การหายใจคืออะไร
อวัยวะหายใจของพืชบกมีอะไรบ้าง
อวัยวะหายใจของสัตว์น้ำมีอะไรบ้าง
อวัยวะหายใจของสัตว์บกมีอะไรบ้าง
การหายใจคืออะไร


[ ขยายดูภาพใหญ่ ]

ความหมายและชนิดของการหายใจ
คุณสมบัติสำคัญอย่างหนึ่งของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด คือ การหายใจ คำนี้ตรงกับศัพท์ภาษาอังกฤษว่า "respiration" เป็นคำที่มีรากศัพท์มาจากภาษาลาติน "respiration" ซึ่งแปลว่า breathing out โดยทั่วไปมักเข้าใจกันว่า การหายใจ คือ การนำเอาก๊าซออกซิเจนเข้าสู่ร่างกายและขับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากร่างกาย แต่ขบวนการจริงๆ ที่เกิดขึ้นในการหายในของสิ่งมีชีวิตนั้นสลับซับซ้อนมาก ออกซิเจนที่หายใจเข้าไปนั้นจะถูกนำไปสู่เซลล์ทุกๆ เซลล์ในร่างกาย เพื่อไปใช้ในขบวนการย่อยอาหาร (คำว่า "อาหาร" ในที่นี้ คือ สารที่สามารถให้พลังงานแก่ร่างกายได้ ซึ่งได้แก่พวกโปรตีน คาร์โบไฮเดรต และไขมันที่อยู่ภายในเซลล์) ทำให้ได้พลังงานมาใช้ในการดำรงชีพ
อย่างไรก็ตาม พลังงานซึ่งสิ่งที่มีชีวิตได้รับจากการย่อยอาหาร ไม่จำเป็นจะต้องมีออกซิเจนเข้าทำปฏิกิริยาด้วยเสมอไป สิ่งมีชีวิตเล็กๆ เช่น บัคเตรีบางชนิด ยีสต์ หรือพวกพาราไซต์ชั้นต่ำบางชนิดที่อาศัยอยู่ในร่างกายของชีวิตอื่น ไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานในการดำรงชีพมากมายนัก สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีกับอาหารเพื่อให้ได้พลังงาน โดยไม่ต้องใช้ออกซิเจนเหมือนกับสิ่งที่มีชีวิตชั้นสูง แต่พลังงานที่ได้ไม่มากนักเพราะโมเลกุลของอาหารไม่ถูกย่อยจนถึงขั้นสุดท้ายเหมือนกับการย่อยโดยใช้ออกซิเจนไปช่วย แต่พลังงานที่ได้รับก็เพียงพอที่จะทำให้สิ่งมีชีวิตเหล่านั้นดำรงชีวิตอยู่ได้อย่างปกติ
เมื่อปรากฏว่ามีสิ่งมีชีวิตหลายชนิดได้พลังงานจากอาหารโดยไม่ต้องใช้ออกซิเจน ถ้าเราถือว่าการหายใจจำเป็นต้องใช้ออกซิเจนแล้ว เราจะไม่สามารถกล่าวได้ว่าการหายใจเป็นคุณสมบัติที่สำคัญของสิ่งที่มีชีวิตทุกชนิดในโลก ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงแบ่งการหายใจออกเป็นประเภทใหญ่ๆ ๒ ประเภท คือ การหายใจแบบใช้ออกซิเจน (aerobic respiration) และการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน (anaerobic respiration)
อวัยวะหายใจของพืชบกมีอะไรบ้าง


[ ขยายดูภาพใหญ่ ]

อวัยวะหายใจของพืชบก
