วิชาการ.คอม-บทเรียนออนไลน์-ระบบหายใจกับการรักษาดุลยภาพของร่างกาย | บทเรียน วิชาการ.คอม
ชีววิทยา
 

ระบบหายใจกับการรักษาดุลยภาพของร่างกาย

สร้างเมื่อ 06 ก.ค. 2554 11:32:11
  • ระดับม.4
  • 127,226 view

ระบบหายใจกับการรักษาดุลยภาพของร่างกาย

นักเรียนได้ทราบมาแล้วว่าสิ่งมีชีวิตทุกชนิดต้องการพลังงานสำหรับนำไปใช้ในกิจกรรมต่างๆ  พลังงานเหล่านี้ได้มาจากการสลายโมเลกุลของสารอาหาร  โดยประมาณร้อยละ  90  ของพลังงานที่ได้นั้นมาจากการสลายโมเลกุลของสารอาหารแบบใช้ออกซิเจน  ซึ่งจะได้น้ำและแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาด้วย  ดังนั้นสิ่งมีชีวิตจึงจำเป็นต้องมีกระบวนการหายใจเพื่อ นำแก๊สออกซิเจนไปใช้ในกระบวนการเมแทบอลิซึมและปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาสิ่งมีชีวิตที่มีโครงสร้างของร่างกายรวมทั้งสภาพแวดล้อมที่อยู่อาศัยแตกต่างกันจะมีโครงสร้างในการแลกเปลี่ยนแก๊สเหมือนหรือแตกต่างกันหรือไม่ นักเรียนจะได้ศึกษาในหัวข้อต่อไปนี้


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

*******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*****

              สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม  มีปอดเป็นโครงสร้างที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนแก๊สอยู่ภายในร่างกาย  นักเรียนจะได้ศึกษาโครงสร้างปอดของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมจากกิจกรรมต่อไปนี้

กิจกรรม ที่ 6.1  โครงสร้างภายนอกของปอดหมู  หรือปอดวัว
    วัสดุอุปกรณ์
              1.  ปอดหมูหรือปอดวัว
              2.  เครื่องมือผ่าตัด  ถาดผ่าตัด
              3.  สายยางขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง  0.5 cm
              4.  ถุงมือยาง
              5.  ที่สูบลม
    วิธีการทดลอง
              ให้นักเรียนสวมถุงมือยาง  นำปอดไปล้างให้สะอาดและดำเนินการดังนี้
              1.  ให้พิจารณาลักษณะและโครงสร้างของปอด
              2.  ตัดหลอดลม  ลองใช้นิ้วมือบีบแล้วปล่อย  สังเกตการณ์เปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้น  จากนั้นสังเกตการณ์จัดเรียงตัวของกระดูกอ่อน  และรูปร่างของกระดูกอ่อนที่ประกอบกันเป็นหลอดลม
              3.  ผ่าเนื้อปอด  ศึกษาลักษณะภายในของปอด  และขั้วปอด  (bronchus)  ใช้สายยางสอดเข้าไปในหลอดลมแล้วใช้ที่สูบลมสูบเข้าไป  สังเกตการณ์เปลี่ยนแปลง  (ห้ามใช้ปากเป่า)
              4.  ทำเช่นเดียวกับข้อ 3.  แต่เปลี่ยนบริเวณและตำแหน่งที่กรีดเนื้อปอด
              5.  สังเกตทางเดินของอากาศเรียงลำดับตั้งแต่กล่องเสียง  ว่าจะไปสิ้นสุดที่ใด
              6.  วาดรูปโครงสร้างของปอดพร้อมกับชี้ส่วนประกอบ
                            *  ปอดมีสีอะไร  เพราะเหตุใดจึงมีสีเช่นนั้น
                            *  ลักษณะรูปร่างและขนาดของปอดซ้าย  และปอดขวาที่นักเรียนสังเกตได้มีความแตกต่างกันอย่างไร
                            *  เมื่อใช้นิ้วมือบีบหลอดลมแล้วปล่อย  หลอดลมมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร
                            *  ลักษณะของหลอดลม  การจัดเรียงตัวของกระดูกอ่อน  ลักษณะของกระดูกอ่อน  และถุงลมมีความเหมาะสมต่อการทำหน้าที่อย่างไร

 

              จากการศึกษาปอดของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม  นักเรียนจะพบว่าเนื้อปอดจะมีลักษณะหยุ่น  หลอดลมประกอบด้วยกระดูกอ่อนเรียงต่อกัน   เมื่อสูบลมเข้าสู่หลอดลมไปยังขั้วปอดจะเกิดแรงดันอากาศ  เข้าไปในปอดทำให้ปอดขยายตัว  มีปริมาตรเพิ่มมากขึ้น  โครงสร้างที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนแก๊สของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมที่นักเรียนได้ศึกษา  จะมีความคล้ายคลึงกับปอดของคน

              นักเรียนคิดว่าปอดของคนมีพื้นที่ผิวที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนแก๊สเพียงพอกับความต้องการของร่างกายหรือไม่   มีวิธีการอย่างไรในการนำแก๊สออกซิเจนเข้าสู่ร่างกาย   มีระบบลำเลียงแก๊สไปให้เซลล์ต่างๆ   ในร่างกายที่ต้องการแก๊สออกซิเจนอย่างมีประสิทธิภาพหรือไม่   และมีวิธีการอย่างไรในการนำแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดจากกระบวนการสลายสารอาหารออกจากร่างกาย  นักเรียนจะได้ศึกษาในหัวข้อต่อไปนี้

         6.1.2 โครงสร้างที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนแก๊สของคน
              อากาศเข้าสู่ปอดโดยเริ่มเข้าที่ช่องจมูก  แล้วเข้าสู่บริเวณโพรงจมูกซึ่งมีเยื่อบุผิวที่มีซิเลียและเมือกสำหรับดักจับสิ่งสกปรกไว้  อากาศจะเคลื่อนที่ต่อไปยังคอหอยลงสู่กล่องเสียง  ซึ่งภายในมี  สายเสียง (vocal cord)
จากนั้นอากาศจึงเข้าสู่หลอดลม  ปลายสุดของหลอดลมแยกออกเป็นขั้วปอดแยกไปสู่ปอดซ้ายและขวาทั้ง  2  ข้างซึ่งจะแตกแขนงเล็กลงเรื่อยๆ  เรียกว่า  หลอดลมฝอย (bronchiole)   ผนังของหลอดลมฝอยจะบางลงตามลำดับ   ปลายสุดของหลอดสมฝอยเป็นถุงขนาดเล็ก   และหลอดลมฝอยส่วนต้นประกอบด้วยกระดูกอ่อน   เพื่อป้องกันการแฟบจากแรงกดของเนื้อเยื่อบริเวณรอบๆ   ดังภาพที่ 6-8

