जैसाकि आप पहले पढ़ चुके हैं, सजीव पोषक तत्वों जैसे- ग्लूकोज को तोड़ने के लिए अॉक्सीजन (O2) का परोक्ष रूप से उपयोग करते हैं, जिससे विभिन्न क्रियाआें को संपादित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा प्राप्त होती है उपरोक्त अपचयी क्रियायों में कार्बनडाइअॉक्साइड (CO2) भी मुक्त होती है जो हानिकारक है इसलिए यह आवश्यक है कि कोशिकाआें को लगातार O2 उपलब्ध कराई जाए और CO2 को बाहर मुक्त किया जाए वायुमंडलीय O2 और कोशिकाओें में उत्पन्न CO2 के आदान-प्रदान (विनिमय)की इस प्रक्रिया को श्वासन (Breathing) समान्यतया श्वसन (Respiration) कहते हैं अपने हाथों को अपने सीने पर रखिए, आप सीने को ऊपर नीचे होते हुए अनुभव कर सकते हैI आप जानते हैं कि यह श्वसन के कारण है हम श्वास कैसे लेते हैं? इस अध्याय के निम्नलिखित खंडों में श्वसन अंगों और श्वसन की क्रियाविधि का वर्णन किया गया है

17.1 श्वसन के अंग

प्राणियाें के विभिन्न वर्गों के बीच श्वसन की क्रियाविधि उनके निवास और संगठन के अनुसार बदलती है निम्न अकशेरुकी जैसे स्पंज, सीलंटेरेटा चपटेकृमि आदि O2 और CO2 का आदान-प्रदान अपने सारे शरीर की सतह से सरल विसरण द्वारा करते हैI केंचुए अपनी आर्द्र क्यूटिकल को श्वसन के लिए उपयोग करते हैं कीटाें के शरीर में नलिकाआें का एक जाल (श्वसन नलिकाएं) होता हैै; जिनसे वातावरण की वायु का उनके शरीर में विभिन्न स्थान पर पहुँचती है; ताकि कोशिकाएं सीधे गैसों का आदान-प्रदान कर सकें जलीय आर्थोपोडा तथा मौलस्का में श्वसन विशेष संवहनीय संरचना क्लोम (गिल) द्वारा होता है, जबकि स्थलचर प्राणियों में श्वसन विशेष संवहनीय थैली फुप्फुस/फेफड़े द्वारा होता है कशेरुकों में मछलियाँ क्लोम (गिल) द्वारा श्वसन करती हैं जबकि एम्फबिया (उभयचर), सरीसृप,पक्षी और स्तनधारी फेफड़ों द्वारा श्वसन करते हैं उभयचर जैसे मेंढक अपनी आर्द्र त्वचा (नम त्वचा) द्वारा भी श्वसन कर सकते हैं स्तनधारियों में एक पूर्ण विकसित श्वसन प्रणाली होती हैI

17.1.1 मानव श्वसन तंत्र

हमारे एक जोड़ी बाह्य नासाद्वार होते हैं, जो होठों के ऊपर बाहर की तरफ खुलते हैं ये नासा मार्ग द्वारा नासा कक्ष तक पहुँचते हैं नासा कक्ष ग्रसनी में खुलते हैं ग्रसनी आहार और वायु दोनों के लिए उभयनिष्ठ मार्ग है ग्रसनी कंठ द्वारा श्वासनली में खुलती है कंठ एक उपास्थिमय पेटिका है जो ध्वनि उत्पादन में सहायता करती है इसीलिए इसे ध्वनि पेटिका भी कहा जाता है भोजन निगलते समय घाँटी एक पतली लोचदार उपास्थिल पल्ले/फ्लैप कंठच्छद(epiglottis) से ढक जाती है, जिससे आहार ग्रसनी से कंठ में प्रवेश न कर सके श्वासनली एक सीधी नलिका है जो वक्ष गुहा के मध्य तक 5वीं वक्षीय कशेरुकी तक जाकर दाईं और बाईं दो प्राथमिक श्वसनियों में विभाजित हो जाती है प्रत्येक श्वसनी कई बार विभाजित होते हुए द्वितीयक एवं तृतीयक स्तर की श्वसनी, श्वसनिका और बहुत पतली अंतस्थ श्वसनिकाओं में समाप्त होती हैं श्वासनली, प्राथमिक, द्वितीयक एवं तृतीयक श्वसनी तथा प्रारंभिक श्वसनिकाएं अपूर्ण उपास्थिल वलयों से आलंबित होती हैं प्रत्येक अंतस्थ श्वसनिका बहुत सारी पतली अनियमित भित्ति युक्त वाहिकायित थैली जैसी संरचना कूपिकाओं में खुलती है, जिसे वायु कूपिका कहते हैं श्वसनी, श्वसनिकाओं और कूपिकाओं का शाखित जाल फेफड़ों (lungs) की रचना करते हैं (चित्र 17.1) हमारे दो फेफड़े हैं जो एक द्विस्तरीय फुप्फुसावरण (pleura) से ढके रहते हैं और जिनके बीच फुफ्फुसावरणी द्रव भरा होता है यह फेफड़े की सतह पर घर्षण कम करता है बाहरी फुप्फुसावरणी झिल्ली वक्षीय पर्त के निकट संपर्क में रहती है; जबकि आंतरिक फुप्फुसावरणी झिल्ली फेफड़े की सतह के संपर्क में होती है I