พืชน้ำเช่นพวกสาหร่ายซึ่งมีใบและลำต้นบางมาก สามารถดูดเอาออกซิเจนจากน้ำได้โดยตรง แต่พืชบกต้องประสบปัญหาเกี่ยวกับความแห้งแล้งของอากาศ ดังนั้นพืชบกจึงมีลำต้นหนาและแข็งแรงมาก และมีอวัยวะพิเศษ คืออวัยวะหายใจที่ทำหน้าที่นำก๊าซออกซิเจนจากอากาศไปให้พืชใช้หายใจ อวัยวะหายใจอาจพบได้ทั้งที่ใบ ลำต้น และราก
๑. ใบ ใบมีเยื่อบุผิวนอก (epidermis) หุ้มไว้ทั้งทางด้านหลังใบและท้องใบและมีสารคล้ายขี้ผึ้งห่อหุ้มผิวด้านนอกของเยื่อบุผิวนี้อยู่บางๆ เรียกว่าคิวติเคิล (cuticle) สารนี้มีลักษณะค่อนข้างแห้ง และไม่ดูดน้ำ จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการป้องกันไม่ให้น้ำระเหยออกไปจากใบได้โดยง่าย ถ้าไม่มีสารดังกล่าวหุ้มไว้ พืชอาจแห้งและเฉาตายได้โดยง่าย อย่างไรก็ตาม บริเวณที่คิวติเคิลหุ้มอยู่ก็ไม่สามารถที่จะทำหน้าที่แลกเปลี่ยนก๊าซที่หายใจและสังเคราะห์แสงได้ดี เพราะเป็นบริเวณที่แห้ง อวัยวะหายใจของพืชสีเขียวมักจะพบอยู่ทางด้านท้องใบ มีลักษณะเป็นรูเปิด เรียกว่า "ปากใบ" (stoma พหูพจน์ stomata) ถัดปากใบขึ้นไป มีช่องว่างระหว่างกลุ่มของเซลล์ ซึ่งเรียกว่า เซลล์เมโสฟิลล์ (mesophyll cells) ช่วยให้อากาศที่ผ่านเข้าไปแทรกซึมไปทั่วทุกส่วนของใบได้โดยง่าย ภายในเซลล์ของกลุ่มเซลล์เหล่านี้ มีคลอโรฟิลล์อยู่ด้วย จึงสามารถสังเคราะห์แสงเพื่อสร้างอาหารประเภทคาร์โบไฮเดรตให้แก่พืชได้ เมโสฟิลล์ของใบแบ่งเป็น ๒ ชั้น ชั้นล่างเรียกว่า สปันจี เมโสฟิลล์ (spongy mesophyll) เซลล์ในชั้นนี้อยู่กันห่างๆ มีช่องว่างสำหรับอากาศผ่านและมีคลอโรฟิลล์อยู่น้อย ส่วนชั้นบนเรียกว่า พาลิเสด เมโสฟิลล์ (palisade mesophyll) มีเซลล์อยู่กันค่อนข้างหนาแน่น รูปร่างค่อนข้างยาวและมีคลอโรฟิลล์อยู่หนาแน่นกว่าในชั้นล่าง ใบของพืชสีเขียวแต่ละใบจะมีปากใบกระจัดกระจายอยู่ทางด้านท้องใบมากมาย เมื่อรวมแล้วเนื้อที่ที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนก๊าซในใบแต่ละใบจึงมีอยู่ไม่น้อย
๒. ลำต้นและราก ที่เปลือกนอกของลำต้นที่มีอายุมากๆ อาจเห็นเป็นรอยแยก ซึ่งภายในประกอบไปด้วยกลุ่มของเซลล์ เรียก เล็นติเซล (lenticel) อยู่กันอย่างหลวมๆ
รากไม่มีอวัยวะพิเศษ แต่ก๊าซสามารถแพร่ผ่านเยื่อชื้นของรากอ่อนได้ การพรวนดินจะช่วยให้รากเหล่านี้ได้รับออกซิเจนอย่างเพียงพอ