ภาพที่ 6-8  ก.  ส่วนต่างๆของทางเดินหายใจ ,  ข.ถุงลม

รู้หรือเปล่า
              ปอดของคนอยู่ในทรวงอกมีอยู่ 2 ข้าง  ปอดแต่ละข้างจะมีถุงลมประมาณ  300  ล้านถุง  แต่ละถุงมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย  0.25  มิลลิเมตร  คิดเป็นพื้นที่ผิวทั้งหมดของปอด  ทั้ง  2   ข้าง  ในการแลกเปลี่ยนแก๊สประมาณ  70  ตารางเมตรหรือประมาณ  40  เท่าของพื้นที่ผิวทั่วร่างกาย

              ผนังด้านในของหลอดลมบุด้วยเซลล์บุผิวที่มีซิเลียและเซลล์ซึ่งทำหน้าที่สร้างเมือกเพื่อคอยดักจับสิ่งสกปรกไม่ให้เข้าไปถึงถุงลม
              เมื่ออากาศเข้าสู่ถุงลมซึ่งมีหลอดเลือดฝอยห่อหุ้มอยู่โดยรอบบริเวณนี้จะมีการแลกเปลี่ยนแก๊สเกิดขึ้นเป็นตำแหน่งแรก  โดยแก๊สออกซิเจนจากถุงลมจะแพร่เข้าสู่หลอดเลือดฝอย  และแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จากหลอดเลือดฝอยจะแพร่เข้าสู่ถุงลม  สิ่งที่น่าสงสัยก็คืออากาศเข้าสู่ปอดได้อย่างไร

การสูดลมหายใจ
              เพื่อรักษาดุลยภาพของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และแก๊สออกซิเจนในร่างกายคน  จึงมีการสูดลมหายใจเข้าและลมหายใจออกตลอดเวลา  แสดงว่าความดันของอากาศภายในปอดมีการเปลี่ยนแปลง  สิ่งที่น่าสงสัยก็คือความดันของอากาศภายในปอดเปลี่ยนแปลงได้อย่างไร

              นักเรียนลองเอามือจับกระดูกซี่โครงขณะที่สูดลมหายใจเข้าแรงๆ  พบว่ามีการเปลี่ยนแปลงใดเกิดขึ้น  และเมื่อขณะปล่อยลมหายใจออก  พบว่ามีการเปลี่ยนแปลงเหมือนหรือแตกต่างกับขณะที่สูดลมหายใจเข้าหรือไม่  อย่างไร

               นักเรียนจะเห็นว่าขณะที่สูดลมหายใจเข้ากระดูกซี่โครงยกสูงขึ้น  แบะเมื่อปล่อยลมหายใจออกกระดูกซี่โครงจะลดต่ำลง  การที่กระดูกซี่โครงยกสูงขึ้นและต่ำลงสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงของความดันของอากาศในปอดอย่างไร  และนอกจากการทำงานของกระดูกซี่โครงแล้ว  มีอวัยวะใดอีกบ้างที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงความดันอากาศในปอด  นักเรียนจะได้ศึกษาจากกิจกรรมต่อไปนี้

กิจกรรมที่ 6.2  การจำลองการทำงานของกล้ามเนื้อกะบังลม
วัสดุอุปกรณ์
              1.  กระบอกเข็มฉีดยาพลาสติกใสขนาดใหญ่  เจาะรูด้านบน 1 รู
              2.   ลูกโป่ง
              3.  จุกยางที่มีรู  1  รู
วิธีการทดลอง
              1.  จัดชุดการทดลองดังภาพ

 

              2.  ดึงลูกสูบให้เลื่อนไปอยู่ด้านท้ายของกระบอกสูบ  ใช้หัวแม่มือปิดรูที่กระบอกสูบ  แล้วเลื่อนลูกสูบไปด้านหน้า  สังเกตการณ์เปลี่ยนแปลง  แล้วดึงลูกสูบให้ไปอยู่จุดเดิมพร้อมทั้งสังเกตการเปลี่ยนแปลง

              3.  ทำซ้ำข้อ 2 อีก 1 ครั้ง  แต่ไม่ใช้หัวแม่มือปิดรูที่กระบอกสูบ  สังเกตการณ์เปลี่ยนแปลง
                            *  ลูกโป่งเปรียบเทียบได้กับโครงสร้างใดในการแลกเปลี่ยนแก๊ส
                            *  ลูกสูบเปรียบเทียบได้กับโครงสร้างใด
                            *  ผลการทดลองครั้งแรกกับครั้งที่สองแตกต่างกันหรือไม่  เพราะเหตุใด

              จากการทดลองจะเห็นว่าเมื่อเราปิดรูที่กระบอกสูบ  อากาศภายในกระบอกสูบมีจำกัด  เมื่อเลื่อนลูกสูบขึ้นไปด้านหน้าปริมาตรอากาศภายในกระบอกสูบลดลงความดันอากาศเพิ่มขึ้นจะดันลูกโป่งให้หดตัวบีบให้อากาศภายในลูกโป่งออกจากลูกโป่ง  แต่เมื่อเราดึงลูกสูบกลับที่เดิมอากาศภายในกระบอกสูบเพิ่มปริมาตรมากขึ้น  ความดันอากาศภายในกระบอกสูบลดลง  อากาศภายนอกที่มีความดันสูงกว่าจะไหลเข้าไปในลูกโป่งทำให้ลูกโป่งมีปริมาตรมากขึ้น

