6.1 ระบบหายใจ

                นักเรียนได้ทราบมาแล้วว่าสิ่งมีชีวิตทุกชนิดต้องการพลังงานสำหรับนำไปใช้ในกิจกรรมต่างๆ  พลังงานเหล่านี้ได้มาจากการสลายโมเลกุลของสารอาหาร  โดยประมาณร้อยละ  90  ของพลังงานที่ได้นั้นมาจากการสลายโมเลกุลของสารอาหารแบบใช้ออกซิเจน  ซึ่งจะได้น้ำและแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาด้วย  ดังนั้นสิ่งมีชีวิตจึงจำเป็นต้องมีกระบวนการหายใจเพื่อ นำแก๊สออกซิเจนไปใช้ในกระบวนการเมแทบอลิซึมและปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาสิ่งมีชีวิตที่มีโครงสร้างของร่างกายรวมทั้งสภาพแวดล้อมที่อยู่อาศัยแตกต่างกันจะมีโครงสร้างในการแลกเปลี่ยนแก๊สเหมือนหรือแตกต่างกันหรือไม่ นักเรียนจะได้ศึกษาในหัวข้อต่อไปนี้

คำถาม???    โครงสร้างที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนแก๊สของสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิด  เหมาะสมต่อการดำรงชีวิต  แบะสภาพแวดล้อมที่อยู่อาศัยแตกต่างกันอย่างไร 

 6.1.1โครงสร้างที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนแก๊สของสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวและของสัตว์

               สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว  เช่น  อะมีบา  พารามีเซียม  เซลล์จะสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมที่เป็นน้ำอยู่ตลอดเวลาจึงมีการแลกเปลี่ยนแก๊สกับสิ่งแวดล้อมโดยตรงโดยผ่านเยื่อหุ้มเซลล์  ดังภาพที่ 6-1

              สัตว์หลายเซลล์ขนาดเล็กที่อาศัยอยู่ในน้ำ  และยังไม่มีระบบหมุนเวียนเลือด  เช่น  ฟองน้ำ  ไฮดรา  และหนอนตัวแบน  เซลล์แต่ละเซลล์จะแลกเปลี่ยนแก๊สผ่านเยื่อหุ้มเซลล์โดยตรงเช่นเดียวกับสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว

 
ภาพที่ 6-1  การแลกเปลี่ยนแก๊สของพารามีเซียม


ภาพที่6-2  การแลกเปลี่ยนแก๊สของไฮดรา และพลานาเรีย

สัตว์หลายเซลล์ขนาดเล็กที่มีการพัฒนาระบบเนื้อเยื่อที่ซับซ้อนขึ้น  เช่น  ไส้เดือนดินเริ่มมีระบบหมุนเวียนเลือดช่วยในการแลกเปลี่ยนแก๊ส  ดังภาพที่6-3

ภาพที่ 6-3 การแลกเปลี่ยนแก๊สของไส้เดือนดิน

              ไส้เดือนดิน เป็นสัตว์ที่อาศัยอยู่บนบกมีลำตัวกลม  มีขนาดร่างกายใหญ่กว่าพลานาเรียมาก  ยังไม่มีโครงสร้างที่ทำหน้าที่เฉพาะในการแลกเปลี่ยนแก๊ส  แต่จะมีการแลกเปลี่ยนแก๊สโดยเซลล์ที่อยู่บริเวณผิวหนังของลำตัวที่เปียกชื้น  แก๊สที่แพร่ผ่านผิวหนังเข้ามา  จะถูกลำเลียงโดยระบบหมุนเวียนเลือดไปสู่เซลล์ต่างๆ  ทั่วร่างกายขณะเดียวกันแก๊สที่เซลล์ขจัดออกมาก็จะถูกลำเลียงโดยระบบหมุนเวียนเลือดและปล่อยออกนอกร่างกายทางผิวหนัง