बाह्य नासारंध्र से अंतस्थ श्वसनिकाओं तक का भाग चालन भाग; जबकि कूपिकाएं एवं उनकी नलिकाएं श्वसन तंत्र का श्वसन या विनिमय भाग गठित करती हैं चालन भाग वायुमंडलीय वायु को कूपिकाओं तक संचारित करता है, इसे बाहरी कणों से मुक्त करता है, आर्द्र करता है तथा वायु को शरीर के तापक्रम तक लाता है विनिमय भाग (आदान-प्रदान इकाई) रक्त एवं वायुमंडलीय वायु के बीच O2 और CO2 का वास्तविक विसरण स्थल है I

फेफड़े वक्ष-गुहा में स्थित होते हैं जो शारीरतः एक वायुरोधी कक्ष है वक्ष-गुहा कक्ष पृष्ठ भाग में कशेरुक दंड, अधर भाग में उरोस्थि, पार्श्व में पसलियों और नीचे से गुंबदाकर डायाफ्राम (diaphragm) द्वारा बनता है वक्ष में फेफड़ों की शारीरिक व्यवस्था एेसी होती है कि वक्ष गुहा के आयतन मेें कोई भी परिवर्तन फेफड़े (फुप्फुसी) की गुहा में प्रतिबिंबित हो जाएगा श्वसन के लिए एेसी व्यवस्था आवश्यक है I

श्वसन में निम्नलिखित चरण सम्मिलित हैंः

(i) श्वसन या फुप्फुसी संवातन जिससे वायुमंडलीय वायु अंदर खींची जाती है और CO₂ से भरपूर कूपिका की वायु को बाहर मुक्त किया जाता है

(ii) कूपिका झिल्ली के आर-पार गैसों (O2 और CO2) का विसरण

(iii) रुधिर द्वारा गैसों का परिवहन (अभिगमन)

(iv) रुधिर और ऊतकों के बीच O2 और CO2 का विसरण

(v) अपचयी क्रियायों के लिए कोशिकाओं द्वारा O2 का उपयोग और उसके फलस्वरूप CO2 का उत्पन्न होना (कोशिकीय श्वसन,जैसे कि अध्याय 14-श्वसन में बताया गया है)

17.2 श्वासन की क्रियाविधि

श्वासन में दो चरण सम्मिलित हैंः अंतः श्वसन जिसके दौरान वायुमंडलीय वायु को अंदर खीचा जाता है और निःश्वसन जिसके द्वारा फुुफ्फुसी वायु को बाहर मुक्त किया जाता है वायु को फेफड़ों के अंदर ले जाने के लिए फेफड़ों एवं वायुमंडल के बीच दाब प्रवणता निर्मित की जाती हैI

