สิ่งมีชีวิตทุกชนิดต่างต้องการพลังงาน เพื่อนำมาใช้ในกิจกรรมต่าง ๆ ของการดำรงชีวิต โดยพลังงานส่วนใหญ่ได้มาจากการย่อยสลายโมเลกุลสารอาหารหรือกระบวนการที่เรียกว่า “การแลกเปลี่ยนก๊าซ” (Gas Exchange) และ “ระบบหายใจ” (Respiratory Systems) ซึ่งจำเป็นต้องใช้ก๊าซออกซิเจน (Oxygen: O2) เพื่อก่อให้เกิดปฏิกิริยาเคมีต่าง ๆ โดยสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีกลไกและอวัยวะที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนก๊าซแตกต่างกันออกไปตามความซับซ้อนทางโครงสร้างร่างกาย และสภาพแวดล้อมหรือถิ่นที่อยู่อาศัย
ขั้นตอนของกระบวนการหายใจ สามารถแบ่งออกเป็น 2 ขั้นตอน คือ
- การหายใจภายนอกเซลล์ (External Respiration หรือ Breathing) คือ การนำอากาศเข้าสู่เซลล์หรือร่างกาย ก่อนเกิดการแลกเปลี่ยนก๊าซระหว่างสิ่งแวดล้อมกับอวัยวะที่ใช้หายใจ เช่น ปอด เหงือก ผิวหนัง ท่อลม และปากใบของพืช เป็นต้น
- การหายใจภายในเซลล์ (Internal Respiration หรือ Cellular Respiration) คือ ขั้นตอนของการย่อยสลายสารอาหาร เพื่อให้ได้มาซึ่งพลังงาน เป็นกระบวนการที่ต้องอาศัยออกซิเจนและปฏิกิริยาทางเคมีที่สลับซับซ้อน
ซึ่งสิ่งมีชีวิตบางชนิดไม่จำเป็นต้องมีกระบวนการหายใจครบทั้ง 2 ขั้นตอน ในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว เช่น โพรโทซัว สาหร่ายเซลล์เดียว และจุลินทรีย์ สามารถอาศัยขั้นตอนการหายใจภายในเซลล์เพียงขั้นตอนเดียวในการดำรงชีวิต
ดังนั้น การแลกเปลี่ยนก๊าซ (Gas exchange) คือ การนำก๊าซออกซิเจนจากสิ่งแวดล้อมเข้าสู่เซลล์ต่าง ๆ ของร่างกาย เพื่อให้เกิดกระบวนการหายใจระดับเซลล์และนำของเสียจากการสลายสารอาหารหรือก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกสู่สิ่งแวดล้อมภายนอก เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นโดยอาศัยการแพร่ของสสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์หรือผ่านพื้นผิวที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนก๊าซ (Respiratory Surface) ที่มีลักษณะสำคัญ ดังนี้
- มีความชุ่มชื้นอยู่เสมอ เนื่องจากก๊าซที่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เข้าไปได้จำเป็นต้องอยู่ในรูปของสารละลาย
- มีเยื่อหรือมีผนังบาง เพื่อให้ก๊าซสามารถแพร่ผ่านเข้าและออกได้ง่าย
- มีเส้นเลือดมาหล่อเลี้ยงจำนวนมาก
- มีพื้นที่ผิวสัมผัสมาก
โครงสร้างหรืออวัยวะที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนก๊าซของสิ่งมีชีวิต สามารถจำแนกออกเป็น 4 ประเภท ได้แก่
พื้นผิวของร่างกาย (Body Surface)
มักพบในสิ่งมีชีวิตหรือสัตว์ขนาดเล็กที่มีสัดส่วนของพื้นที่ต่อปริมาตรสูง อย่างเช่น การมีขนาดลำตัวตัวเล็กหรือมีลักษณะลำตัวยาวและแบน เป็นต้น โดยสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ สามารถใช้ผิวหนังทั่วร่างกายเป็นพื้นที่หายใจ จากการมีผิวหนังบางที่ประกอบขึ้นจากเซลล์จำนวนไม่มากนัก ทำให้ก๊าซออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์สามารถแพร่ผ่านเข้าและออกจากร่างกายได้โดยไม่ต้องอาศัยระบบทางเดินหายใจ
ตัวอย่าง โพรโทซัว ฟองน้ำ พยาธิตัวแบน และไส้เดือนดิน
เหงือก (Gill)