              ในทำนองเดียวกันในการหายใจเข้าและการหายใจออกเกิดจากการเปลี่ยนแปลงความดันของอากาศภายในปอด  โดยการทำงานร่วมกันของกล้ามเนื้อกะบังลม  และกล้ามเนื้อที่ยึดกระดูกซี่โครงแถบนอก  ดังภาพที่ 6-9 ขณะที่กล้ามเนื้อหน้าท้องคลายตัว  ทำให้อากาศภายในช่องท้องลดความดันลงพร้อมๆ  กับกล้ามเนื้อหะบังลมหดตัว  กะบังลมจะเคลื่อนต่ำลง  ขณะที่กล้ามเนื้อของกระดูกซี่โครงแถบนอกหดตัว  กระดูกซี่โครงยกสูงขึ้น   ปริมาตรในช่องออกเพิ่มขึ้น  ปอดที่มีเนื้อเยื่อยืดหยุ่นได้ก็จะขยายมากขึ้น  ความดันของอากาศภายในปอดลดลง  อากาศภายนอกจะไหลเข้าสู่ปอด  ทำให้เกิดการหายใจเข้า   ดังภาพที่ 6-9 ก.  และเมื่อกล้ามเนื้อหน้าท้องหดตัว  ทำให้อากาศภายในช่องท้องมีความดันมากขึ้นพร้อมๆ  กับกล้ามเนื้อกะบังลมคลายตัว  กะบังลมโค้งขึ้น  หรือเคลื่อนที่ขึ้นด้านบนมากขึ้น  ในขณะเดียวกันกล้ามเนื้อแถบนอกของกระดูกซี่โครงคลายตัว  ทำให้กระดูกซี่โครงลดต่ำลง  ปริมาตรของอากาศภายในช่องอกลดลง  ส่งผลให้ปริมาตรของอากาศในปอดลดลง  ความดันอากาศในปอดจะมีมากกว่าความดันอากาศภายนอก  อากาศจะเคลื่อนจากปอดสู่ภายนอก  ทำให้เกิดการหายใจออก  ดังภาพที่ 6-9 ข.



ภาพที่ 6-9  การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของทรวงอกขณะหายใจเข้าและหายใจออก
ก.  หายใจเข้า  , ข .หายใจออก

 จำนวนครั้งของการหายใจในขณะพักของผู้ใหญ่ปกติประมาณ 12-16 ครั้งต่อนาที  แต่ละครั้งของการหายใจเข้า-ออก  มีอากาศปริมาตรเท่าไร  นักเรียนจะได้ศึกษาจากกิจกรรมต่อไปนี้

กิจกรรมที่ 6.3  ปริมาตรอากาศในลมหายใจออก
วัสดุอุปกรณ์
              1.  ขวดพลาสติกใสความจุ  5,000  \displaystyle cm^3   
              2.  บีกเกอร์ขนาด  500  \displaystyle cm^3   
              3.  ปากกาสำหรับทำเครื่องหมาย
              4.  สายยางขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง  1  cm  ยาว  60  cm
              5.  กะละมังพลาสติกใส  สูง  10  cm
วิธีการทดลอง
1.  ใช้บีกเกอร์ตวงน้ำใส่ขวดให้เต็ม  โดยทำเครื่องหมายทุกๆ  500  \displaystyle cm^3    ของน้ำที่เติม
2.  เติมน้ำให้เต็มขวด  แล้วคว่ำลงในกะละมังที่มีน้ำสูง  5  cm  ดังรูป

3.  นำปลายข้างหนึ่งของสายยางใส่ไว้ที่ปากขวด  ดังรูป  และให้เพื่อคนหนึ่งคอยจับขวดไว้
4.  สูดลมหายใจเข้าปอดเต็มที่   แล้วเป่าลมหายใจออกให้มากที่สุดเพียงครั้งเดียวทางปลายสายยางอีกข้างหนึ่ง
5.  สังเกตผลที่เกิดขึ้น  และวัดปริมาตรของลมหายใจออกที่ไปแทนที่น้ำในขวด
6.  ทำการทดลองซ้ำตั้งแต่  ข้อ 2-5  อีก 2 ครั้ง   และหาค่าเฉลี่ย

              *  ปริมาตรของอากาศที่หายใจออกเต็มที่  แต่ละครั้งเท่ากันหรือไม่  อย่างไร
              *  นักเรียนมีวิธีการตรวจสอบได้อย่างไรว่า  อายุ  เพศ   ขนาดของร่างกาย  และกิจกรรมที่ร่างกายกระทำมีผลต่อปริมาตรของอากาศที่หายใจออก


จากการศึกษาปริมาตรของอากาศในปอดของคนด้วยเครื่อง  สไปโรมิเตอร์ (Spiro meter)  สามารถนำมาเขียนกราฟได้ดังนี้

ภาพที่ 6-10  ปริมาตรอากาศในปอดขณะหายใจเข้า - ออกปกติ   และขณะหายใจเข้า - ออกเต็มที่

              *  จากกราฟการหายใจเข้าออกปกติ 1 ครั้ง จะมีปริมาตรของอากาศเท่าใด
              *  นักเรียนสามารถหายใจเอาอากาศออกจากปอดจนหมดได้หรือไม่  เพราะเหตุใด
              *  ปริมาตรของอากาศจากการบังคับให้มีการหายใจเข้าเต็มที่กับการหายใจออกเต็มที่ต่างกันหรือไม่อย่างไร
              *  เมื่อหายใจออกปกติจะมีปริมาตรของอากาศที่ตกค้างในปอดเป็นเท่าไร
             
              ปริมาตรของอากาศที่หายใจเข้าปกติ  แต่ละครั้งมีประมาณ  500  ลูกบาศก์เซนติเมตร  ถ้ามีการบังคับให้มีการหายใจเข้าเต็มที่มากที่สุด  จะมีอากาศเข้าไปยังปอดเพิ่มมากขึ้นจนอาจถึง  6,000  ลูกบาศก์เซนติเมตร  ซึ่งเป็นระดับที่ปอดจะบรรจุอากาศได้เต็มที่  เช่นเดียวกับการบังคับการหายใจออกเต็มที่  อากาศจะออกจากปอดมากที่สุดเท่าที่ความสามารถของกล้ามเนื้อกะบังลมและกล้ามเนื้อซี่โครงจะทำได้  ซึ่งจะเห็นว่าเมื่อหายใจออกเต็มที่แล้วยังคงมีอากาศตกค้างในปอด  ประมาณ 1,100  ลูกบาศก์เซนติเมตร

เชื่อมโยงกับคณิตศาสตร์  
              ใน 1 วัน  นักเรียนมีการหายใจกี่ครั้ง  ถ้าในแต่ละครั้งของการหายใจเข้าและออกมีอากาศเข้าสู่ปอดโดยประมาณ  1  ขวดลิตร  นักเรียนจะต้องเตรียมขวดลิตรประมาณกี่ขวดจึงจะบรรจุอากาศที่หายใจภายใน 1 วันได้หมด

