การแลกเปลี่ยนก๊าซ ในสิ่งมีชีวิตจำแนกเป็นกี่ประเภท สัตว์แต่ละชนิดมีระบบแตกต่างกันอย่างไร

การแลกเปลี่ยนก๊าซ (Gas Exchange)

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

แลกเปลี่ยนก๊าซที่ผิวหนัง, การแลกเปลี่ยนก๊าซ, การหายใจ, แลกเปลี่ยนก๊าซ

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.) – https://www.scimath.org/lesson-biology/item/6977-respiratory-system

โรงเรียนเฉลิมพระเกียรติสมเด็จพระศรีนครินทร์ – http://smd-s.kku.ac.th/home/images/Tutorial/Gas%20exchange%20of%20species.pdf

มหาวิทยาลัยมหิดล – https://il.mahidol.ac.th/e-media/respiration/L1T1_new.html

ครูบ้านนอกดอทคอม – https://www.kroobannok.com/news_file/p95104100642.pdf


เรื่องอื่นๆ ที่น่าสนใจ: ระบบแลกเปลี่ยนก๊าซของมนุษย์

 

เรื่องแนะนำ

การสืบพันธุ์ของพืช : การสร้างเซลล์สืบพันธ์ของพืชดอก

กระบวนการสร้าง เซลล์สืบพันธุ์ของพืชดอก เกิดขึ้นในเกสรตัวผู้ และเกสรตัวเมีย เซลล์สืบพันธุ์ของพืชดอก มี 2 ชนิด คือ เซลล์สืบพันธุ์เพศผู้ และเซลล์สืบพันธุ์เพศเมีย เซลล์สืบพันธุ์ทั้งสองมีขั้นตอนในการแบ่งเซลล์ เพื่อลดจำนวนโครโมโซมลงครึ่งหนึ่ง และเมื่อเกิดการปฏิสนธิ จำนวนโครโมโซมจะมีจำนวนเท่าเดิมอีกครั้ง (ขอมูลเพิ่มเติม : โครงสร้างของดอกไม้) เซลล์สืบพันธุ์เพศผู้ (male gamete) เกิดขึ้นภายในอับเรณู (anther) โดยมีไมโครสปอร์มาเทอร์เซลล์ (microspore mother cell) แบ่งเซลล์แบบไมโอซีส 1 ครั้ง ได้ 4 ไมโครสปอร์ (microspore) แต่ละเซลล์มีโครโมโซมเท่ากันตือ n หลังจากนั้นนิวเคลียสของแต่ละเซลล์จะแบ่งเซลล์แบบไมโทซิสได้ 2 นิวเคลียสคือ เจเนอเรทีฟนิวเคลียส (generative nucleus) และ ทิวบ์นิวเคลียส (tube nucleus) เรียกเซลล์ในระยะนี้ว่า ละอองเรณู (pollen grain) หรือแกมีโทไฟต์เพศผู้ (male gametophyte) เมื่อละอองเรณูแก่เต็มที่อับเรณูจะแตกออกทำให้ละอองเรณูกระจายออกไปพร้อมที่จะผสมพันธุ์ต่อไป ลักษณะของละอองเรณูมีความแตกต่างกันทั้งขนาด รูปร่าง […]

