श्वसन और गैसों का विनिमय | Breathing and Exchange of Gases
श्वसन तंत्र
गैसों का विनिमय
O2 और CO2 परिवहन
श्वसन का नियमन
श्वसन और गैसों का विनिमय
(Breathing and Exchange of Gases)
(Breathing and Exchange of Gases)
जीवनदायिनी ऑक्सीजन को शरीर के भीतर ले जाने और कार्बन डाइऑक्साइड को बाहर निकालने का विज्ञान
हर सांस में जीवन
कोशिकाओं को निरंतर ऊर्जा बनाने के लिए ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है।
प्रस्तावना और विभिन्न जीवों के श्वसन अंग
जैसा कि आपने पढ़ा है, जीवों की कोशिकाएं ऊर्जा (ATP) प्राप्त करने के लिए ग्लूकोज जैसे पोषक तत्वों को तोड़ने के लिए ऑक्सीजन (O2) का उपयोग करती हैं। इस अपचयी (Catabolic) प्रक्रिया में कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) निकलती है जो हानिकारक होती है। इसलिए, यह स्पष्ट है कि कोशिकाओं को लगातार O2 प्रदान की जानी चाहिए और CO2 को बाहर निकाला जाना चाहिए। वातावरण से O2 को अंदर लेना और कोशिकाओं द्वारा उत्पादित CO2 को बाहर निकालने की इस प्रक्रिया को 'ब्रीदिंग' (Breathing) या सामान्यतः श्वसन (Respiration) कहा जाता है।
विभिन्न जीवों में श्वसन अंग (Respiratory Organs)
श्वसन का तरीका मुख्य रूप से जानवरों के आवास (Habitat) और उनके संगठन के स्तर (Level of organisation) पर निर्भर करता है:
- निचले अकशेरुकी: जैसे स्पंज, सीलेन्ट्रेट्स और चपटे कृमि (Flatworms), अपने पूरे शरीर की सतह से सरल विसरण (Simple diffusion) द्वारा O2 और CO2 का आदान-प्रदान करते हैं।
- केंचुआ (Earthworms): ये अपनी नम क्यूटिकल (Moist cuticle) का उपयोग करते हैं।
- कीड़े (Insects): इनमें हवा को शरीर के भीतर ले जाने के लिए नलिकाओं का एक जाल होता है जिसे श्वासनली तंत्र (Tracheal tubes) कहते हैं।
- जलीय जीव (मछलियां, जलीय आर्थ्रोपोड): ये विशेष संवहनी संरचनाओं का उपयोग करते हैं जिन्हें गिल्स (Gills / क्लोम) कहा जाता है (Branchial respiration)।
- स्थलीय जीव (सरीसृप, पक्षी, स्तनधारी): ये गैसीय विनिमय के लिए संवहनी थैले जैसी संरचनाओं का उपयोग करते हैं जिन्हें फेफड़े (Lungs) कहा जाता है (Pulmonary respiration)। (उभयचर जैसे मेंढक अपनी नम त्वचा से भी सांस ले सकते हैं)।
मानव श्वसन तंत्र (Human Respiratory System)
हमारे पास बाहरी नासाछिद्रों (Nostrils) का एक जोड़ा होता है जो ऊपरी होंठ के ऊपर खुलता है। यह नासा गुहा (Nasal cavity) के माध्यम से एक मार्ग में जाता है। हवा का मार्ग इस प्रकार है:
1
ग्रसनी (Pharynx): नासा गुहा ग्रसनी में खुलती है, जो भोजन और हवा दोनों के लिए एक सामान्य मार्ग है।
2
कंठ (Larynx): ग्रसनी, कंठ के माध्यम से श्वासनली में खुलती है। कंठ एक उपास्थि (Cartilaginous) बॉक्स है जो ध्वनि उत्पादन (Sound production) में मदद करता है (Sound box)। निगलते समय भोजन को कंठ में जाने से रोकने के लिए एपिग्लोटिस (Epiglottis) इसे ढक लेता है।
3