              การแลกเปลี่ยนแก๊ส
              การแลกเปลี่ยนแก๊สในร่างกายของคนเกิดขึ้น 2 แห่ง  คือที่ปอดและที่เซลล์ของเนื้อเยื่อต่างๆ  ที่ปอดเป็นการแลกเปลี่ยนแก๊สระหว่างถุงลมกับหลอดเลือดฝอย  โดยแก๊สออกซิเจนจากถุงลมจะแพร่เข้าสู่หลอดเลือดฝอยรอบๆถุงลม  และจับกับฮีโมโกลบิน  (hemoglobin :  Hb)  ในเซลล์เม็ดเลือดแดงกลายเป็นออกซีฮีโมโกลบิน  (oxyhemoglobin  :  \displaystyle HbO_2  )  ซึ่งมีสีแดงสด  เลือดที่มีออกซีฮีโมโกลบินนี้จะถูกส่งเข้าสู่หัวใจและสูบฉีดไปยังเนื้อเยื่อส่วนต่างๆทั่วร่างกาย   ที่เนื้อเยื่อออกซีฮีโมโกลบินจะเปลี่ยนเป็นออกซิเจน  และฮีโมโกลบิน  แก๊สออกซิเจนจะแพร่เข้าสู่เซลล์ทำให้เซลล์ของเนื้อเยื่อได้รับแก๊สออกซิเจน  ดังสมการ

              ขณะที่เซลล์ของเนื้อเยื่อรับแก๊สออกซิเจนนั้น  แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์  ที่เกิดขึ้นในเซลล์จะแพร่เข้าสู่หลอดเลือดฝอย  แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ส่วนใหญ่จะทำปฏิกิริยากับน้ำในเซลล์เม็ดเลือดแดง  เกิดเป็นกรดคาร์บอนิก  ซึ่งจะแตกตัวได้ไฮโดรเจนไอออนและไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออน  ซึ่งจะถูกลำเลียงออกสู่พลาสมาโดยวิธีการแพร่


ภาพที่ 6-11 การแลกเปลี่ยนแก๊สกับการลำเลียงแก๊ส

              เมื่อเลือดที่มีไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออน  และไฮโดรเจนไอออนมากไหลเข้าสู่หัวใจ  เลือดจะถูกสูบฉีดต่อไปยังหลอดเลือดฝอยรอบถุงลม  ไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออนและไฮโดรเจนไอออนจะรวมตัวกันเป็นกรดคาร์บอนิกแล้วจึงสลายตัวเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำในเซลล์เม็ดเลือดแดง  เป็นผลให้ความหนาแน่นของคาร์บอนไดออกไซด์ในหลอดเลือดฝอยสูงกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ในถุงลม  จึงเกิดการแพร่ของคาร์บอนไดออกไซด์จากหลอดเลือดฝอยเข้าสู่ถุงลม  ดังสมการ

ไฮโดรเจนไอออนนี้ถ้ามีมากจะทำให้น้ำเลือดหรือพลาสมามีค่า pH  ต่ำ  คือมีความเป็นกรดสูง  นักเรียนทราบมาแล้วว่าโดยปกติเซลล์ในร่างกายจะทำงานได้ก็ต่อเมื่อ  มีค่า  pH  ใกล้กับ  7  หรือมีสภาวะค่อนข้างเป็นกลาง  เซลล์จึงพยายามรักษาสภาพความเป็นกรด - เบส ภายในเซลล์ให้คงที่  ถ้า  \displaystyle CO_2  ในเลือดไม่สามารถลำเลียงไปสู่ปอดได้เพียงพอ  ปริมาณไฮโดรเจนในหลอดเลือดจะสูงขึ้นจะทำให้ค่า pH  ต่ำมาก  คือมีความเป็นกรดสูงขึ้นทำให้มีอันตรายต่อเซลล์ได้  แต่โดยทั่วไป  ไฮโดรเจนไอออนสามารถจะไปรวมกับสารอินทรีย์อื่นๆ  ในร่างกายได้อีกหลายชนิด  เป็นการควบคุมดุลยภาพของร่างกายอย่างหนึ่ง
              *  เซลล์ของเนื้อเยื่อปอดต้องการออกซิเจนหรือไม่  เพราะเหตุใด
              *  ฮีโมโกลบินรวมตัวกับคาร์บอนมอนอกไซด์ได้ดีกว่าออกซิเจนและไม่ยอมปล่อยคาร์บอนมอนอกไซด์ออกมาง่ายๆ  นักเรียนคิดว่าจะเกิดผลอย่างไรถ้าร่างกายได้รับคาร์บอนมานอกไซด์เป็นปริมาณมาก
              มีผู้ศึกษาความหนาแน่นของแก๊สออกซิเจนและแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศและในส่วนต่างๆของร่างกาย  พบว่าเป็นดังภาพที่ 6-12

ภาพที่ 6-12  แผนภาพแสดงความหนาแน่นของแก๊สในบรรยากาศและในส่วนต่างๆของร่างกาย
           ก.  ความหนาแน่นของออกซิเจน      , ข .  ความหนาแน่นของคาร์บอนไดออกไซด์

              *  นักเรียนทราบหรือไม่ว่าบริเวณใดในร่างกายมีโมเลกุลของออกซิเจนหนาแน่นมากที่สุด  และน้อยที่สุด
              *  บริเวณใดมีโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์อยู่กันหนาแน่นมากที่สุดและน้อยที่สุด  เพราะเหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น

การควบคุมการหายใจ

              นักเรียนสามารถบังคับการหายใจของตนเองได้หรือไม่  บางครั้งนักเรียนอาจจะบังคับลมหายใจโดยการกลั้นหายใจ  หรือหายใจยางและลึกได้  แต่จะสามารถควบคุมได้ในระดับหนึ่งเท่านั้น  การหายใจจะสัมพันธ์กับการรักษาสภาวะสมดุลของร่างกาย  กลไกควบคุมการหายใจจะเกี่ยวข้องกับระบบประสาทโดยมีการควบคุม 2 ส่วนคือ