คำถาม   การแลกเปลี่ยนแก๊สของฟองน้ำ  ไฮดรา พลานาเรีย  และไส้เดือนดินเหมือนหรือแตกต่างกันอย่างไร

              สัตว์ที่มีร่างกายขนาดใหญ่และซับซ้อนมากขึ้นเซลล์ที่อยู่ภายในร่างกายไม่มีโอกาสได้สัมผัสกับสิ่งแวดล้อมที่มีแก๊สออกซิเจนโดยตรง  โดยเฉพาะสัตว์ที่มีสิ่งปกคลุมร่างกาย  เช่น  ขน  เกล็ด  ซึ่งแก๊สออกซิเจนผ่านเข้าไปไม่ได้  สัตว์เหล่านี้จำเป็นต้องมีอวัยวะพิเศษ  เพื่อแลกเปลี่ยนแก๊ส  เช่น  เหงือกของปลา  ปอดของคน  และท่อลมของแมลง  เป็นต้น  นักเรียนคิดว่าโครงสร้างของร่างกายที่ทำหน้าที่แลกเปลี่ยนแก๊สจะต้องมีลักษณะสำคัญอย่างไร  เพราะเหตุใด
โครงสร้างที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนแก๊สไม่ว่าจะเป็นผิวหนัง  ปอด  ท่อลม  และเหงือก  จะมีลักษณะสำคัญ  คือ  มีลักษณะบาง  พื้นที่ผิวต้องมากพอที่จะแลกเปลี่ยนแก๊สได้อย่างมีประสิทธิภาพ  มีการลำเลียงแก๊สไปยังเซลล์ที่อยู่บริเวณอื่นๆ  ได้อย่างรวดเร็ว  มีการป้องกันอันตรายให้กับโครงสร้างที่ใช้แลกเปลี่ยนแก๊ส  และต้องมีความชื้นอยู่ตลอดเวลา  เนื่องจากเยื่อหุ้มเซลล์ของสิ่งมีชีวิตทุกชนิดจะคงสภาพอยู่ได้ต้องมีน้ำ  ดังนั้นแก๊สออกซิเจนที่จะผ่านเข้าสู่เซลล์จึงต้องละลายน้ำเสียก่อนจึงจะเข้าสู่เซลล์ได้

ภาพที่ 6-4  โครงสร้างที่ใช้แลกเปลี่ยนแก๊สของแมลง

รู้หรือเปล่า
               นอกจากโครงร่างแข็งของแมลงจะเป็นตัวจำกัดเกี่ยวกับขนาดของแมลงแล้ว  ข้อจำกัดหลักเกี่ยวกับขนาดของตัวแมลงคือ  ระบบหายใจที่ไม่มีประสิทธิภาพ

เมื่อแมลงอยู่ในขณะพัก  แมลงต้องนำออกซิเจนเข้าสู่ร่างกายและกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากร่างกาย  แต่อยู่ในอัตราที่ต่ำ  และต้องเปิดช่องหายใจเกือบทั้งหมด  แต่มี 1-2 คู่ที่ปิดไว้เพื่อรักษาความชื้นของร่างกาย