श्वासनली (Trachea): यह एक सीधी नली है जो मध्य वक्षीय गुहा (Mid-thoracic cavity) तक जाती है और 5वीं वक्षीय कशेरुका (5th thoracic vertebra) के स्तर पर दाईं और बाईं प्राथमिक श्वसनी (Primary Bronchi) में विभाजित हो जाती है। श्वासनली और श्वसनी अपूर्ण उपास्थि वलयों (Incomplete cartilaginous rings) द्वारा समर्थित होते हैं ताकि वे पिचक न जाएं।
4
कूपिका (Alveoli): प्रत्येक श्वसनी आगे द्वितीयक और तृतीयक श्वसनी, और श्वसनिकाओं (Bronchioles) में विभाजित होती है। प्रत्येक अंतिम श्वसनिका बहुत पतले, अनियमित दीवार वाले और संवहनी बैग जैसी संरचनाओं को जन्म देती है जिन्हें कूपिका (Alveoli) कहते हैं। यहीं पर गैसों का वास्तविक विनिमय होता है।
फेफड़े और आवरण (Lungs & Pleura)
श्वसनी, श्वसनिकाओं और कूपिकाओं का शाखाओं वाला जाल मिलकर फेफड़े (Lungs) बनाता है। हमारे पास दो फेफड़े हैं।
फेफड़े एक दोहरी परत वाली झिल्ली से ढके होते हैं जिसे फुप्फुसावरण (Pleural Membrane) कहते हैं। दोनों परतों के बीच प्लुरल द्रव (Pleural fluid) भरा होता है। यह द्रव फेफड़ों की सतह पर घर्षण (Friction) को कम करता है।
बाहरी प्लुरल झिल्ली वक्षीय गुहा (Thoracic cavity) के संपर्क में रहती है, जबकि भीतरी झिल्ली फेफड़ों की सतह के संपर्क में रहती है। वक्षीय कक्ष पीछे से रीढ़ की हड्डी, आगे से उरोस्थि (Sternum), किनारों पर पसलियों (Ribs) और नीचे डायाफ्राम (Diaphragm) से बना एक वायुरुद्ध कक्ष (Air-tight chamber) है।
श्वसन की क्रियाविधि (Mechanism of Breathing)
सांस लेने में दो चरण होते हैं: अंतःश्वसन (Inspiration), जिसके दौरान वायुमंडलीय हवा अंदर खींची जाती है, और निःश्वसन (Expiration), जिसके द्वारा कूपिका हवा बाहर निकलती है। हवा का आना-जाना फेफड़ों और वायुमंडल के बीच दबाव प्रवणता (Pressure gradient) के कारण होता है। इस दबाव प्रवणता को उत्पन्न करने में डायाफ्राम और पसलियों के बीच मौजूद बाह्य और आंतरिक इंटरकोस्टल मांसपेशियां (Intercostal muscles) मदद करती हैं।
1. अंतःश्वसन (Inspiration)
यह तब होता है जब फेफड़ों के भीतर का दबाव (Intra-pulmonary pressure) वायुमंडलीय दबाव से कम (Negative) होता है।
• प्रक्रिया: डायाफ्राम सिकुड़ता (Contracts) है और नीचे की ओर (चपटा) हो जाता है। बाह्य इंटरकोस्टल मांसपेशियां सिकुड़ती हैं, जो पसलियों और उरोस्थि (Sternum) को ऊपर और बाहर की ओर उठाती हैं।
• परिणाम: वक्षीय गुहा का आयतन बढ़ जाता है। बॉयल के नियम के अनुसार, आयतन बढ़ने से फेफड़ों के अंदर दबाव कम हो जाता है। हवा तुरंत बाहर से फेफड़ों में भर जाती है।
• प्रक्रिया: डायाफ्राम सिकुड़ता (Contracts) है और नीचे की ओर (चपटा) हो जाता है। बाह्य इंटरकोस्टल मांसपेशियां सिकुड़ती हैं, जो पसलियों और उरोस्थि (Sternum) को ऊपर और बाहर की ओर उठाती हैं।
• परिणाम: वक्षीय गुहा का आयतन बढ़ जाता है। बॉयल के नियम के अनुसार, आयतन बढ़ने से फेफड़ों के अंदर दबाव कम हो जाता है। हवा तुरंत बाहर से फेफड़ों में भर जाती है।
