श्वसन और गैसों का विनिमय

अध्याय: साँس लेना और गैसों का आदान-प्रदान (Breathing and Exchange of Gases)

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1. मुख्य परिभाषाएँ (Key Definitions)

• श्वसन (Respiration): वायुमंडलीय ऑक्सीजन ($O2$) को शरीर के अंदर लेना और कोशिकाओं से मेटाबोलिक गतिविधियों के दौरान उत्पन्न कार्बन डाइऑक्साइड ($CO2$) को बाहर छोड़ना, साथ ही ऊर्जा (ATP) का उत्पादन करना श्वसन कहलाता है।
• श्वासोच्छवास (Breathing / Ventilation): वायुमंडलीय हवा को फेफड़ों के अंदर लेना (अंतःश्वसन) और फेफड़ों की हवा को बाहर छोड़ना (उत्सवास) श्वासोच्छवास कहलाता है।
• श्वसन अंग (Respiratory Organs): जीवों में गैसों के आदान-प्रदान के लिए अलग-अलग अंग होते हैं:
• त्वचा (Skin): केंचुआ (Earthworm)
• गलफड़े (Gills): मछलियाँ, जलीय आर्थ्रोपोड
• फेफड़े (Lungs): सरीसृप, पक्षी, स्तनधारी (मानव सहित)

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2. मानव श्वसन तंत्र (Human Respiratory System)

मानव श्वसन तंत्र मुख्य रूप से निम्नलिखित भागों से मिलकर बना है:

• नासा मार्ग (Nasal Passage): हवा को अंदर लेता है, फिल्टर करता है और नम बनाता है।
• ग्रसनी (Pharynx): नासा मार्ग और श्वासनली का सामान्य रास्ता।
• लैरिंक्स (Larynx / Voice Box): ध्वनि उत्पन्न करने वाला यंत्र।
• श्वासनली (Trachea): उपास्थि (Cartilage) के छल्लों से बनी नली जो फेफड़ों तक हवा पहुँचाती है।
• ब्रोंकाई और ब्रोंकियोल (Bronchi & Bronchioles): श्वासनली फेफड़ों के अंदर जाकर छोटी शाखाओं में बंट जाती है।
• कुपिकाएँ (Alveoli): पतली झिल्ली वाली गुब्बारे जैसी संरचनाएँ, जहाँ वास्तविक गैसों का आदान-प्रदान होता है। (यह श्वसन तंत्र की कार्यात्मक इकाई है)।

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3. श्वासोच्छवास की क्रियाविधि (Mechanism of Breathing)

श्वासोच्छवास में दो मुख्य प्रक्रियाएँ होती हैं:

• क) अंतःश्वसन (Inspiration):
• जब वायुमंडलीय हवा फेफड़ों में प्रवेश करती है।
• डायाफ्राम (Diaphragm) सिकुड़ता है और चपटा हो जाता है।
• बाह्य अंतरपर्शुक पेशियाँ (External Intercostal Muscles) सिकुड़ती हैं, जिससे पसलियाँ ऊपर और बाहर की ओर गति करती हैं।
• वक्ष गुहा (Thoracic cavity) का आयतन बढ़ता है और दाब कम हो जाता है, जिससे हवा बाहर से फेफड़ों में अंदर आ जाती है।

• ख) उत्सवास (Expiration):
• जब फेफड़ों की हवा बाहर छोड़ी जाती है।
• डायाफ्राम और अंतरपर्शुक पेशियाँ अपने सामान्य आकार में वापस आती हैं।
• वक्ष गुहा का आयतन घटता है और फेफड़ों पर दबाव बढ़ता है, जिससे हवा बाहर धकेल दी जाती है।

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4. श्वसन आयतन और क्षमताएँ (Respiratory Volumes and Capacities)

• टी.वी. (Tidal Volume - TV): सामान्य श्वसन के दौरान प्रति श्वास ली गई या छोड़ी गई हवा की मात्रा।
• मान: लगभग 500 mL प्रति श्वास।
• आई.आर.वी. (Inspiratory Reserve Volume - IRV): बलपूर्वक अंतःश्वसन द्वारा हवा की अतिरिक्त मात्रा जो अंदर खींची जा सकती है।
• मान: 2500 mL से 3000 mL।
• ई.आर.वी. (Expiratory Reserve Volume - ERV): बलपूर्वक उत्सवास द्वारा हवा की अतिरिक्त मात्रा जो बाहर निकाली जा सकती है।
• मान: 1000 mL से 1100 mL।
• आर.वी. (Residual Volume - RV): बलपूर्वक उत्सवास के बाद भी फेफड़ों में शेष बची हवा की मात्रा।
• मान: 1100 mL से 1200 mL।
• वी.सी. (Vital Capacity - VC): बलपूर्वक साँસ छोड़ने के बाद ली जा सकने वाली अधिकतम हवा की मात्रा (TV + IRV + ERV)।
• टी.एल.सी. (Total Lung Capacity - TLC): अधिकतम प्रयास के बाद फेफड़ों में मौजूद कुल हवा की मात्रा (VC + RV या TV + IRV + ERV + RV)।