              1.  การควบคุมแบบอัตโนวัติ  ซึ่งเป็นการหายใจที่ไม่สามารถบังคับได้  โดยสมองส่วนพอนส์และเมดัลลาเป็นตัวสร้างและส่งสัญญาณประสาทไปกระตุ้นกล้ามเนื้อที่เกี่ยวข้องกับการหายใจ  ทำให้การหายใจเข้า-ออก  เกิดขึ้นได้อย่างเป็นจังหวะสม่ำเสมอทั้งในยามหลับและยามตื่น  โดยไม่จำเป็นต้องพะวงกับการสั่งการให้มีการหายใจ
              2.  การควบคุมภายใต้อำนาจจิตใจ  ซึ่งเป็นการหายใจที่สามารถบังคับได้  โดยสมองส่วนหน้าส่วนที่เรียกว่า  ซีรีบรัลคอร์เทกซ์ไฮโพทาลามัส  แลพสมองส่วนหลังส่วนที่เรียกว่า  ซีรีเบลลัม  ซึ่งจะทำให้เราสามารถควบคุม  บังคับ  หรือปรับการหายใจให้เหมาะสมกับพฤติกรรมต่างๆของร่างกาย  เช่น  การพูด  การร้องเพลง  การเล่นเครื่องดนตรีประเภทเป่า  การว่ายน้ำ  การดำน้ำ  หรือการกลั้นหายใจได้ 



ภาพที่ 6-13  ศูนย์ควบคุมการหายใจ

              *  นักเรียนจะอธิบายว่าอย่างไร  ในกรณีที่ร่างกายมีการหายใจเร็วและลึกขึ้นในขณะที่ออกกำลังกาย
              จากข้อมูลของสำนักนโยบายและแผนสาธารณสุข  กระทรวงสาธารณสุขในปี  พ.ศ. 2541  ผู้ป่วยด้านโรคระบบทางเดินหายใจมีจำนวนถึง  22,837,547  คนจากจำนวนประชากรทั้งหมด  61,466,178  คน  จัดเป็นโรคที่มีผู้ป่วยมากเป็นอันดับ 1 ของประเทศ  นักเรียนคิดว่าอะไรบ้าง  ที่เป็นสาเหตุทำให้คนไทยเป็นโรคระบบทางเดินหายใจมากเป็นอันดับหนึ่ง  และโรคที่เกี่ยวกับระบบทางเดินหายใจมีโรคอะไรบ้าง

ความผิดเปกติที่เกี่ยวข้องกับปอด

              โรคที่เกิดขึ้นในระบบทางเดินหายใจ  เช่น  โรคปอดบวม  (pneumonia)  ซึ่งเกิดจากเชื้อแบคทีเรีย  หรือไวรัสเข้าไปในหลอดลมและเข้าสู่เนื้อเยื่อปอด  ทำให้เกิดการอักเสบ  ยังผลให้พื้นที่ผิวในการแลกเปลี่ยนแก๊สลดลง

              อีกโรคหนึ่งคือ  โรคถุงลมโป่งพอง  (emphysema)  ซึ่งเกิดจาก  การสูดอากาศที่เป็นพิษ  เช่น  ควันบุหรี่  ควันจากโรงงาน   ควันจากท่อไอเสียรถยนต์  เป็นเวลานานๆ  หรือบางรายอาจเกิดจากการติดเชื้อ  ผู้ที่เป็นโรคถุงลมโป่งพองจะมีความผิดปกติที่ถุงลม  คือสารหล่อลื่นความยืดหยุ่นของผนังถุงลม  และหลอดลมฝอยถูกทำลายทำให้ความสามารถในการนำเอาอากาศเข้าปอด  และแลกเปลี่ยนแก๊สลดลงและในบางโอกาสผนังของถุงลม  อาจจะถูกทำลายทำให้ถุงลมทะลุถึงกันเกิดเป็นถุงขนาดโตขึ้น  ทำให้มีพื้นที่ผิวสำหรับแลกเปลี่ยนแก๊สลดลง  ผู้ป่วยจึงต้องเพิ่มการสูดลมหายใจ  ทำให้เกิดการเหนื่อยหอบหายใจไม่เต็มปอด  แก๊สออกซิเจนไปเลี้ยงอวัยวะต่างๆ  ลดลง  หัวใจทำงานหนักขึ้นจนอาจมีอาการหัวใจวายได้

              นอกจากนี้ยังมีโรคภูมิแพ้ซึ่งเกิดจากการได้รับสิ่งกระตุ้น  เช่นเกสรดอกไม้  ฝุ่น  ควันบุหรี่  อากาศที่เปลี่ยนแปลง  สารเคมี  สิ่งเหล่านี้ทำให้ร่างกายมีการตอบสนองมีผลทำให้เกิดการหดเกร็งของกล้ามเนื้อหลอดลม  เป็นเหตุให้หลอดลมตีบกว่าปกติจนผู้ป่วยเกิดอาหารหอบหืดหายใจไม่สะดวก  หรือหายใจไม่ทันและอาจเสียชีวิตได้ในที่สุด


ภาพที่ 6-14  ปอดของคน
ก.  ปอดของคนปกติ   ข.  ปอดของคนที่สูบบุหรี่

กิจกรรมเสนอแนะ  โรคที่เกี่ยวข้องกับระบบทางเดินหายใจ
              ให้นักเรียนศึกษาค้นคว้าเกี่ยวกับโรคที่เกี่ยวข้องกับระบบทางเดินหายใจ  โดยกล่าวถึงสาเหตุอาการ  การป้องกันและการรักษาโรค  รวมทั้งข้อมูลที่แสดงถึงสาเหตุสำคัญที่ทำให้คนเป็นโรค  เกี่ยวกับระบบทางเดินหายใจเป็นจำนวนมากของประเทศ  และนำผลงานมาจัดทำป้ายนิเทศ

              ปัจจุบันทั่วโลกมีการรณรงค์ให้งดสูบบุหรี่  นักเรียนคิดว่าการสูบบุหรี่มีผลเสียต่อร่างกายอย่างไร
              ควันบุหรี่ประกอบด้วยสารหลายชนิด   อาจจะอยู่ในรูปของแก๊สและไอควัน  เช่น  คาร์บอนมอนอกไซด์  ซัลเฟอร์ไดออกไซด์  ไนโตรเจนไดออกไซด์  เบนซิล  ฟอร์มัลดีไฮด์  แอมโมเนีย  กรดฟอร์มิก  เป็นต้น  ส่วนอนุภาคแขวนลอย  เช่น  นิกเกิล  เบนโซไพรีน  ซึ่งเป็นสารก่อมะเร็ง  เป็นต้น  นอกจากนี้ในบุหรี่ยังมีสารนิโคตินซึ่งเป็นสารเสพติดชนิดหนึ่งที่มีผลต่อระบบประสาท
              ควันบุหรี่นอกจากจะทำให้เกิดโรคถุงลมโป่งพอง  โรคภูมิแพ้  แล้วยังพบว่ามีความเสี่ยงต่อโรคมะเร็งปอด  และทำให้เกิดการระคายเคืองต่อตา  จมูก  คอ  และ  ปอด  ควันบุหรี่นอกจากจะมีผลต่อคนที่สูบบุหรี่โดยตรงแล้ว  ยังมีผลต่อบุคคลข้างเคียงที่สูดดมเอาควันบุหรี่เข้าไปอีกด้วย  ตัวอย่างเช่น  ในเด็กมีการติดเชื้อของปอดเพิ่มขึ้นถึงแม้จะไม่ได้สูบบุหรี่ก็ตาม

