที่พื้นที่ผิวแลกเปลี่ยนแก๊ส
           ปลาโบราณ มีปอดที่เป็นถุงลมยื่นออกมาจากด้านล่างของทางเดินอาหารบริเวณคอหอย ซาลามานเดอร์ซึ่งเป็นสัตว์สะเทินน้ำสะเทินบกก็มีปอดแบบปลาโบราณ สัตว์ที่เจริญกว่านี้ จะมีปอดซึ่งมีพื้นผิวแลกเปลี่ยนแก๊สที่ซับซ้อนมากขึ้นเพื่อทำให้พื้นผิวมีมากมาย นกเป็นสัตว์ที่ใช้พลังงานจากเมแทบอลิซึมสูงมาก เพื่อรักษาระดับอุณหภูมิของร่างกายให้สูงอยู่เสมอจึงต้องการออกซิเจนมาก นกจะมีถุงลมแทรกอยู่ในร่างกายโดยมีท่อติดต่อกับปอด

บทสรุป