2. निःश्वसन (Expiration)
यह तब होता है जब फेफड़ों के भीतर का दबाव वायुमंडलीय दबाव से अधिक हो जाता है।
• प्रक्रिया: डायाफ्राम और बाह्य इंटरकोस्टल मांसपेशियां शिथिल (Relax) हो जाती हैं। डायाफ्राम वापस अपने गुंबद (Dome) के आकार में आ जाता है और पसलियां अपनी सामान्य स्थिति में लौट आती हैं।
• परिणाम: वक्षीय गुहा का आयतन कम हो जाता है। फेफड़ों का दबाव बढ़ जाता है, जिससे हवा बाहर निकल जाती है। (हम पेट की मांसपेशियों की मदद से इस क्रिया को बलपूर्वक भी कर सकते हैं)।
• प्रक्रिया: डायाफ्राम और बाह्य इंटरकोस्टल मांसपेशियां शिथिल (Relax) हो जाती हैं। डायाफ्राम वापस अपने गुंबद (Dome) के आकार में आ जाता है और पसलियां अपनी सामान्य स्थिति में लौट आती हैं।
• परिणाम: वक्षीय गुहा का आयतन कम हो जाता है। फेफड़ों का दबाव बढ़ जाता है, जिससे हवा बाहर निकल जाती है। (हम पेट की मांसपेशियों की मदद से इस क्रिया को बलपूर्वक भी कर सकते हैं)।
सामान्य श्वसन दर
एक स्वस्थ मनुष्य एक मिनट में 12 से 16 बार सांस लेता है। श्वसन गतियों में शामिल हवा की मात्रा का अनुमान स्पाइरोमीटर (Spirometer) का उपयोग करके लगाया जा सकता है, जो फेफड़ों के कार्यों के नैदानिक मूल्यांकन (Clinical assessment) में मदद करता है।
श्वसन संबंधी आयतन और क्षमताएं
| आयतन / क्षमता (Volume / Capacity) | विवरण (Description) | मात्रा (ml में) |
|---|---|---|
| ज्वारीय आयतन (Tidal Volume - TV) | सामान्य श्वसन के दौरान अंदर ली गई या बाहर निकाली गई हवा की मात्रा। | लगभग 500 ml |
| अंतःश्वसन सुरक्षित आयतन (IRV) | अतिरिक्त हवा की वह मात्रा जो एक व्यक्ति बलपूर्वक अंदर ले सकता है। | 2500 - 3000 ml |
| निःश्वसन सुरक्षित आयतन (ERV) | अतिरिक्त हवा की वह मात्रा जो एक व्यक्ति बलपूर्वक बाहर निकाल सकता है। | 1000 - 1100 ml |
| अवशिष्ट आयतन (Residual Volume - RV) | बलपूर्वक निःश्वसन के बाद भी फेफड़ों में शेष रहने वाली हवा की मात्रा। | 1100 - 1200 ml |
| अंतःश्वसन क्षमता (IC) | सामान्य निःश्वसन के बाद कुल हवा जो अंदर ली जा सकती है (TV + IRV)। | ~ 3000 - 3500 ml |
| निःश्वसन क्षमता (EC) | सामान्य अंतःश्वसन के बाद कुल हवा जो बाहर निकाली जा सकती है (TV + ERV)। | ~ 1500 - 1600 ml |
| कार्यात्मक अवशिष्ट क्षमता (FRC) | सामान्य निःश्वसन के बाद फेफड़ों में बची हवा की मात्रा (ERV + RV)। | ~ 2100 - 2300 ml |
| जैव क्षमता (Vital Capacity - VC) | बलपूर्वक निःश्वसन के बाद हवा की अधिकतम मात्रा जो अंदर ली जा सकती है (ERV + TV + IRV)। | ~ 4000 - 4600 ml |
| कुल फुप्फुस क्षमता (TLC) | अधिकतम अंतःश्वसन के बाद फेफड़ों में हवा की कुल मात्रा (RV + ERV + TV + IRV)। | ~ 5100 - 5800 ml |
गैसों का विनिमय (Exchange of Gases)