กิจกรรมเสนอแนะ  คนที่สูบบุหรี่กับคนที่ไม่สูบบุหรี่
              1.  ให้นักเรียนศึกษาและสำรวจหาข้อมูลเกี่ยวกับคนที่สูบบุหรี่และไม่สูบบุหรี่  ในหัวข้อ  ต่อไปนี้
              -  ข้อมูลเกี่ยวกับ  อายุ  เพศ  อาชีพ
              -  บ้านตั้งอยู่ในเขตชนบทหรือชุมชนเมือง
              -  เคยเป็นโรคเกี่ยวกับระบบทางเดินหายใจหรือไม่  เช่น  โรคปอด  โรคหอบหืด  โรคหลอดลมอักเสบเรื้อรัง  เป็นต้น
              -  ในครอบครัวมีใครสูบบุหรี่บ้าง
              -  มีเพื่อนสูบบุหรี่หรือไม่
              -  มีการออกกำลังกายหรือเล่นกีฬาชนิดใดบ้าง
              ฯลฯ
              2.  นำข้อมูลที่ได้จากการสำรวจมาหาค่าเฉลี่ยและวิเคราะห์ผล  แล้วจัดทำเป็นรายงาน  นำเสนอในชั้นเรียน

              จะเห็นได้ว่าปอดเป็นอวัยวะที่มีความสำคัญอย่างยิ่งในระบบทางเดินหายใจ  ถ้ามีความผิดปกติเกิดขึ้นกับปอดจนไม่สามารถทำหน้าที่ได้เต็มที่ก็จะมีผลต่อการหายใจ  ฉะนั้นนักเรียนจึงควรป้องกันไม่ให้เกิดอันตรายแก่ปอดทั้งทางตรงและทางอ้อม

การวัดอัตราการหายใจ

              การหายใจเข้าและหายใจออกของคนเกี่ยวข้องกับ  เมแทบอลิซึมของร่างกาย  ซึ่งเป็นผลมาจากเมแทบอลิซึมของเซลล์ถ้าร่างกายมีอัตราการหายใจสูงแสดงว่าเซลล์ต่างๆ  ของร่างกายใช้พลังงานมาก  นั่นหมายถึงร่างกายมีอัตราเมแทบอลิซึมสูง  แต่การวัดอัตราเมแทบอลิซึมโดยตรงนั้นทำได้ยากจึงเปลี่ยนเป็นการวัดอัตราการใช้ออกซิเจนแทน  โดยถือว่าเซลล์หรือร่างกายที่มีอัตราเมแทบอลิซึมสูงจะมีอัตราการนำออกซิเจนเข้าสูงด้วย  นักเรียนสามารถวัดอัตราการใช้ออกซิเจน  หรืออัตราการหายใจของสิ่งมีชีวิตบางชนิดได้จากกิจกรรมต่อไปนี้

กิจกรรมเสนอแนะ  การวัดอัตราการหายใจของสัตว์
              1.  จัดเครื่องมือที่จะใช้วัดอัตราการใช้ออกซิเจน  ดังภาพ  ตรวจดูฝาขวดจะต้องปิดสนิท  ตามรอยต่อต่างๆ  จะต้องไม่ให้อากาศรั่วไหลได้เลย  ระวังอย่างให้โซเดียมไอดรอกไซด์ในกล่องถูกผิวหนัง
              2.  ชั่งน้ำหนักสัตว์ที่จะใช้ในการทดลอง  เช่น  หนู  ลูกเป็ด  ลูกไก่  หรือนกกระทา  บันทึกน้ำหนักไว้  แล้วจึงใส่ขวด  ปิดฝาขวดให้แน่น
              3.  ใช้ปลายหลอดแก้วจุ่มลงในน้ำสี  ซึ่งผสมผลซักฟอกไว้เล็กน้อย  เพื่อลดแรงตึงผิวโดยให้น้ำสีเข้าไปในรูหลอดแก้วเล็กน้อย  แล้ววางหลอดแก้วทาบไปบนสเกล
              4.  บันทึกระยะทางที่หยดน้ำสีเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง  โดยกำหนดจับเวลาช่วงสั้นๆ  ช่วงละ 1 นาที  จนครบ 10 นาที  รีบคลายฝาขวด    อย่านำสัตว์ใส่ไว้ในขวดนานเกินไปอาจทำให้สัตว์ตายได้

              5.  ทดลองตามข้อ 3-4 ซ้ำอีก 2-3 ครั้ง  โดยเปิดฝาขวดให้อากาศใหม่ผ่านเข้าไปในขวดก่อนทดลองซ้ำทุกครั้ง  แล้วหาค่าเฉลี่ยระยะทางที่หยดน้ำสีเคลื่อนที่ไป
              6.คำนวณอัตราการใช้ออกซิเจนของสัตว์  โดยคำนวณหาปริมาตรของแก๊สที่ลดลงไปซึ่งคำนวณได้จากปริมาตรของอากาศที่หยดน้ำสีเคลื่อนที่ผ่านไป  อัตราการใช้ออกซิเจนของสัตว์คือปริมาตรของแก๊สที่ลดลงไปต่อ 1 หน่วยน้ำหนักใน 1 หน่วยเวลา

