Hô hấp ở động vật

 

Từ hô hấp được dùng để chỉ 2 quá trình sinh học riêng biệt đó là hô hấp trong hay hô hấp oxi hoá diễn ra trong từng tế bào nhằm giải phóng năng lượng cung cấp cho họat động của tế bào và hô hấp ngoài hay là quá trình thở là quá trình trao đổi khí giữa cơ thể và môi trường xung quanh. Sinh lý hô hấp ở động vật là đề cập tới hô hấp ngoài hay hô hấp trao đổi khí ở động vật.

1. Các bề mặt trao đổi khí (TĐK)

Các cấu trúc thực hiện hô hấp ngoài được gọi là hệ hô hấp hay hệ thống TĐK của cơ thể. Thành phần quan trọng nhất của hệ hô hấp là bề mặt  đó là ranh giới ngăn cách giữa môi trường bên ngoài và các tổ chức sống bên trong. Ở cơ thể đa bào lớn phải có cấu trúc riêng biệt thực hiện sự TĐK. Các cấu trúc này cho O₂ từ môi trường ngoài khuyếch tán vào trong tế bào và cho CO₂ khuyếch tán từ tế bào ra khỏi cơ thể gọi là bề mặt TĐK. Bề mặt TĐK có những đặc điểm giúp cho quá trình khuyếch tán đạt hiệu quả cao hơn đó là:

1. Diện tích bề mặt rộng, bề mặt: Bề mặt TĐK càng rộng thì hiệu quả TĐK càng cao.

2. Bề mặt ẩm ướt: Bề mặt ẩm ướt rất cần thiết cho sự hoà tan các chất khí, cho phép chúng đi qua một cách dễ dàng.

3. Sự lưu thông khí: Khí O₂ khuyếch tán vào trong ngay lập tức bị đẩy ra khỏi bề mặt TĐK. Sự cung cấp O2 từ môi trường bên ngoài sẽ có hiệu quả hơn nên không khí chứa ôxy hay nước thường xuyên được thay thế. Các dòng chảy tạo nên các điều kiện như thế gọi là sự thông khí, chúng tạo nên sự chênh lệch lớn nồng độ oxi hoà tan ở hai phía của bề mặt TĐK.

4. Bề mặt TĐK có nhiều mao mạch chúng lại rất gần bề mặt TĐK cho nên khoảng cách khuyếch tán của các chất khí là ngắn nhất.

5. Các sắc tố hô hấp, sắc tố hô hấp kết hợp một cách thuận nghịch với oxi và làm tăng khả năng vận chuyển oxi. Sự kết hợp này mà oxi tự do không còn ở trong huyết tương nên sự chênh lệch nồng độ oxi trở nên lớn hơn, thuận lợi cho sự khuyếch tán của oxi và máu. Sắc tố hô hấp phổ biến nhất là hêmoglobin có ở đa số các loài động vật có xương sống và một số loài không xương sống. Ngoài ra còn có các sắc tố hô hấp tương tự chứa sắt là Hêmôkitrin và Cloruaotin thấy ở một số loài giun đốt hay Hêmocanin chứa đồng có ở một số ít loài thân mềm và chân khớp.

2. Sự thông khí ở phổi

2.1. Sự thay đổi thể tích lồng ngực trong các cử động hô hấp

Sự thông khí ở phổi của bò sát, chim, thú chủ yếu nhờ co giãn của các cơ hô hấp làm thay đổi thể tích lồng ngực. Còn sự thông khí ở phổi lưỡng cư nhờ sự nâng lên và hạ xuống của thềm miệng.

Khi hít vào: Thể tích lồng ngực tăng lên theo 3 chiều.

+) Chiều trên dưới tăng lên nhờ cơ hoành: Cơ hoành hình vòm có đỉnh quay lên phía trên, ngăn cách lồng ngực vào ổ bụng. Khi cơ hoành co đỉnh vòm bớt cong và hạ xuống phía dưới vì thế khi hít vào thể tích lồng ngực tăng, đồng thời bụng phình ra do các nội quan trong ổ bụng bị dồn ép. Diện tích cơ hoành rộng khoảng 250cm² nên khi nó hạ thấp 1cm thì thể tích lồng ngực đã thành 250cm³. Cơ hoành co cũng ảnh hưởng đến xương sườn và xương ức.