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง : หน้าที่หลักของผู้ผลิต

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง เป็นกระบวนการที่พืชเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานคมีในรูปของอาหาร ถือเป็นหน้าหลักของผู้ผลิตในระบบนิเวศ พืชเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีบทบาทสำคัญต่อทุกระบบนิเวศบนโลก คือเป็นจุดเริ่มต้นที่เปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ไปเป็นพลังงานเคมีในรูปอาหาร โดยการนำเอาน้ำและแก๊สคาร์บอนไดออกไซต์มาทำปฏิกิริยาเคมีกัน และมีแสงเป็นพลังงานกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยา ผลผลิตที่ได้คือ “น้ำตาลกลูโคส” ซึ่งน้ำตาลส่วนหนึ่งจะนำไปสังเคราะห์เป็นสารอื่นเก็บสะสมไว้ และยังได้ไอน้ำ และแก๊สออกซิเจน ซึ่งจะปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม กระบวนการนี้เรียกว่าการสร้างอาหารของพืช หรือ กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง โครงสร้างของใบพืช กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นที่ใบในภาพ คือ ใบพืชตัดตามขวางจากด้านบน (ด้านที่รับแสง) มายังด้านล่าง ซึ่งประกอบด้วยเซลล์ที่มีรูปร่างและหน้าที่แตกต่าง ดังนี้ หลังใบ (Upper Epidermis) มักจะมีสารคิวติเคิล (Cuticle) เคลือบไว้ชะลอการสูญเสียน้ำออกจากใบ เนื่องจากความร้อนของแสงแดด พาลิเสดมีโซฟิลล์ (Palisade mesophyll) เป็นเซลล์รูปกระสวยที่บรรจุคลอโรฟิลล์ไว้เป็นจำนวนมาก วางตัวอยู่ถัดจากหลังใบลงมา เป็นส่วนที่มีกิจกรรมการสังเคราะห์ด้วยแสงมากที่สุด สปอนจีมีโซฟิลล์ (Spongy mesophyll) เป็นกลุ่มเซลล์ที่อยู่ติดถัดลงมาจากพาลิเสดมีโซฟิลล์ แต่มีปริมาณความเข้มข้นของคลอโรฟิลล์น้อยกว่า เซลล์เรียงตัวกันอย่างหลวมๆ คล้ายฟองน้ำ พื้นที่ว่างระว่างเซลล์บรรจุของเหลว และอากาศ เอาไว้ กลุ่มท่อลำเลียง (Vascular bundle) ประกอบด้วยท่อลำเลียงน้ำ (Xylem) และท่อลำเลียงอาหาร (Phloem) ทำหน้าที่ลำเลียงอาหารและน้ำจากรากมาสู่ใบ รวมถึงลำเลียงสารอาหารที่ได้จากการสังเคราะห์ด้วยแสงทีใบ […]

รู้จักกับ “เฮอร์ริเคน” เจ้าแห่งพายุ

รู้จักกับ เฮอร์ริเคน เจ้าแห่งพายุ แรงลมกรรโชก ฝนกระหน่ำ คลื่นกลืนกิน นี่คือสัญญาณมรณะของเฮอร์ริเคน … พายุเฮอร์ริเคน (hurricane) คือพายุหมุนเขตร้อนที่เกิดในมหาสมุทรแอตแลนติก เหนือทะเลแคริบเบียน อ่าวเม็กซิโก และในมหาสมุทรแปซิฟิก แถบฝั่งทะเลด้านตะวันตกของประเทศเม็กซิโก พายุเช่นเดียวกันนี้ที่เกิดขึ้นในมหาสมุทรแปซิฟิกตะวันตกและในทะเลจีนใต้เรียกว่า ไต้ฝุ่น (typhoon) หากเกิดในอ่าวเบงกอลและมหาสมุทรอินเดียเรียกว่า ไซโคลน (cyclone) โดยพายุเฮอร์ริเคนลูกหนึ่งอาจปลดปล่อยพลังงานในหนึ่งวันเทียบเท่ากับระเบิดนิวเคลียร์ขนาดเล็กถึง 500,000 ลูก พายุเฮอร์ริเคนก่อตัวขึ้นในฤดูร้อนและฤดูใบไม้ร่วง  เมื่อดวงอาทิตย์ทำให้ผืนน้ำกว้างใหญ่ในเขตร้อนอุ่นขึ้นกว่า 27 องศาเซลเซียส (82 องศาฟาเรนไฮต์) อากาศที่อุ่นและชื้นลอยตัวสูงขึ้นเหนือจุดร้อนเหล่านี้ ทำให้เกิดพายุฝนฟ้าคะนอง ขณะที่อากาศในระดับสูงขึ้นไปและอากาศเหนือพื้นผิวมารวมตัวกัน ก่อให้เกิดรูปแบบการเคลื่อนที่แบบวงกลมของกลุ่มเมฆที่รู้จักกันในชื่อ พายุดีเปรสชัน (tropical depression) หรือพายุหมุนกำลังอ่อน เมื่อกำลังลมมีความเร็วมากกว่า 39 ไมล์ต่อชั่วโมง (62 กิโลเมตรต่อชั่วโมง) พายุโซนร้อน (tropical storm) ก็ก่อตัวขึ้น และหากกำลังลมทวีขึ้นเป็น 74  ไมล์ต่อชั่วโมง (119 กิโลเมตรต่อชั่วโมง) พายุเฮอร์ริเคนก็ถือกำเนิดขึ้นอย่างเป็นทางการ   ภายในพายุ แถบฝนยาวถึง […]

ยานร้างกลางทะเลทราย

ย้อนกลับไปในยุคสงครามเย็น ศูนย์ปล่อยอากาศยานแห่งนี้คือความภาคภูมิใจ ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งในความพยายามของสหภาพโซเวียตที่จะเอาชนะสหรัฐอเมริกา แต่ปัจจุบันสถานที่แห่งนี้กลับถูกทิ้งร้าง