गैसों का विनिमय दो स्थानों पर होता है: कूपिकाओं (Alveoli) में और ऊतकों (Tissues) में। यह विनिमय दबाव या सांद्रता प्रवणता (Pressure/Concentration gradient) के आधार पर सरल विसरण (Simple diffusion) द्वारा होता है। गैसों के मिश्रण में किसी एक गैस द्वारा डाले गए दबाव को आंशिक दाब (Partial Pressure) कहते हैं (ऑक्सीजन के लिए pO2 और कार्बन डाइऑक्साइड के लिए pCO2)।
विभिन्न भागों में आंशिक दाब (mm Hg में)
| गैस | वायुमंडलीय हवा | कूपिका (Alveoli) | ऑक्सीजन रहित रक्त | ऑक्सीजन युक्त रक्त | ऊतक (Tissues) |
|---|---|---|---|---|---|
| O2 | 159 | 104 | 40 | 95 | 40 |
| CO2 | 0.3 | 40 | 45 | 40 | 45 |
तालिका से स्पष्ट है कि कूपिका में O2 का दबाव (104) रक्त (40) से अधिक है, इसलिए O2 कूपिका से रक्त में विसरित होती है। इसी तरह, ऊतकों में CO2 का दबाव (45) रक्त (40) से अधिक है, इसलिए CO2 ऊतकों से रक्त में विसरित होती है।
विसरण झिल्ली (Diffusion Membrane)
CO2 की घुलनशीलता (Solubility) O2 की तुलना में 20-25 गुना अधिक होती है। इसलिए विसरण झिल्ली के पार प्रति इकाई आंशिक दबाव में CO2 का विसरण बहुत अधिक होता है।
विसरण झिल्ली 3 मुख्य परतों से बनी होती है:
1. कूपिका की पतली शल्की उपकला (Squamous epithelium of alveoli)।
2. कूपिका केशिकाओं की एंडोथेलियम (Endothelium of alveolar capillaries)।
3. उनके बीच मौजूद बेसमेंट पदार्थ (Basement substance)。
इन तीनों की कुल मोटाई एक मिलीमीटर से भी बहुत कम होती है, जो गैसों के त्वरित विसरण के लिए अत्यंत अनुकूल है।
विसरण झिल्ली 3 मुख्य परतों से बनी होती है:
1. कूपिका की पतली शल्की उपकला (Squamous epithelium of alveoli)।
2. कूपिका केशिकाओं की एंडोथेलियम (Endothelium of alveolar capillaries)।
3. उनके बीच मौजूद बेसमेंट पदार्थ (Basement substance)。
इन तीनों की कुल मोटाई एक मिलीमीटर से भी बहुत कम होती है, जो गैसों के त्वरित विसरण के लिए अत्यंत अनुकूल है।
गैसों का परिवहन (Transport of Gases)
रक्त (Blood) O2 और CO2 के परिवहन का माध्यम है।
ऑक्सीजन का परिवहन (Transport of O2)
• लगभग 97% O2 लाल रक्त कोशिकाओं (RBCs) द्वारा ले जाई जाती है। शेष 3% रक्त प्लाज्मा में घुलनशील अवस्था में ले जाई जाती है。
• RBCs में मौजूद लाल रंग का लौह युक्त वर्णक हीमोग्लोबिन (Haemoglobin) O2 के साथ प्रतिवर्ती रूप से (Reversibly) जुड़कर ऑक्सीहीमोग्लोबिन (Oxyhaemoglobin) बनाता है। हीमोग्लोबिन का एक अणु अधिकतम O2 के 4 अणुओं को ले जा सकता है।
ऑक्सीजन वियोजन वक्र (Oxygen Dissociation Curve): जब हम pO2 के विरुद्ध हीमोग्लोबिन की प्रतिशत संतृप्ति का ग्राफ बनाते हैं, तो एक सिग्मॉइड वक्र (S-आकार) प्राप्त होता है।
• कूपिकाओं (Alveoli) में: उच्च pO2, कम pCO2, कम H+ आयन (कम अम्लता) और कम तापमान ऑक्सीहीमोग्लोबिन के निर्माण (Formation) के पक्ष में होते हैं (वक्र बाईं ओर शिफ्ट होता है)।