จะเห็นได้ว่าใบของพืชบกไม่จำเป็นต้องมีกลไกในการแลกเปลี่ยนก๊าซหายใจที่พิเศษแต่อย่างใด เพราะภายในช่องว่างระหว่างเนื้อเยื่อของพืชบกเต็มไปด้วยอากาศซึ่งให้ประโยชน์แก่พืชทั้งสองทาง คือ นำก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ไปใช้สังเคราะห์แสง และนำออกซิเจนไปใช้ในการหายใจ นอกจากนี้ออกซิเจนซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการสังเคราะห์แสงของพืชก็ยังนำไปใช้ในการหายใจได้ด้วย ช่องอากาศเหล่านี้ติดต่อกับภายนอกได้โดยปากใบและเล็นติเซล ก๊าซจากภายนอกจึงผ่านเข้าไปถึงตัวเซลล์ได้โดยตรง ไม่จำเป็นต้องแพร่โดยอาศัยน้ำหรือของเหลวภายในเซลล์ เมื่อก๊าซผ่านไปถึงผิวเซลล์แต่ละเซลล์ซึ่งมีน้ำหล่อเลี้ยงอยู่รอบๆ ออกซิเจนจะสามารถแพร่เข้าไปได้ในอัตราที่เร็วกว่าที่เมื่อละลายอยู่ในน้ำถึง ๓๐๐,๐๐๐ เท่า
อวัยวะหายใจของสัตว์น้ำมีอะไรบ้าง


[ ขยายดูภาพใหญ่ ]

อวัยวะหายใจของสัตว์น้ำ
สัตว์เซลล์เดียวไม่มีอวัยวะพิเศษที่ใช้หายใจ เพราะออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำสามารถซึมผ่านผิวของเซลล์เข้าสู่เซลล์ได้โดยตรง สัตว์ชั้นต่ำหลายเซลล์ เช่น ไฮดรามีช่องกลวงภายในลำตัว ทำหน้าที่ได้หลายอย่างเรียกว่าช่องแก๊สโตรวาสคูลาร์ (gastrovascular cavity) กล่าวคือ ทำหน้าที่เป็นลำไส้และเป็นเส้นเลือดพร้อมๆ กัน โดยนำเอาอาหารและก๊าซออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำผ่านจากปากเข้าไปให้เซลล์ดูดซึมเพื่อไปใช้ในการหายใจ
พวกไฮดราไม่มีทวารหนัก ดังนั้นจึงต้องขับอุจจาระออกทางปากด้วย แม้แต่ในพวกไส้เดือนดิน ซึ่งเป็นสัตว์ที่มีลำตัวเป็นปล้องๆ และอาศัยอยู่ในดินชื้นๆ มีขนาดโตขึ้นมามาก และร่างกายสลับซับซ้อนกว่าพวกไฮดราและพลานาเรีย ยังไม่พบว่ามีอวัยวะพิเศษสำหรับหายใจ สัตว์พวกนี้มีผิวหนังบางมากและเปียกชื้นอยู่เสมอ เพราะมีต่อมเมือกที่ผิวหนังคอยกลั่นน้ำเมือกออกมาทำให้หนังชุ่มชื้นอยู่เสมอ และมีเส้นเลือดไปหล่อเลี้ยงที่บริเวณผิวหนังมากมาย ดังนั้นผิวหนังทั่วร่างกายของสัตว์พวกนี้จึงทำหน้าที่แลกเปลี่ยนก๊าซหายใจได้โดยดูดออกซิเจนผ่านผิวหนังเข้าสู่เส้นเลือด และคายคาร์บอนไดออกไซด์ ผ่านเส้นเลือดและผิวหนังออกไปสู่น้ำที่อยู่รอบตัวมันได้ อย่างไรก็ตาม สัตว์น้ำที่ตัวโตๆ และมีร่างกายสลับซับซ้อน ส่วนมากจำเป็นจะต้องมีอวัยวะหายใจโดยเฉพาะ เพื่อช่วยรับออกซิเจนไปใช้ในการหายใจภายในเซลล์ที่สลับซับซ้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ
อวัยวะหายใจสำคัญของสัตว์น้ำ คือ