+) Chiều trước sau và  trái phải là do khi hít vào thì các cơ liên sườn ngoài co vừa nâng sườn ra phía trước vừa giãn rộng sang hai bên làm cho thể tích lồng ngực tăng lên kể cả hai chiều. Ngoài ra khi hít vào còn có sự tham gia của một số cơ khác như vậy khi hít vào thể tích lồng ngực tăng và phổi cũng tăng ra theo tạo điều kiện cho luồng thông khí đi vào các phế nang.

+) Khi thở ra là một quá trình thụ động, các cơ hít vào dãn ra, lồng ngực trở lại thế nghỉ ngơi ban đầu, thể tích lồng ngực giảm làm cho phổi xẹp xuống đẩy không khí ra ngoài. Sự giảm thể tích phổi còn do tính đàn hồi của chính nó.

2.2. Sự thông khí ở phổi

+) Nhịp thở: Động tác hít vào và thở ra nhịp nhàng tạo thành chu kỳ được gọi là nhịp thở. Nhịp thở của người Việt Nam: nam 16 ± 3, nữ là 17± 3 nhịp/phút. Ở các loài khác nhau thì nhịp thở không giống nhau, ở gà: 22 - 25, vịt 15 - 18, lợn 20 - 30, trâu 18 - 21 nhịp/phút. Nhịp thở còn thay đổi theo trạng thái hoạt động, trạng thái sinh lý, nhiệt độ.

+) Các thể tích hô hấp: Trạng thái sinh lý bình thường ở người trưởng thành mỗi lần hít vào 0,5lít không khí  và thoát ra khỏi phổi đó là khí lưu thông được đo bằng hô hấp kế sau một lần thở ra bình thường chưa hít vào mỗi người còn có khả năng thở ra cố sức thêm với thể tích khoảng 1,5lít đó là khí dự trữ thở ra.

+) Sau 1 lần hít vào bình thường chưa thở ra cũng có thể hít vào cố sức thêm với thể tích 1,5 lít đến 2,5 lít đó là khí dự trữ hít vào (gọi là khí phụ).

+)  Thể tích khí còn tồn tại trong phổi sau khi đã thở ra cố sức là 1 lít đó là khí cặn.

+) Tổng số khí lưu thông, khí dự trữ  thở ra và khí dự trữ hít vào được gọi là dung tích sống hay còn gọi là sinh lượng. Đó là thể tích không khí tối đa của một lần thở ra cố sức, sau khi đã hít vào cố sức vào khoảng 3,5 - 4,5 lít. Tổng số của dung tích sống và khí cặn được gọi là tổng dung lượng phổi. Các thể tích hô hấp bao gồm cả dung tích sống và tổng dung lượng phổi thay đổi theo tuổi, chiều cao và giới tính. Khi khoang màng phổi còn nguyên vẹn, phổi không thể nào tống ra toàn bộ không khí chứa trong đó, chính vì vậy mà trong phổi luôn luôn có khí cặn. Ngay cả sau khi chết thì trong phổi thì có khoảng 0,1 lít không khí không thể nào thoát ra được gọi là không khí tối thiểu.

2.3. Sự trao đổi khí ở phổi và mô

2.3.1. Sự trao đổi khí ở phổi:

TĐK ở phối là quá trình TĐK ở các phế nang và máu trong hệ thống mao mạch phân bố dày đặc trên màng của phế nang. Sự TĐK được thực hiện theo cơ chế khuyếch tán thụ động phụ thuộc áp suất riêng phần của từng loại khí chúng đi từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp hơn. Trong phế nang áp suất riêng phần của Oxi là 104,0mm thuỷ ngân còn áp suất riêng phần của oxi trong máu đến phổi là 40 mm Hg. Do đó trong phế nang của phổi thể áp suất O₂ cao hơn là 64mm Hg vì thế khí O₂ khuyếch tán tán từ phế nang vào máu của mao mạch phổi, máu đi ra khỏi phổi có áp suất O₂ xấp xỉ 104mm Hg còn P CO₂ trong máu đến phổi là 46mm Hg còn trong phế nang là 40mm Hg. Do đó áp suất CO₂  trong máu cao hơn trong phế nang vì thế CO₂ khuyếch tán từ  máu vào phế nang.