เมื่อทำการทดลองเสร็จแล้วต้องรีบนำสัตว์ออกจากขวด  แล้วดูแลให้แข็งแรงก่อนที่จะนำกลับไปไว้ที่เดิมที่สัตว์เคยอยู่อาศัย
ข้อเสนอแนะ
แต่ละกลุ่มควรใช้สัตว์ต่างชนิดกัน  เพื่อที่จะได้เปรียบเทียบความแตกต่างของอัตราการหายใจได้
              อัตราการใช้ออกซิเจน  =  \displaystyle \frac{{\pi r^2 d}}{{wt}}    หน่วยปริมาตร/หน่วยน้ำหนัก -หน่วยเวลา
              r  =  รัศมีของรูแก้ว
              d = ระยะทางเฉลี่ยที่หยดน้ำสีเคลื่อนที่ไป
              w = น้ำหนักของสัตว์ทดลอง
              t = เวลา
              *  จากกิจกรรมสิ่งมีชีวิตที่นักเรียนศึกษามีอัตราการหายใจแตกต่างกับสิ่งมีชีวิตกลุ่มเพื่อนๆศึกษาหรือไม่  อย่างไร
              *  การที่หยดน้ำสีเคลื่อนที่ไปได้  แสดงว่าส่วนประกอบของอากาศภายในขวดลดลงไปจากเดิม  แก๊สที่ลดลงไปนี้คือแก๊สอะไร
              *  การทดลองซ้ำ 2-3 ครั้ง  มีประโยชน์อย่างไร  เหตุใดจึงต้องเปิดฝาขวดให้อากาศผ่านเข้าไปทุกครั้งก่อนการทดลอง
              *  นักเรียนคิดว่าโซเดียมไอดรอกไซด์ทำหน้าที่อะไร
              *  อัตราการใช้ออกซิเจนสัมพันธ์กับอัตราการหายใจอย่างไร
              *  ถ้าต้องการศึกษาปัญหาอื่นๆ  ที่เกี่ยวข้อง  เช่น  อุณหภูมิของสิ่งแวดล้อมมีผลต่ออัตราการใช้ออกซิเจนอย่างไร  นักเรียนจะวางโครงการทดลองอย่างไร

นักชีววิทยาได้ศึกษาอัตราการหายใจของสิ่งมีชีวิตบางชนิด ขณะพัก  ดังตารางต่อไปนี้

ตารางที่ 6.1  แสดงอัตราการหายใจของสัตว์ชนิดต่างๆ

ชนิดของสัตว์
อัตราการหายใจ
(ลูกบาศก์มิลลิเมตรของออกซิเจนต่อ 1 กรัมน้ำหนักของสัตว์ต่อ1 ชั่วโมง)

ดอกไม้ทะเล
หมึกยักษ์
หมึก
ปลาไหล
กบ
นกฮัมมิง
หนู
คน

13
80
320
128
150
3,500
1,500
2000
 

              *  ข้อมูลจากตารางบอกเราเกี่ยวกับกิจกรรมในการดำรงชีวิตของสัตว์ต่างชนิดกันว่าอย่างไร
              *  สัตว์ชนิดใดมีอัตราเมแทบอลิซึมในขณะพักสูงสุดและต่ำสุด
              *  สิ่งมีชีวิตที่นักเรียนศึกษาในกิจกรรมเสนอแนะ  เมื่อเปรียบเทียบกับคนแล้วมีอัตราการหายใจแตกต่างกันอย่างไร
              จากตารางจะเห็นว่าสิ่งมีชีวิตต่างชนิดกันจะมีอัตราเมแทบอลิซึมหรืออัตราการหายใจแตกต่างกัน  ซึ่งหมายความว่าสิ่งมีชีวิตต่างชนิดกันต้องการออกซิเจนในการดำรงชีพมากน้อยต่างกันไป
              ผลของการนำออกซิเจนไปสลายสารอาหารให้ได้พลังงานออกมาใช้ในการดำรงชีวิตนั้นจะได้สารบางชนิดที่ร่างกายไม่ต้องการ  ดังนั้น  ร่างกายจำเป็นต้องมีการกำจัดสารเหล่านี้ออกนอกร่างกาย  นักเรียนทราบหรือไม่ว่าร่างกายมีกระบวนการกำจัดสารที่ไม่ต้องการอย่างไร

6.2  ระบบขับถ่ายกับการรักษาดุลยภาพของร่างกาย

 คำถามนำ  
              กระบวนการขับถ่ายมีความสำคัญต่อการรักษาดุลยภาพของสิ่งมีชีวิตอย่างไรและโครงสร้างของอวัยวะในการขับถ่ายของสิ่งมีชีวิตมีความเหมาะสมต่อการทำหน้าที่อย่างไร

              การที่สิ่งมีชีวิตจะสามารถดำเนินกิจกรรมต่างๆ  ในสภาพแวดล้อมที่อาศัยอยู่อย่างปกติได้นั้น  สิ่งมีชีวิตต้องสามารถรักษาดุลยภาพของร่างกายไว้ให้ได้  การขับถ่ายเป็นกระบวนการสำคัญอย่างหนึ่งที่จะช่วยรักษาดุลยภาพของร่างกายเพราะภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตมีปฏิกิริยาทางเคมีต่างๆ  เกิดขึ้นมากมาย   ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์หลายชนิดทั้งที่เป็นประโยชน์ต่อเซลล์  และบางชนิดไม่ต้องการ  จำเป็นต้องกำจัดออก  หรือมิฉะนั้นก็เปลี่ยนเป็นสารที่เป็นอันตรายน้อยลงแล้วกำจัดออกจากร่างกายภายหลัง  สารที่ร่างกายจำเป็นต้องกำจัดออกเหล่านี้เรียกว่า 

ของเสีย
              *  ชองเสียที่เกิดจากเมแทบอลิซึมได้แก่อะไรบ้าง
              *  การถ่ายอุจาระออกจากร่างกายถือว่าเป็นการขับถ่ายหรือไม่  เพราะเหตุใด
              ของเสียที่เกิดจากเมแทบอลิซึมที่สำคัญ ได้แก่  คาร์บอนไดออกไซด์และสารประกอบไนโตรเจน  ของเสียที่เป็นสารประกอบไนโตรเจนได้แก่สารใดบ้าง  และเกิดจากกระบวนการใดของเซลล์  สิ่งมีชีวิตต่างชนิดกันอยู่ในสภาพแวดล้อมต่างกัน  มีวิธีการกำจัดของเสียออกจากร่างกายเหมือนหรือแตกต่างกันอย่างไร