              แต่ในขณะที่แมลงทำกิจกรรมช่องหายใจทั้งหมดจะเปิด  ในแมลงขนาดเล็กช่องหายใจเหล่านี้จะทำงานโดยขึ้นอยู่กับแรงดันอากาศ  เพื่อดันอากาศเข้าไปในท่อลม  แต่ในแมลงตัวใหญ่จะสามารถปั๊มอากาศเข้า – ออกในท่อลมและช่องหายใจได้โดยอาศัยการทำงานของกล้ามเนื้อต่างๆ  ที่ประสานสัมพันธ์กัน
              แมลง เป็นสัตว์ที่อาศัยอยู่บนบกเป็นส่วนใหญ่  ร่างกายไม่ได้สัมผัสกับน้ำโดยตรงจึงมีวิวัฒนาการอวัยวะแลกเปลี่ยนแก๊สให้อยู่ภายในร่างกายเพื่อให้เซลล์ชุ่มชื้นอยู่เสมอ  และเพื่อป้องกันการสูญเสียน้ำ  โครงสร้างที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนแก๊สของแมลงประกอบด้วย  ท่อลม  (trachea) ซึ่งแตกแขนงเป็น  ท่อลมฝอย (tracheole)  ขนาดเล็ก  ที่มีผนังบางมากแทรกไปตามส่วนต่างๆ  ของร่างกายและไปสิ้นสุดที่เซลล์ของเนื้อเยื่อต่างๆ  ดังภาพที่6-4
              อากาศจะผ่านช่องหายใจ  (spiracle)  ซึ่งเป็นรูเล็กๆ  อยู่ด้านข้างลำตัว  ส่วนท้องเข้าสู่ท่อลม  ท่อลมมีขนาดเล็กและมีผนังบางมาก  การแลกเปลี่ยนแก๊สจะเกิดขึ้นระหว่าง  ปลายท่อลมฝอยขนาดเล็กกับเซลล์โดยตรง  นอกจากนี้แมลงที่บินได้บางชนิดยังมี ถุงลม  (air  sac)  ซึ่งติดต่อกับช่องหายใจอยู่ภายในส่วนท้องเป็นจำนวนมาก  เพื่อสำรองอากาศไว้ขณะบิน
รู้หรือเปล่า
มีการศึกษาค้นพบซากดึกดำบรรพ์ของแมลงปออายุ 65 ล้านปี  พบว่าแมลงปอมีขนาดใหญ่มาก  ขณะกางปีกจะมีความยาวถึง  60-75 เซนติเมตร  แมลงปอลำเลียงแก๊สออกซิเจน  ทางท่อลมสู่เซลล์ต่างๆ  ของร่างกาย  ซึ่งจำเป็นต้องใช้แก๊สออกซิเจนมากและต้องลำเลียงไปยังเซลล์ทุกเซลล์อย่างทั่วถึง  แมลงปอที่มีขนาดเล็กกว่าจึงถูกคัดเลือกตามธรรมชาติตลอดมา  แมลงปอปัจจุบันขณะกางปีกสามารถวัดความยาวได้ประมาณ 7 เซนติเมตร

ภาพที่ 6-5  โครงสร้างที่ใช้แลกเปลี่ยนแก๊สของแมงมุม

              จากภาพที่6-5  นักเรียนจะเห็นว่าแมงมุมไม่มีท่อลมแทรกไปตามเนื้อเยื่อต่างๆ  แต่มีท่อลมซ้อนเป็นชั้นพับไปมามีลักษณะคล้ายแผงและมีหลอดเลือกนำคาร์บอนไดออกไซด์มาแลกเปลี่ยนที่แผงท่อลมนี้แล้วรับออกซิเจน  จึงเรียกโครงสร้างที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนแก๊สของแมงมุมว่า ปอดแผง  (book  lung)

สัตว์น้ำจะได้เปรียบสัตว์บกตรงที่บริเวณแลกเปลี่ยนแก๊สมีความชุ่มชื้นอยู่เสมอเนื่องจากสัมผัสกับน้ำโดยตรง  แต่มีข้อเสียเปรียบคือ  ในน้ำมีปริมาณแก๊สออกซิเจนละลายอยู่น้อยมากคือประมาณร้อยละ 0.5  เมื่อเปรียบเทียบกับปริมาณแก๊สออกซิเจนในอากาศ  ซึ่งมีถึงร้อยละ 21  และแก๊สออกซิเจนยังแพร่ในน้ำได้ช้ากว่าในอากาศประมาณ 1,000  เท่า  ถ้าอุณหภูมิของน้ำสูงขึ้นก็ยิ่งจะมีแก๊สออกซิเจนละลายในน้ำได้น้อยลง  แต่สัตว์น้ำก็สามารถรับแก๊สออกซิเจนได้เพียงพอต่อความต้องการ  เนื่องจากมีการจัดเรียงเนื้อเยื่อของอวัยวะที่ใช้แลกเปลี่ยนแก๊ส  เช่น  เหงือกของปลาและกุ้งจะมีลักษณะเป็นซี่ๆ  เรียงกันเป็นแผง  แต่ละซี่จะมีขนาดเล็กมากประกอบด้วยเซลล์ที่เรียงตัวเป็นชั้นบางๆ  ห่อหุ้มเลือกฝอยทำให้แก๊สสามารถแพร่ผ่านเข้าไปได้ง่าย