2.3.2. Trao đổi khí ở mô:

Là sự TĐK trong động mạch đến mô với các mô. Sự TĐK ở mô cũng diễn ra theo cơ chế khuyếch tán thụ động phụ thuộc áp suất riêng phần của từng loại khí. Máu động mạch đến mô (Áp suất của O₂ khoảng 102mm Hg và trong trong dịch gian bào là 40 mm Hg, Áp suất của O₂ trong máu động mạch đến mô cao hơn áp suất O₂ trong dịch gian bào nên O₂ đó từ máu mao mạch vào mô làm cho áp suất O₂ trong mao mạch giảm xuống 40mm Hg đổ về tĩnh mạch và trở về tim. Còn với khí CO₂ do quá trình trao đổi chất trong tế bào và mô sản sinh ra khí CO₂ làm tăng áp suất CO₂ . Áp suất CO₂ trong dịch nội bào khoảng 46mm Hg còn trong dịch gian bào là 45mm Hg, trong máu động mạch đến mô là 40mm Hg vì vậy CO₂ khuyếch tán từ dịch nội bào ra dịch gian bào rồi đổ vào máu về tim sau đó đến phổi để thải ra ngoài.

2.4. Sự vận chuyển khí O₂ và CO₂ của máu

2.4.1. Sự vận chuyển khí O₂ , khí O₂ được vận chuyển trong máu bằng 2 cách là hoà tan và kết hợp với Hemoglobin.

+)  Dạng hoà tan, khả năng hoà tan của oxi trong máu rất nhỏ phụ thuộc vào áp suất của oxi ở nhiệt độ bình thường  và CO₂ của máu là 0,3ml/100ml máu. Khi áp suất riêng phần còn 40mm Hg.

+)  Nhờ thở hoà tan được 0,12 ml/100ml máu. Như vậy cứ 100ml máu và chuyển đến mô thì chỉ có 0,18 ml O₂ hoà tan/0,3 - 0,12 + 0,18 cung cấp cho mô. Lượng O­₂ hoà tan rất nhỏ so với lượng O­₂ và chuyển ở dạng kết hợp cung cấp cho mô (khoảng 5ml). Chỉ có khoảng 2,3% tổng lượng O₂ được hoà tan trong máu, 97-98% dạng kết hợp.

Khi áp suất phân tử oxy lên tới 3000 mm Hg thì sự hoà tan oxy tăng lên 29 ml/100 ml máu, đủ cung cấp cho nhu cầu gây rối loạn chuyển hoá tan oxy tăng lên gây rối loạn chuyển hoá tế bào, gây co giật, gây phù phổi nặng vì thế khi cho bằng O₂ cần chú ý.

+) Dạng kết hợp: Là dạng O₂ được vận chuyển trong máu do sự kết hợp giữa oxy và hisulibin tạo thành Oxyhemglubin (H₃O₂). Sự kết hợp giữa oxy hoá Hb tỷ lệ với áp suất riêng phần của O₂ trong máu.

Khi áp suất O₂ ở mức 100mm Hg thì số lượg O₂ kết hợp với Hb là 20ml, khi áp suất O₂ là 40mm Hg thì số lượng O₂ kết hợp là 15ml. Nghĩa là lượng O₂ được giải phóng từ 100ml máu khi đến mô là 5ml (20 -15 - 5).

2.4.2. Sự vận chuyển CO₂: CO₂ được vận chuyển trong máu cũng bằng hai hình thức là hoà tan và kết hợp.

+) Dạng hoà tan: Một phần khí CO₂ vào máu được giữ lại trong huyết tương dưới dạng hoà tan và vận chuyển đến phổi. Trong 100 ml máu có khoảng 0,2 ml khí CO­₂ được hoà tan, chiếm khoảng 4% toàn bộ khí CO₂ vận chuyển về phổi.

+) Dạng kết hợp một lượng khí CO₂ vào máu phản ứng với nước của huyết tương tạo thành H⁺ và HCO₃^-.

CO₂ + H₂O à  H₂CO₃ à H⁺  + HCO₃^-

+) Do đó trong huyết tương người một lượng nhỏ CO₂ hoà tan, CO₂ còn được vận chuyển dưới dạng các ion bicacbonat. Lượng khí CO₂ kết hợp với nước trong huyết tương không nhiều chỉ chứa khoảng 3- 4%.

+) CO₂ kết hợp với nước trong hồng cầu. Lượng khí CO_2­ kết hợp với nước trong hồng cầu chúă khoảng 70% tổng số khí CO₂ .

+)  CO₂ kết hợp trực tiếp với Hb hồng cầu tạo ra dạng Cacbohemoglobin HbCO₂. Đây cũng là phản ứng thuận nghịch, chúng kết hợp ở máu mao mạch cuả các mô và phân li ở phổi