             6.2.1   การขับถ่ายของสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว

              สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวส่วนใหญ่จะอาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำหรือมีน้ำเป็นส่วนประกอบอยู่มาก   ของเสียที่เกิดจากเมแทบอลิซึมจะสามารถแพร่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ออกสู่สิ่งแวดล้อม  นอกจากนี้สภาพแวดล้อมที่เป็นแหล่งน้ำจืดจะสภาพเป็นไฮไพทนิก   เมื่อเปรียบเทียบกับความเข้มของสารภายในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว   น้ำจากสิ่งแวดล้อมจะแพร่เข้าสู่เซลล์มากกว่าแพร่ออกจากเซลล์   สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว เช่น พารามีเซียม และอะมีบา จะมีออร์แกเนลล์ เรียกว่า คอนแทร็กไทล์แวคิวโอลช่วยรักษาสมดุลของน้ำและแร่ธาตุในเซลล์โดยการขับน้ำที่มากเกินไปออกดังที่นักเรียนได้ทราบมาแล้ว   ของเสียบางส่วนก็จะถูกออกปนมากับน้ำ
             6.2.2 การขับถ่ายของสัตว์

              ฟองน้ำและไฮดรา ถึงแม้จะเป็นสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ก็ตามแต่เซลล์ทุกเซลล์สามารถสัมผัสกับน้ำได้โดยตรง   ของเสียพวกแอมโมเนียจึงถูกขับออกโดยแพร่เข้าสู่สิ่งแวดล้อม
              หนอนตัวแบน ที่อาศัยอยู่ในน้ำ เช่น พลานาเรียมี <b>เฟลมเซลล์</b>(flame cell) ทำหน้าที่กำจัดของเสีย   ซึ่งกระจายอยู่ทั้งสองข้างตลอดความยาวของสำตัวและการเชื่อมต่อกับช่องขับถ่ายที่ผนังลำตัวทางผิงหนังได้อีกด้วย

ภาพที่ 6-15 ระบบถ่ายของพลานาเรีย
 

              ไส้เดือนดิน เป็นสัตว์ที่มีลำตัวเป็นปล้อง มีอวัยวะขับถ่ายของเสียเรียกว่า เนฟริเดียม (nephridiun) ปล้องละ 1 คู่ เป็นท่อขดไปมา   มีปลายเปิดสองข้าง   ปลายข้างหนึ่งอยู่ในช่องของลำตัวมีลักษณะเหมือนปากแตร เรียกว่า เนโฟรสโตน (nephrostome) ทำหน้าที่รับของเหลวจากช่องของลำตัว ส่วยปลายอีกด้านหนึ่งเป็นช่องเปิดออกสู่ภายนอกทางผิวหนัง   เนฟริเดียมนี้จะทำหน้าที่ขัยถ่ายของเสียพวกแอมโมเนีย และยูเรีย   ส่วนน้ำและแร่ธาตุบาชนิดมีประโยชน์จะถูกดูดกลับโดยผนังท่อของเนฟริเดียมเข้าสู่กระแสเลือด เนฟรีเดียมจึงทำหน้าที่ทั้งกรองและดูดสารกลับ   ซึ่งลักษณะการทำงานของเนฟริเดียมคล้ายคลึงกับหน่วยไตของสัตว์ที่มีกระดูสันหลังบางประเภท


ภาพที่ 6-16 เนฟริเดียมของไส้เดือนดิน

              แมลง มีอวัยวะขับถ่ายเรียกว่า ท่อมัลพิเกียน (Malpinghian tubule) ประกอบด้วยท่อเล็กๆ จำนวนมาก   ท่อเหล่านี้มีลักษณะคล้ายถุงยื่นออกมาจากทางเดินอาหารตรงบริเวณรอยต่อของทางเดินอาหารส่วนกลางกับส่วนท้าย   ปลายของท่อมัลพิเกียนจะลอยเป็นอิสระอยู่ในของเหลวภายในช่องของลำตัว    ในของเหลวจะมีของเสียน้ำและสารต่างๆ   ซึ่งจะถูกลำเลียงเข้าสู่ท่อมัลพิเกียนไปยังทางเดินอาหารโดยจะมีการดูดสารที่มีประโยชน์กลับเข้าสู่ระบบหมุนเวียนเลือด   ส่วนของเสียพวกสารประกอบไนโตรเจนจะเปลี่ยนเป็นผลึกกรดยูกริกขับออกมาพร้อมกากอาหาร

ภาพที่ 6-17 อวัยวะขับถ่ายของแมลง
ก.    แสดงตำแหน่งของท่อมัลพิเกียน
ข.    แผนภาพของกระบวนการขับถ่ายสารต่างๆ ของท่อมัลพิเกียน

              สัตว์มีกระดูสันหลังจำเป็นต้องมีการขับถ่ายของเสีย เช่นเดียวกับสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง สัตว์เหล่านี้มีโครงสร้าง   และวิธีการขัยถ่ายของเสียเหมือนหรือแตกต่างจากสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังอย่างไร

              สัตว์ที่มีกระดูกสันหลังมี ไต (kidney) เป็นอวัยวะขับถ่ายทำหน้าที่ทั้งจำกัดของเสียและรักษาสมดุลของน้ำและแร่ธาตุ   โดยทำงานรวมกับระบบหมุนเวียนเลือด

              นกและสัตว์เลื้อยคลาน ส่วนใหญ่มีการป้องกันการสูญเสียน้ำออกจากร่างกาย   โดยจะมีโครงสร้างร่างกายที่ป้องกันการสูญเสียน้ำ เช่น มีผิวหนังหนา มีเกล็ดหรือมีขนปกคลุมร่างกาย   นอกจากนี้ยังมีการขับถ่ายของเสียที่มีไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบในรูปกรดยูริก   ซึ่งใช้น้ำในการกำจัดน้อยมาก

              ถ้านักเรียนเคยสังเกตอุจจาระของจิ้งจกจะเห็นว่ามี 2 สี ต่างกัน คือ สีดำและสีขาว   ส่วนที่มีสีดำเป็นกากอาหารที่ย่อยไม่ได้ สีขาวเป็นกรดยูริก   สัตว์มีกระดูกสันหลังชนิดอื่นๆ ส่วนใหญ่รวมทั้งสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมจะมีการจำกัดของเสียในรูปของยูเรีย   การขับถ่ายของเสียประเภทสารประกอบไนโตรเจนของสัตว์ที่กล่าวมาแล้ว สามารถสรุปได้ ดังภาพที่ 6-18

ภาพที่ 6-18 การกำจัดของเสียพวกสารประกอบไนโตรเจน

*   นักเรียนคิดว่า   อะไรเป็นสาเหตุสำคัญที่ทำให้สัตว์มีกระดูก  สันหลังที่อาศัยอยู่น้ำและบนบกมีการขับถ่ายของเสียในรูปที่แตกต่างกัน

เชื่อมโยงกับเคมี
สูตรโครงสร้างทางเคมีของแอมโมเนีย  ยูเรียและกรดยูริก