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5. गैसों का आदान-प्रदान (Exchange of Gases)

• यह कुपिकाओं (Alveoli) और ऊतकों (Tissues) में आंशिक दाब (Partial Pressure - $pO2$ और $pCO2$) के अंतर के आधार पर सरल विसरण (Simple Diffusion) द्वारा होता है।
• कुपिकाओं में: $O2$ का आंशिक दाब अधिक होता है, इसलिए $O2$ कुपिकाओं से रक्त में जाती है; $pCO2$ कम होता है, इसलिए $CO2$ रक्त से कुपिकाओं में आती है।
• ऊतकों में: $O2$ का आंशिक दाब कम और $CO2$ का अधिक होता है, जिससे गैसों का आदान-प्रदान विपरीत दिशा में होता है।

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6. गैसों का परिवहन (Transport of Gases)

• क) ऑक्सीजन का परिवहन ($O_2$ Transport):
• लगभग 97% $O_2$ का परिवहन लाल रक्त कणिकाओं (RBCs) में मौजूद हीमोग्लोबिन (Hemoglobin) द्वारा ऑक्सीहीमोग्लोबिन के रूप में होता है।
• लगभग 3% $O_2$ प्लाज्मा में घुली हुई अवस्था में प्रवाहित होती है।
• ऑक्सीजन वियोजन वक्र (Oxygen Dissociation Curve): $pO_2$ और हीमोग्लोबिन की संतृप्ति (Saturation) के बीच का ग्राफ सिग्मॉइड (Sigmoid - S आकार का) होता है।
• फेफड़ों में उच्च $pO2$, कम $pCO2$, कम $H^+$ सांद्रता और कम तापमान ऑक्सीहीमोग्लोबिन के निर्माण में सहायक हैं।
• ऊतकों में निम्न $pO2$, उच्च $pCO2$, उच्च $H^+$ सांद्रता और उच्च तापमान ऑक्सीहीमोग्लोबिन के वियोजन (टूटने) में सहायक हैं।

• ख) कार्बन डाइऑक्साइड का परिवहन ($CO_2$ Transport):

$CO_2$ का परिवहन तीन तरीकों से होता है:

1. कार्बोनिक अम्ल के रूप में (प्लाज्मा में घुलकर): लगभग 7%।

2. कार्बामिनोहीमोग्लोबिन के रूप में: लगभग 20-25% (RBCs के हीमोग्लोबिन के साथ बंधकर)।

3. बाइकार्बोनेट आयनों ($HCO_3^-$) के रूप में: लगभग 70% (यह मुख्य तरीका है, जिसमें एंजाइम कार्बोनिक एनहाइड्रेज़ मदद करता है)।

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7. श्वसन का नियमन (Regulation of Respiration)

• श्वसन लय केंद्र (Respiratory Rhythm Center): मस्तिष्क के मेडला ओबलांगेटा (Medulla Oblongata) में स्थित होता है जो श्वसन को नियंत्रित करता है।
• न्युमोटाक्सिक केंद्र (Pneumotaxic Center): मस्तिष्क के पोंस (Pons) क्षेत्र में स्थित होता है, जो श्वसन लय केंद्र के कार्यों को संशोधित (Modify) कर सकता है।
• रासायनिक संवेदी क्षेत्र (Chemosensitive Area): मेडला के पास स्थित होता है जो $CO_2$ और $H^+$ सांद्रता के बढ़ने के प्रति संवेदनशील होता है और श्वसन दर को बढ़ाता है।

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8. श्वसन तंत्र के विकार (Disorders of Respiratory System)

• दमा (Asthma): ब्रोन्काई और ब्रोंकियोल में सूजन के कारण साँस लेने में घरघराहट और कठिनाई होती है।
• वातस्फीति (Emphysema): यह एक पुरानी बीमारी है जिसमें कुपिका की भित्तियाँ क्षतिग्रस्त हो जाती हैं, जिससे श्वसन सतह घट जाती है (मुख्यतः धूम्रपान से)।
• व्यावसायिक श्वसन विकार (Occupational Respiratory Disorders): पत्थर तोड़ने या कोयला खदानों में काम करने वाले लोगों में धूल के कणों के लगातार संपर्क में आने से फेफड़ों में फाइब्रोसिस (फाइबर ऊतक का बढ़ना) हो जाता है, जैसे- सिलिकोसिस।