๑. เหงือก (Gills) เป็นอวัยวะหายใจของสัตว์น้ำชั้นสูง เหงือกเป็นส่วนของเนื้อเยื่อบางๆ ซึ่งยื่นออกมาจากร่างกาย (บางชนิดอาจมีเปลือกแข็งหุ้มข้างนอก) แต่เหงือกของสัตว์แต่ละชนิดมีรูปร่างลักษณะไม่เหมือนกัน เหงือกของปลาดาวมีลักษณะไม่สลับซับซ้อนอยู่ที่บริเวณเปลือกนอกของลำตัว มีลักษณะเป็นถุงยาวๆ ยื่นออกมารอบๆ หนามแข็งๆ ของตัวซึ่งมีทั้งขนาดใหญ่และขนาดเล็ก หนามแข็งเหล่านี้จะคอยช่วยป้องกันไม่ให้เหงือกได้รับอันตรายได้โดยง่าย พวกไส้เดือนทะเลมีรยางค์เป็นแผ่นแบนๆ ยื่นออกมาจากสองข้างของลำตัว ที่บริเวณนี้จะมีเส้นเลือดฝอยแผ่อยู่เต็ม ทำหน้าที่แลกเปลี่ยนก๊าซหายใจได้เช่นกัน อวัยวะเหล่านี้เรียกว่า พาราโพเดียม (parapodium) อวัยวะนี้นอกจากจะทำหน้าที่หายใจแล้ว ยังเป็นอวัยวะที่ช่วยในการว่ายน้ำด้วย ไส้เดือนทะเลบางชนิดที่ฝังตัวอยู่ในรูตามพื้นทรายมีเหงือกเป็นฝอยยื่นออกมาต่างหากจากพาราโพเดียมด้วย ในพวกปลาหมึกจะมีเหงือกอยู่ภายในช่องว่างของเนื้อที่ห่อหุ้มลำตัวชั้นนอกอีกทีหนึ่ง ส่วนที่เป็นลำตัวชั้นนอกของปลาหมึกเรียกว่าแมนเติล (mantle) จะมีช่องให้น้ำไหลผ่านเข้าไปได้ทางปลายด้านหน้าบริเวณคอ ขณะที่กล้ามเนื้อของแมนเติลคลายตัว ออกซิเจนซึ่งละลายอยู่ในน้ำจะผ่านไปที่เหงือกและแพร่ผ่านเข้าสู่ร่างกายได้ คาร์บอนไดออกไซด์ก็จะแพร่ออกมาจากเหงือกได้เช่นเดียวกัน ขณะที่กล้ามเนื้อของแมนเติลหดตัวดันช่องน้ำเข้าให้ปิด มันจะขับน้ำออกมาทางช่องน้ำออก ซึ่งมีความแรงมาก ทำให้สามารถดีดตัวถอยหลังไปในน้ำเป็นระยะทางไกลๆ ได้ สัตว์น้ำที่ไม่มีกระดูกสันหลัง เช่น ปู กุ้ง และหอยก็มีเหงือกหายใจเช่นกัน ลักษณะโครงสร้างของเหงือกก็ไม่สู้จะแตกต่างไปจากพวกปลาหมึกเท่าไรนัก
๒. อวัยวะหายใจอื่นๆ สัตว์น้ำบางชนิดไม่ใช้เหงือกสำหรับหายใจ เช่น ปลิงทะเล (sea cucumber) ซึ่งเป็นสัตว์ที่อยู่ในไฟลัมเดียวกับปลาดาว มีแขนงของอวัยวะหายใจเรียกว่า เรสปิเรทอรี ทรี (respiratory tree) แผ่เต็มช่องว่างภายในตัว และเปิดเข้าสู่ส่วนปลายสุดของลำไส้ก่อนจะเปิดเป็นทวารหนัก เมื่อกล้ามเนื้อบริเวณนี้บีบตัวจะขับเอาอุจจาระและน้ำจาก เรสปิเรทอรี ทรี ออกสู่ภายนอก และเมื่อขยายตัวก็จะดูดเอาน้ำที่มีออกซิเจนละลายอยู่ด้วยผ่านเข้าไปในเรสปิเรทอรี ทรี ได้ อวัยวะนี้จึงทำหน้าที่ดูดเอาออกซิเจนในน้ำผ่านเข้าสู่ร่างกายและปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ออกมากับน้ำได้
