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

ความรู้ประจำวัน : ไดโนเสาร์เต้นรำเหมือนนก

หนึ่งในสิ่งที่น่าตื่นเต้นเกี่ยวกับการศึกษาไดโนเสาร์ก็คือ นกในปัจจุบันคือไดโนเสาร์ที่ยังมีชีวิต หรืออาจกล่าวได้ว่าพวกมันคือลูกหลานของไดโนเสาร์ นกจำนวนมากอวดโฉมขนของพวกมันเพื่อใช้ในการจับคู่ ทีนี้ลองคิดถึงบรรพบรุษของนกอย่างไทเซราทอปส์ ไดโนเสาร์มีเขาที่ใช้แผงบนศีรษะของมันเพื่อจุดประสงค์เดียวกันบ้าง นักบรรพชีวินวิทยาไม่คิดว่าเขาและแผงบนหัวของไดโนเสาร์ชนิดนี้จะมีไว้เพื่อใช้สำหรับการต่อสู้ ตรงกันข้ามพวกเขาคิดว่าสิ่งนี้มีไว้เพื่ออวดโฉมในการจับคู่ เนื่องจากเมื่อเติบโตขึ้นกระดูกบริเวณนี้จะเปราะและบางลง ดังนั้นเมื่อมองไปที่จังหวะการเต้นรำของนกบางสายพันธุ์ที่ทำเพื่อการจับคู่แล้ว ในโลกดึกดำบรรพ์ก็มีความเป็นไปได้เช่นกันว่าไดโนเสาร์เหล่านี้อาจเต้นรำไม่ต่างจากนก ซึ่งคงเป็นภาพที่น่าตื่นตาตื่นใจน่าดู   อ่านเพิ่มเติม : แขนจิ๋วของทีเร็กซ์อาจเป็นอาวุธอันตราย, ฟอสซิลอสุรกายแห่งท้องทะเลถูกพบในอินเดีย

เราจะสามารถเดินทางข้ามเวลาได้อย่างไร

ในทางทฤษฎีวิทยาศาสตร์แนะว่ามีความเป็นไปได้ที่เราจะเดินทาง ข้ามเวลา หากแต่ในความเป็นจริงยังไม่มีความชัดเจน ในขณะนี้ เราต่างต้องติดอยู่ในบ้าน การเดินทางไปยังสถานที่จุดหมายต่างๆ ที่น่าสนุกอย่างเราเคยทำอาจจะต้องหยุดพักไปก่อน แต่ถ้าหากเป็นเรื่องของการเดินทางท่องเที่ยว ข้ามเวลา ล่ะ ซึ่งแน่นอนว่าเราต่างรอที่จะทำเช่นนั้นได้ในอนาคต การเดินทางข้ามเวลาถือเป็นเรื่องแฟนตาซีมาอย่างน้อยตั้งแต่ 125 ปีก่อน เมื่อ H.G. Wells ได้เขียนนวนิยายที่มีเนื้อหาแหวกแนวในยุคนั้นที่ชื่อว่า ‘The Time Machine’ ในปี 1895 และนั่นคือสิ่งที่ทั้งนักวิทยาศาสตร์และนักปรัชญาต่างเขียนงานวิจัยที่จริงจังในเรื่องนี้มานานนับศตวรรษแล้ว สิ่งที่เป็นจุดเริ่มต้นการค้นคว้าวิจัยทางวิทยาศาสตร์ในเรื่องของการเดินทางข้ามเวลาเมื่อปลายศตวรรษที่ 19 ซึ่งเชื่อว่าเวลาสามารถถูกนึกภาพได้ในฐานะของมิติ (dimension) เช่นเดียวกับพื้นที่ (space) แล้วถ้าเราสามารถเดินทางไปในพื้นที่ต่างๆ ได้อย่างง่ายดาย ทำไมจะทำเช่นนั้นกับเวลาบ้างไม่ได้ “ในเรื่องของพื้นที่ คุณสามารถไปยังสถานที่ใดก็ได้ที่คุณต้องการ ซึ่งอาจจะคล้ายกับเวลา ที่คุณสามารถไปยังจุดใดก็ได้ที่คุณต้องการ” Nikk Effingham นักปรัชญาแห่งมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮม ในสหราชอาณาจักร กล่าวและเสริมว่า “จากจุดนั้น จะถือเป็นก้าวที่สั้นสู่การผลิตเครื่องย้อนเวลา” ทฤษฎีคู่ขนาน (Dueling theories) Wells เป็นนักเขียนนวนิยาย ไม่ใช่นักฟิสิกส์ แต่ฟิสิกส์ก็สามารถตามความคิดของเขาได้ทันในปี 1905 เมื่ออัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้เผยแพร่ส่วนแรกของทฤษฎีสัมพัทธภาพ […]

เราได้อะไรบ้างจากภารกิจสำรวจดาวเสาร์โดยกัสซีนี

เมื่อยานสำรววจกัสซีนีเดินทางขึ้นสู่ห้วงอวกาศเมื่อปี 1997 ในตอนนั้นเรารู้จักดวงจันทร์ของดาวเสาร์แค่เพียง 18 ดวงเท่านั้น แต่ด้วยภารกิจการสำรวจ ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์ค้นพบดวงจันทร์ใหม่ๆ เพิ่มขึ้นอีกรวมเป็น 53 ดวง ที่ยืนยันแล้วและมีอีก 9 ดวงที่รอการยืนยัน ดวงจันทร์ของดาวเสาร์บางดวง มีสภาพแวดล้อมที่เอื้อต่อสิ่งมีชีวิต เช่นดวงจันทร์เอนเซลาดัส จากการสำรวจพบว่าภายในดวงจันทร์มีปล่องน้ำร้อนที่ก้นมหาสมุทร ทำให้เชื่อกันว่ามีความเป็นไปได้ที่อาจพบสิ่งมีชีวิตในบริเวณนั้น อย่างไรก็ตามหนึ่งในข้อมูลสำคัญที่นักวิทยาศาสตร์ได้รับหลังเสร็จสิ้นภารกิจการสำรวจอันยาวนาน 20 ปี ของยานกัสซีนีก็คือข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับดาวเสาร์ ที่จะช่วยให้เรารู้จักดาวดวงนี้ได้ดียิ่งขึ้น…หลับให้สบายนะเจ้ายานน้อย ถึงเวลาได้พักผ่อนแล้ว   อ่านเพิ่มเติม : บอกลายานกัสซีนี,  ระบบสุริยะจักรวาลกว้างใหญ่แค่ไหน? ชายคนนี้จะมาจำลองให้ดู

วิทยาศาสตร์น่ารู้ : 10 ตัวการที่ก่อมลพิษทางอากาศสูงสุด

มลพิษทางอากาศไม่ได้เกิดขึ้นจากคาร์บอนไดออกไซด์เพียงอย่างเดียวเท่านั้น มาทำความรู้จักกับตัวการอื่นๆ ที่สามารถพบได้ในชีวิตประจำวันและเป็นอันตรายต่อสุขภาพของคุณเช่นกัน