מערכת הנשימה שלנו מבצעת חילוף גזים יעיל בנאדיות, שם חמצן עובר לדם ופחמן דו-חמצני משתחרר. חילופי הגזים נעשים באמצעות התכונות המיוחדות של חלבון ההמוגלובין
כדי להבין איך הריאות מפרידות בין גזים, עלינו להבין קודם איך הן פועלות. כאשר אנו נושמים אנחנו מכניסים אוויר, המכיל תערובת גזים, ביניהם חמצן, חנקן ופחמן דו-חמצני, מחלל האף והפה דרך קנה הנשימה. האוויר מתפצל לשתי הריאות ועובר דרך בצינורות קטנים יותר – הסימפונות - שמתפצלים שוב לצינורות יותר ויותר קטנים יותר, עד שלבסוף האוויר מגיע אל הנאדיות.
הנאדיות הן מעין בלון קטן בעל מבנה של אשכול ענבים. כיוון שהן קטנות מאד, שטח הפנים שלהן גדול מאד ביחס לגודלן. בנוסף, הן עשויות קרום דק בעובי של תא בודד. הנאדיות עטופות בנימי דם דקיקים אף הם בעובי של תא בודד וכל אלו מאפשרים התאמה מושלמת לתהליך המתרחש באותו איזור - חילוף הגזים.
סרטון יפה המציג את מבנה הנאדיות:
באוויר שאנו שואפים יש כ-78% חנקן, כ-21% חמצן, וגזים נוספים המצויים בכמות קטנה מאד ומהווים יחד כאחוז אחד מהאוויר - ומתוכו כ-0.03% פחמן דו-חמצני. באופן עקרוני כל הגזים המצויים באוויר מגיעים אל הנאדיות ויכולים לעבור בפיעפוע דרך השכבות הדקות אל זרם הדם, זאת בהתאם ליכולתם להתמוסס בנוזל הדם. יכולת ההתמוססות תלויה בפרמטרים פיזיקאליים כגון הטמפרטורה של נוזל הדם והלחץ החלקי של כל גז באוויר, כלומר, החלק היחסי שתורם גז מסוים ללחץ הכללי של האוויר. באופן כללי ניתן לומר שהמעבר הוא מריכוז גבוה- בנאדיות לריכוז נמוך- בנוזל הדם. אז איך בעצם גופנו מצליח להבדיל בין החמצן והגזים האחרים?
תאי הדם וההמוגלובין
בזרם הדם שלנו זורמים תאי הדם האדומים, תאים אלו עשירים מאד בחלבון שנקרא המוגלובין. להמוגלובין מבנה ייחודי והוא מכיל מולקולות של ברזל המאפשרות לו לקשור מולקולות חמצן ופחמן דו-חמצני. כאשר עוברים תאי הדם האדומים בנימים הדקים העוטפים את הנאדיות, נקשרות מולקולות החמצן אל ההמוגלובין שבתאים וכך נישא החמצן אל הלב ומשם דרך מחזור הדם הגדול אל הרקמות השונות. למעשה רק 2% מן החמצן בגופנו מצוי חופשי בזרם הדם ו-98% קשור להמוגלובין.
כיוון שתאי הדם האדומים זורמים כל הזמן ולוקחים איתם את החמצן שנקשר להמוגלובין, נשמר ריכוז נמוך של חמצן בנימי הדם הצמודים לנאדיות וזה מאפשר לעוד ועוד חמצן להתמוסס אל הדם. זהו יתרון שאין לשאר הגזים באוויר. ברקמות הלחץ החלקי של החמצן נמוך ולכן לפי עיקרון המעבר מריכוז גבוה לנמוך, משתחרר החמצן מן ההמוגלובין וחודר אל תאי הגוף שם משמש בתהליך הנשימה.
מבנה מערכת הנשימה | מקור: נחלת הכלל, ויקיפדיה.
מייצרים פחמן דו-חמצני
כאשר אנו מטפסים על הר גבוה, האוויר דליל יותר ולכן הלחץ החלקי של החמצן נמוך יותר. במצב כזה פחות חמצן נקשר אל ההמוגלובין ונוצר מצב של חוסר חמצן ברקמות, המתבטא בסחרחורת, כאב ראש וקושי בביצוע פעולות פיזיות (כמו הטיפוס על ההר). מצב כזה נקרא מחלת גבהים. גם כאשר לנו חסר בגוף ברזל, הדרוש בבניית חלבון ההמוגלובין, יהיה קושי בקשירת מספיק חמצן ונחוש עייפות מתמשכת. מצב זה נקרא אנמיה והרבה פעמים ניתן לפתור אותו במתן תוספת ברזל.
בתהליך הנשימה ברקמות הגוף נוצר כתוצר לוואי הגז פחמן דו-חמצני (CO2) שאף הוא נקשר אל חלבון ההמוגלובין. הפחמן הדו-חמצני נקשר לכדורית הדם באזור שונה מהחמצן, וגורם לשינוי במבנה המרחבי של ההמוגלובין, מה שמקטין את יכולת הקישור שלו לחמצן ומעודד את שחרור החמצן ברקמות.
רמת החומציות ברקמות גבוהה יותר מאשר בריאות, וגם זה מעודד את השינוי במבנה ההמוגלובין, ומאפשר עוד שחרור של חמצן. הפחמן הדו-חמצני שנקשר אל ההמוגלובין נישא דרך מחזור הדם הקטן מן הרקמות אל הלב, ומשם אל הריאות, שם הוא משתחרר, כיוון שריכוזו נמוך באזור זה. שם מתאפשר שינוי מרחבי של ההמוגלובין, והוא משנה את צורתו לכזו הקושרת חמצן היטב, והוא מתמלא שוב במולקולות חמצן שיילקחו אל הרקמות. בעת הנשיפה הפחמן הדו-חמצני מהווה כ-4% מכלל האוויר, בעוד בזמן השאיפה הוא נמצא בכמות מזערית של כ-0.03 אחוזים. זו הסיבה שכאשר אנו נמצאים בחדר סגור מלא אנשים אנו חשים תחושה של מחנק.
20 ש' של כדורית דם אדומה במחזור הדם. שימו לב לשינוי הצורה בעת הכניסה לקפילרות ולשינוי הצבע כשהיא נושאת חמצן או פחמן דו-חמצני. מקור: Rogeriopfm, ויקיפדיה
גזים שלא משתחררים
ישנם גזים נוספים שמסוגלים להיקשר להמוגלובין, למשל הגז הרעיל פחמן חד-חמצני - CO, המכיל מולקולת חמצן אחת ולא שתיים כמו הפחמן הדו-חמצני. בניגוד לחמצן ו-CO2 שנקשרים בצורה הפיכה אל ההמוגלובין, הפחמן החד-חמצני נקשר קישור חזק ולא משתחרר בעקבות ירידה בריכוזו. במצב כזה אין אפשרות להמוגלובין לקשור חמצן ולכן אדם הנחשף לגז ה-CO נחנק.
ללחץ החלקי של החמצן באויר שאנו נושמים ולחלבון ההמוגלובין בתאי הדם חשיבות רבה לתקינות פעולת הנשימה. ללא ההמוגלובין, לחמצן לא הייתה עדיפות על פני הגזים האחרים.