แมลงหลายชนิดที่อาศัยอยู่ในน้ำไม่ได้เป็นสัตว์น้ำที่แท้จริง เพราะสัตว์พวกนี้จะโผล่ขึ้นมาที่ผิวน้ำเพื่อหายใจจากอากาศโดยตรง พวกด้วงปีกแข็งที่อยู่ในน้ำบางชนิดมีการปรับปรุงตัวเป็นพิเศษ โดยสามารถเก็บอากาศไว้ข้างใต้ปีกแข็งคู่หน้าขณะที่มันโผล่ขึ้นมาจากผิวน้ำเพื่อเก็บไว้ใช้หายใจในเวลาที่มันอยู่ใต้ผิวน้ำได้เป็นเวลานานๆ
อวัยวะหายใจของสัตว์บกมีอะไรบ้าง


[ ขยายดูภาพใหญ่ ]

อวัยวะหายใจของสัตว์บก
สัตว์บกที่มีกระดูกสันหลังขณะที่ยังเป็นตัวอ่อนเติบโตอยู่ในไข่หรือในครรภ์มารดานั้น มีน้ำเหลวห่อหุ้มตัวอยู่กันความกระทบกระเทือนและมีช่องเหงือก (gill slits) เกิดขึ้นที่บริเวณคอหอยคล้ายๆ กับสัตว์พวกปลา แต่เมื่อคลอดออกมาจากครรภ์มารดาแล้วไม่มีความจำเป็นที่จะต้องใช้เหงือกอีกต่อไป จึงเกิดมีวิวัฒนาการเปลี่ยนแปลงไปเป็นปอดเกิดขึ้นตรงบริเวณที่เป็นช่องเหงือกเดิม แต่แทนที่จะยื่นออกมานอกร่างกายเหมือนเหงือกกลับซ่อนอยู่ภายในร่างกายอย่างมิดชิด ปอดเป็นอวัยวะที่ทำหน้าที่แลกเปลี่ยนก๊าซหายใจได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงในสัตว์บก และเป็นอวัยวะที่พบในสัตว์มีกระดูกสันหลังทุกชนิดยกเว้นพวกปลาและสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำที่มีชีวิตอยู่ในน้ำตลอดชีวิต ส่วนในสัตว์บกชั้นต่ำ เช่น พวกแมลงต่างๆ อวัยวะหายใจเป็นพวกท่อลมเล็กๆ (trachea) ซึ่งจะแตกแขนงแยกไปตามเนื้อเยื่อและอวัยวะต่างๆ ทั่วร่างกาย สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังบางชนิด เช่น พวกหอยทากก็มีปอดเป็นอวัยวะหายใจด้วย แต่ไม่สลับซับซ้อนเท่าปอดของสัตว์มีกระดูกสันหลัง
ไม่ว่าอวัยวะหายใจของสัตว์บกจะเป็นปอดหรือท่อลมก็ตาม อวัยวะดังกล่าวจะทำหน้าที่แลกเปลี่ยนก๊าซหายใจให้ดีได้จะต้องมีพื้นที่ผิวของเนื้อเยื่อภายในซึ่งเป็นบริเวณแลกเปลี่ยนก๊าซชุ่มชื่นอยู่ตลอดเวลาเช่นเดียวกันที่พบในพืชชั้นสูง
๑. ปอด ต่างจากเหงือกของสัตว์น้ำ เพราะปอดเป็นอวัยวะหายใจที่อยู่ภายในร่างกาย แต่เหงือกเป็นอวัยวะหายใจที่อยู่นอกร่างกาย นับได้ว่าเป็นวิวัฒนาการที่สำคัญอย่างหนึ่งของสัตว์บก เพราะถ้าอวัยวะหายใจออกมาอยู่ภายนอกร่างกายเหมือนสัตว์น้ำแล้ว ความแห้งแล้งของอากาศรอบๆ ตัวจะมีผลทำให้พื้นผิวของอวัยวะหายใจแห้งจนไม่สามารถที่จะทำหน้าที่แลกเปลี่ยนก๊าซหายใจได้ เช่น พวกปลาเมื่อเอาขึ้นมาบนบก เหงือกก็จะแห้งตาย