• ऊतकों (Tissues) में: कम pO2, उच्च pCO2, उच्च H+ आयन (अधिक अम्लता) और उच्च तापमान ऑक्सीहीमोग्लोबिन से O2 के अलग होने (Dissociation) के पक्ष में होते हैं (वक्र दाईं ओर शिफ्ट होता है - इसे बोहर प्रभाव भी कहते हैं)।
(सामान्य शारीरिक परिस्थितियों में, हर 100 ml ऑक्सीजन युक्त रक्त ऊतकों को लगभग 5 ml O2 पहुंचाता है)।
• RBCs में मौजूद लाल रंग का लौह युक्त वर्णक हीमोग्लोबिन (Haemoglobin) O2 के साथ प्रतिवर्ती रूप से (Reversibly) जुड़कर ऑक्सीहीमोग्लोबिन (Oxyhaemoglobin) बनाता है। हीमोग्लोबिन का एक अणु अधिकतम O2 के 4 अणुओं को ले जा सकता है।
ऑक्सीजन वियोजन वक्र (Oxygen Dissociation Curve): जब हम pO2 के विरुद्ध हीमोग्लोबिन की प्रतिशत संतृप्ति का ग्राफ बनाते हैं, तो एक सिग्मॉइड वक्र (S-आकार) प्राप्त होता है।
• कूपिकाओं (Alveoli) में: उच्च pO2, कम pCO2, कम H+ आयन (कम अम्लता) और कम तापमान ऑक्सीहीमोग्लोबिन के निर्माण (Formation) के पक्ष में होते हैं (वक्र बाईं ओर शिफ्ट होता है)।
• ऊतकों (Tissues) में: कम pO2, उच्च pCO2, उच्च H+ आयन (अधिक अम्लता) और उच्च तापमान ऑक्सीहीमोग्लोबिन से O2 के अलग होने (Dissociation) के पक्ष में होते हैं (वक्र दाईं ओर शिफ्ट होता है - इसे बोहर प्रभाव भी कहते हैं)।
(सामान्य शारीरिक परिस्थितियों में, हर 100 ml ऑक्सीजन युक्त रक्त ऊतकों को लगभग 5 ml O2 पहुंचाता है)।
कार्बन डाइऑक्साइड का परिवहन (Transport of CO2)
• लगभग 20-25% CO2 हीमोग्लोबिन द्वारा कार्बामिनो-हीमोग्लोबिन (Carbamino-haemoglobin) के रूप में ले जाई जाती है。
• लगभग 70% CO2 बाइकार्बोनेट (Bicarbonate - HCO3-) आयनों के रूप में ले जाई जाती है。
• लगभग 7% CO2 रक्त प्लाज्मा में घुलनशील अवस्था में ले जाई जाती है。
कार्बोनिक एनहाइड्रेज (Carbonic anhydrase): RBCs में इस एंजाइम की सांद्रता बहुत अधिक होती है (प्लाज्मा में भी थोड़ी मात्रा होती है)। ऊतकों में, यह एंजाइम CO2 और H2O को मिलाकर कार्बोनिक अम्ल (H2CO3) और फिर बाइकार्बोनेट (HCO3-) और H+ में बदल देता है। कूपिकाओं में, जहाँ pCO2 कम होता है, यह प्रतिक्रिया उल्टी दिशा में चलती है और CO2 व H2O बन जाते हैं, जो बाहर निकल जाते हैं。
(हर 100 ml ऑक्सीजन रहित रक्त कूपिका को लगभग 4 ml CO2 पहुंचाता है)।
• लगभग 70% CO2 बाइकार्बोनेट (Bicarbonate - HCO3-) आयनों के रूप में ले जाई जाती है。
• लगभग 7% CO2 रक्त प्लाज्मा में घुलनशील अवस्था में ले जाई जाती है。
कार्बोनिक एनहाइड्रेज (Carbonic anhydrase): RBCs में इस एंजाइम की सांद्रता बहुत अधिक होती है (प्लाज्मा में भी थोड़ी मात्रा होती है)। ऊतकों में, यह एंजाइम CO2 और H2O को मिलाकर कार्बोनिक अम्ल (H2CO3) और फिर बाइकार्बोनेट (HCO3-) और H+ में बदल देता है। कूपिकाओं में, जहाँ pCO2 कम होता है, यह प्रतिक्रिया उल्टी दिशा में चलती है और CO2 व H2O बन जाते हैं, जो बाहर निकल जाते हैं。
(हर 100 ml ऑक्सीजन रहित रक्त कूपिका को लगभग 4 ml CO2 पहुंचाता है)।
श्वसन का नियमन और विकार (Regulation & Disorders)