เป็นอวัยวะที่ใช้ในการหายใจของสัตว์น้ำหลายชนิด โดยเหงือกทำหน้าที่แลกเปลี่ยนก๊าซออกซิเจนที่ละลายอยู่น้ำ สามารถเปิดและปิดเพื่อเพิ่มพื้นผิวสัมผัสให้น้ำไหลผ่าน อีกทั้ง ในเหงือกของสัตว์ที่มีวิวัฒนาการสูงบางชนิด เช่น ปลากระดูกแข็ง จะมีหลอดเลือดฝอย (Capillaries) มาหล่อเลี้ยงจำนวนมาก และมีเยื่อผิวบางที่ทำให้การแลกเปลี่ยนก๊าซเกิดขึ้นได้ง่าย
ตัวอย่าง ปลา กุ้ง ปลาดาว และหนอนทะเล
ท่อลม (Trachea)
เป็นโครงสร้างที่มักพบมากในแมลง โดยเริ่มจากบริเวณกลางลำตัวที่มีท่อลมขนาดใหญ่ซึ่งแตกแขนงเป็นท่อขนาดเล็กที่เรียกว่า “ช่องหายใจ” (Spiracle) แทรกไปตามเซลล์ในเนื้อเยื่อ โดยทั่วไปจะมีทั้งหมด 10 คู่ คือ ปล้องอก 2 คู่และปล้องท้อง 8 คู่ โดยที่ถัดจากช่องหายใจเข้าไปในลำตัวจะเป็นท่อลม (Trachea) ขนาดเล็กที่ยืดหดได้และท่อลมฝอย (Tracheole) ซึ่งปลายทางท่อลมจะมีผนังเนื้อเยื่อบางมากและมีของเหลวอาบอยู่บริเวณปลายท่อ เมื่ออากาศเดินทางมาตามท่อลมจะถูกละลายอยู่ในของเหลวดังกล่าว ก่อนแพร่เข้าสู่เนื้อเยื่อในบริเวณใกล้เคียง แมลงบางชนิดมีถุงลม (Air Sac) ขนาดใหญ่ช่วยเก็บอากาศไว้หายใจและช่วยอัดอากาศให้ผ่านเข้าออกได้เร็วขึ้น อีกทั้ง การเคลื่อนไหวของลำตัวแมลงทำให้ท่อลมเกิดการยืดหดช่วยให้อากาศไหลเวียนเข้าออกจากระบบท่อลมได้ดี ดังนั้น ระบบหมุนเวียนโลหิตของแมลงจึงมีบทบาทไม่มากนัก เนื่องจากเนื้อเยื่อของแมลงสามารถรับก๊าซออกซิเจนจากท่อลมย่อยได้โดยตรง
ตัวอย่าง แมลง จิ้งหรีด ตั๊กแตน
ปอด (Lung)
เป็นอวัยวะที่ใช้ในการหายใจของสัตว์ชั้นสูงที่อาศัยอยู่บนบกโดยทั่วไป เป็นระบบการแลกเปลี่ยนก๊าซที่เซลล์ต่าง ๆ ในร่างกายไม่ได้สัมผัสอากาศภายนอกโดยตรง ดังนั้น อากาศจึงถูกส่งผ่านมาทางรูจมูกและหลอดลมก่อนเดินทางเข้าสู่ปอด ซึ่งภายในปอด อากาศจะถูกส่งเข้าไปยังถุงลม (Alveolus) ขนาดเล็กจำนวนมาก ซึ่งบริเวณโดยรอบของถุงลมเหล่านี้ จะมีเส้นเลือดฝอยจำนวนมากที่ทำหน้าที่แลกเปลี่ยนก๊าซ มีเม็ดเลือดแดงทำหน้าที่ลำเลียงออกซิเจนจากถุงลมที่แพร่ผ่านเข้าไปในกระแสเลือดส่งไปยังเซลล์ต่าง ๆ ทั่วร่างกาย ก่อนลำเลียงคาร์บอนไดออกไซด์ที่เป็นของเสียออกนอกร่างกายในลักษณะเดียวกัน
ตัวอย่าง สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง เช่น แมงมุม แมงป่อง หอยทาก เป็นต้น และในพวกสัตว์มีกระดูกสันหลัง เช่น นก สุนัข มนุษย์ เป็นต้น
เกร็ดความรู้ : การหายใจของนกนั้น แตกต่างไปจากสัตว์ชนิดอื่น ๆ เนื่องจากนกต้องการพลังงานในปริมาณมาก เพื่อใช้ในการลอยตัวและการบิน ดังนั้น กระดูกของนกจึงมีโพรงเพื่อให้มีน้ำหนักเบา โดยตามโพรงดังกล่าว จะมีถุงลมราว 8 ถึง 9 ถุงแทรกอยู่ เพื่อทำหน้าที่เก็บสำรองอากาศ เมื่ออากาศถูกส่งผ่านจากหลอดลมคอเข้าสู่หลอดลมและปอด อากาศบางส่วนจะถูกกักเก็บไว้ตามถุงลมเหล่านี้ หลังการแลกเปลี่ยนก๊าซภายในปอดเสร็จสิ้น อากาศจากถุงลมจะถูกนำเข้ามาแทนที่ ส่งผลให้นกสามารถแลกเปลี่ยนก๊าซได้ถึง 2 ครั้ง จากการหายใจเข้าเพียงครั้งเดียว
สืบค้นและเรียบเรียง
คัดคณัฐ ชื่นวงศ์อรุณ
อ้างอิง
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) – //www.scimath.org/lesson-biology/item/6977-respiratory-system
โรงเรียนเฉลิมพระเกียรติสมเด็จพระศรีนครินทร์ – //smd-s.kku.ac.th/home/images/Tutorial/Gas%20exchange%20of%20species.pdf
มหาวิทยาลัยมหิดล – //il.mahidol.ac.th/e-media/respiration/L1T1_new.html
ครูบ้านนอกดอทคอม – //www.kroobannok.com/news_file/p95104100642.pdf
เรื่องอื่นๆ ที่น่าสนใจ: ระบบแลกเปลี่ยนก๊าซของมนุษย์