ถ้านักเรียนสังเกตปลาที่กำลังว่ายน้ำหรือลอยตัวอยู่นิ่งๆ  จะพบว่าแผ่นกระดูกปิดเหงือกหรือแผ่นแก้มของปลาจะเคลื่อนไหวอยู่ตลอดเวลา  โดยการเคลื่อนไหวจะเป็นจังหวะพอดีกับการอ้าปากและหุบปากของปลาด้วย  การทำงานที่สัมพันธ์กันเช่นนี้ทำให้น้ำ  ซึ่งมีแก๊สออกซิเจนละลายอยู่เข้าทางปากแล้วผ่านออกทางเหงือกตลอดเวลา   และแก๊สออกซิเจนจะแพร่ผ่านเข้าสู่หลอดเลือดฝอยที่เหงือก  แล้วหมุนเวียนไปตามระบบหมุนเวียนเลือดต่อไป  ดังภาพที่ 6-6


ภาพที่ 6-6 ลักษณะของเหงือกปลา

******อวัยวะแลกเปลี่ยนแก๊สของสัตว์น้ำมีความเหมาะสมต่อการดำรงชีวิตอย่างไร******

ภาพที่ 6-7โครงสร้างที่ใช้แลกเปลี่ยนแก๊สของนก

จากภาพที่ 6-7  นักเรียนจะเห็นว่าปอดของนกมีท่อเชื่อต่อกับถุงลมซึ่งมีถึง  9  ถุง ลักษณะเช่นนี้มีประโยชน์ต่อการดำรงชีวิตของนกอย่างไร  นกมีปอดที่เจริญดีทำให้สามารถแลกเปลี่ยนแก๊สได้ดีและนำแก๊สออกซิเจนที่ได้ไปใช้ในการสลายสารอาหารเพื่อให้ได้พลังงานสำหรับใช้ในกิจกรรมต่างๆ  เช่น  ใช้ในการบินซึ่งเป็นกิจกรรมที่ต้องใช้พลังงานมาก  การที่นกมีถุงลมเชื่อมต่อกับปอดนั้นก็เพื่อสำรองอากาศไว้ใช้ขณะบิน  โดยอากาศที่หายใจเข้าแต่ละครั้งจะผ่านถุงลมส่วนหน้าก่อนเข้าสู่ปอดและถุงลมส่วนหลัง  ดังนั้นในแต่ละรอบของการหายใจ  นกจะต้องมีการหายใจเข้าและออก  2  ครั้ง
*****นักเรียนคิดว่าถุงลมของนกทำหน้าที่แลกเปลี่ยนแก๊สได้หรือไม่  เพราะเหตุใด*****

****ให้นักเรียนศึกษา โครงสร้างภายนอกของปอดหมู จากสื่อออนไลน์เว็บชุมชนต่าง ๆ  ตามกิจกรรม 6.1 การศึกษาโครงสร้างภายนอกของปอดหมู ก่อนที่จะปฏิบัติการจริง แล้วให้นักเรียนส่งข้อมูลที่ค้นคว้าได้ทั้งหมดผ่าน ระบบเฟสในกลุ่ม

Leave a comment

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s