श्वसन का नियमन (Regulation of Respiration)
मनुष्य में शरीर के ऊतकों की मांग के अनुसार श्वसन की लय (Rhythm) को बनाए रखने और संयत करने की महत्वपूर्ण क्षमता होती है। यह तंत्रिका तंत्र (Nervous system) द्वारा किया जाता है।
- श्वसन लय केंद्र (Respiratory Rhythm Centre): मस्तिष्क के मेडुला (Medulla) क्षेत्र में स्थित यह केंद्र श्वसन को विनियमित करने के लिए मुख्य रूप से जिम्मेदार है।
- न्यूमोटैक्सिक केंद्र (Pneumotaxic Centre): मस्तिष्क के पोन्स (Pons) क्षेत्र में स्थित। यह लय केंद्र के कार्यों को कम कर सकता है। यह अंतःश्वसन की अवधि को कम (Reduce) कर सकता है और इस प्रकार श्वसन दर को बदल सकता है।
- रसायन संवेदनशील क्षेत्र (Chemosensitive Area): यह लय केंद्र के ठीक बगल में स्थित है। यह CO2 और H+ आयनों के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है। इनके बढ़ने पर यह क्षेत्र लय केंद्र को संकेत भेजता है ताकि वह श्वसन दर बढ़ाए और इन पदार्थों को बाहर निकाल सके। (ध्यान दें: श्वास को नियंत्रित करने में ऑक्सीजन (O2) की भूमिका नगण्य होती है)।
श्वसन तंत्र के विकार (Disorders of Respiratory System)
दमा (Asthma)
यह श्वासनली (Bronchi) और श्वसनिकाओं (Bronchioles) की सूजन (Inflammation) के कारण होता है। इसमें घरघराहट (Wheezing) की आवाज आती है और सांस लेने में कठिनाई होती है। यह मुख्य रूप से एक एलर्जिक प्रतिक्रिया है।
वातस्फीति (Emphysema)
यह एक गंभीर (Chronic) विकार है जिसमें कूपिका की दीवारें (Alveolar walls) क्षतिग्रस्त हो जाती हैं, जिससे श्वसन के लिए उपलब्ध सतह क्षेत्र कम हो जाता है। इसका एक प्रमुख कारण सिगरेट धूम्रपान (Cigarette smoking) है।
व्यावसायिक श्वसन विकार (Occupational Respiratory Disorders)
कुछ उद्योगों में, विशेष रूप से पत्थर की घिसाई या पिसाई (Stone grinding) वाले स्थानों पर, इतनी अधिक धूल उत्पन्न होती है कि शरीर के रक्षा तंत्र इससे पूरी तरह से नहीं निपट पाते। लंबे समय तक इसके संपर्क में रहने से फेफड़ों में सूजन आ जाती है जिससे फाइब्रोसिस (Fibrosis - रेशेदार ऊतकों का प्रसार) होता है। इससे फेफड़ों को गंभीर नुकसान होता है। (उदा: सिलिकोसिस / Silicosis और एस्बेस्टोसिस / Asbestosis)। ऐसे उद्योगों में श्रमिकों को सुरक्षात्मक मास्क पहनने चाहिए।
अध्याय का संपूर्ण सारांश (Chapter Summary)
श्वसन जीवन की एक ऐसी स्वचालित प्रक्रिया है जो हमें बिना सोचे ऊर्जा प्रदान करती है। यह फेफड़ों, रक्त और हृदय के अद्भुत समन्वय का परिणाम है।
श्वसन तंत्र
नासाछिद्र से लेकर कूपिका तक। डायाफ्राम सांस लेने में मुख्य भूमिका निभाता है।
गैसों का विनिमय
आंशिक दाब (pO2, pCO2) के आधार पर सरल विसरण द्वारा।
परिवहन
O2 ऑक्सीहीमोग्लोबिन के रूप में (97%) और CO2 बाइकार्बोनेट (70%) के रूप में।
नियमन और विकार
मेडुला द्वारा नियंत्रण (CO2 के प्रति संवेदनशील)। दमा और वातस्फीति (धूम्रपान) मुख्य विकार हैं।