แม้จะมีเยื่อแข็ง (operculum) หุ้มป้องกันอันตรายก็ไม่ช่วยให้เก็บความชื้นไว้ได้นาน แต่อาจมีปลาบางชนิด เช่น พวกปลาดุก ปลาหมอ และปลาช่อน อาจทนทานได้ดีกว่าปลาชนิดอื่น เพราะเหงือกของมันมีลักษณะพิเศษที่สามารถเก็บน้ำที่มีออกซิเจนละลายอยู่ไว้ได้นานกว่าปลาอื่น ทำให้สามารถอยู่บนบกได้นานกว่า ๒๔ ชั่วโมง (ดูเรื่องปลาในเล่ม ๑) การที่ปอดเข้าไปซ่อนอยู่ในร่างกายอย่างมิดชิด จะช่วยให้พื้นผิวของเนื้อเยื่อสำหรับแลกเปลี่ยนก๊าซหายใจที่อยู่ภายในปอดไม่ได้รับอันตรายจากสิ่งแวดล้อมนอกร่างกาย สัตว์บางอย่าง เช่น ปลาวาฬ และปลาโลมานั้น ไม่ใช่สัตว์น้ำที่แท้จริงแต่เป็นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม และมีบรรพบุรุษเป็นสัตว์บก หายใจด้วยปอดเหมือนกับสัตว์บกอื่นๆ สัตว์เหล่านี้จึงต้องโผล่ขึ้นมาบนผิวน้ำเพื่อรับออกซิเจนจากอากาศเหมือนกับพวกแมลงน้ำที่มีปีกแข็ง ซึ่งได้กล่าวมาแล้วในเรื่องของสัตว์น้ำ
๒. ท่อลม เป็นอวัยวะหายใจที่สำคัญของสัตว์บกชั้นต่ำที่ไม่มีกระดูกสันหลังพบในสัตว์บกซึ่งอยู่ในไฟลัมอาร์โทรโปดา (arthropoda) ได้แก่พวกแมลงต่างๆ ท่อลมต่างกับปอดตรงที่ไม่ได้อยู่ในที่ใดที่หนึ่งของร่างกายโดยเฉพาะ ท่อลมเหล่านี้จะแตกแขนงเป็นท่อเล็กๆ ซอกแซกไปทั่วทุกเซลล์ของร่างกายได้โดยตรง ไม่จำเป็นต้องอาศัยเส้นเลือดนำก๊าซหายใจเท่าใดนัก เมื่อท่อลมนำอากาศไปถึงเซลล์ ออกซิเจนจากอากาศจะผ่านเข้าสู่เซลล์และคาร์บอนไดออกไซด์จากเซลล์จะแพร่เข้าสู่ท่อลมเล็กๆ ได้เช่นเดียวกัน
อากาศผ่านเข้าสู่ท่อลมได้โดยรูหายใจที่พบอยู่ทางด้านข้างของลำตัวทั้งสองข้าง รูหายใจนี้เรียกว่าสปิเรเคิล (spiracle) รูหายใจเหล่านี้มีลิ้นปิดเปิดได้ แมลงขนาดใหญ่มีกล้ามเนื้อรอบๆ ท่อลม ช่วยให้ท่อลมหดตัวหรือขยายตัวได้ แต่แมลงหลายชนิดไม่มีกล้ามเนื้อดังกล่าว จากการคำนวณพบว่าอัตราการแพร่ของก๊าซออกซิเจนที่ปลายของท่อลมเกิดขึ้นรวดเร็วมาก จนเป็นผลให้ปริมาณของออกซิเจนที่บริเวณนั้นมีระดับต่ำกว่าอากาศภายนอกเล็กน้อยอยู่ตลอดเวลา ระบบหายใจแบบนี้จึงเป็นการจำกัดการที่จะนำเอาออกซิเจนไปใช้หายใจที่ระดับเซลล์ให้อยู่ในระดับต่ำกว่าระบบหายใจโดยใช้ปอดมาก ซึ่งเชื่อกันว่าเป็นสาเหตุสำคัญที่ควบคุมไม่ให้สัตว์พวกแมลงมีร่างกายใหญ่โตเหมือนสัตว์มีกระดูกสันหลังชั้นสูงที่หายใจด้วยปอด ในบ้านเราจะไม่พบเห็นแมลงมีขนาดโตกว่าจักจั่นที่พบเห็นอยู่ตามป่าเลย
หัวข้อก่อนหน้าหัวข้อถัดไป