अंतःश्वसन तभी हो सकता है जब वायुमंडलीय दाब से फेफड़ों की वायु का दाब (आंतर फुप्फुसी दाब) कम हो अर्थात् फेफड़ों का दाब वायुमंडलीय दाब के सापेक्ष कम होता है इस तरह निःश्वसन तब होता है, जब आंतर फुप्फुसी दाब वायुमंडलीय दाब से अधिक होता है डायाफ्राम और एक विशिष्ट पेशी समूह (पसलियों के बीच स्थित बाह्य एवं अंतः अंतरापर्शुक /इंटरकोस्टल) इस तरह की प्रवणताएं उत्पन्न करते हैं अंतःश्वसन डायाफ्राम के संकुचन से प्रारंभ होता है जो अग्र पश्च अक्ष (antero posterior axis) में वक्ष गुहा का आयतन बढ़ा देता है बाह्य अंतरापर्शुक पेशियों का संकुचन पसलियों और उरोस्थि को ऊपर उठा देता है, जिससे पृष्ठधार अक्ष (dorso ventral axis) में वक्ष-गुहा कक्ष का आयतन बढ़ जाता है वक्ष गुहा के आयतन में किसी प्रकार से भी हुई वृद्धि के कारण फुप्फुस के आयतन में भी समान वृद्धि होती है यह समान तरह की वृद्धि फुप्फुसी दाब को वायुमंडलीय दाब से कम कर देती है, जिससे बाहर की वायु बलपूर्वक फेफड़ों के अंदर आ जाती है अर्थात् अंतःश्वसन की क्रिया होती है (चित्र-17.2अ) डायाफ्राम और अंतरापर्शुक पेशियों का शिथिलन (relaxation) डायाफ्रम और उरोस्थि को उनके सामान्य स्थान पर वापस कर देता है और वृक्षीय आयतन को घटाता है जिससे फुप्फुसी आयतन भी घट जाता है इसके परिणामस्वरूप अंतर फुप्फुसी दाब वायुमंडलीय दाब से थोड़ा अधिक हो जाता है, जिससे फेफड़ों की हवा बाहर निकल जाती है अर्थात् निःश्वसन हो जाता है (चित्र 17.2 ब) हम अपनी अतिरिक्त उदरीय पेशियों की सहायता से अंतःश्वसन और निःश्वसन की क्षमता को बढ़ा सकते हैं औसतन एक स्वस्थ मनुष्य प्रति मिनट 12-16 बार श्वसन करता हैै श्वसन गतिविधियों में सम्मिलित वायु के आयतन का आकलन स्पाइरोमीटर की सहायता से किया जा सकता है जो फुप्फुसी कार्यकलापों का नैदानिक मूल्यांकन करने में सहायक होता है I

17.2.1 श्वसन संबंधी आयतन और क्षमताएं

ज्वारीय आयतन (Tidal Volume/ tv): सामान्य श्वसन क्रिया के समय प्रति श्वास अंतः श्वासित या निःश्वासित वायु का आयतन यह लगभग 500 मिली. होता है अर्थात् स्वस्थ मनुष्य लगभग 6000 से 8000 मिली. वायु प्रति मिनट की दर से अंतः श्वासित/निःश्वासित कर सकता है

अंतःश्वसन सुरक्षित आयतन (Inspiratory Reserve Volume irv): वायु आयतन की वह अतिरिक्त मात्रा जो एक व्यक्ति बलपूर्वक अंतः श्वासित कर सकता है यह औसतन 2500 मिली. से 3000 मिली. होता है

निःश्वसन सुरक्षित आयतन (Expiratory reserve volume, erv): वायु आयतन की वह अतिरिक्त मात्रा जो एक व्यक्ति बलपूर्वक निःश्वासित कर सकता है औसतन यह 1000 मिली. से 1100 मिली. होती है

अवशिष्ट आयतन (Residual Volume rv): वायु का वह आयतन जो बलपूर्वक निःश्वसन के बाद भी फेफड़ों में शेष रह जाता है इसका औसत 1100 मिली. से 1200 मिली. होता है

ऊपर वर्णित कुछ श्वसन संबंधी आयतनों को जोड़कर फुप्फुसी क्षमताएं (फुप्फुसी धारिताएं) निकाली जा सकती हैं जिनका नैदानिक उद्देश्याें में उपयोग किया जा सकता है

अंतःश्वसन क्षमता (Inspiratory Capacity, ic): सामान्य निःश्वसन उपरांत वायु की कुल मात्रा (आयतन)जो एक व्यक्ति अंतःश्वासित कर सकता है इसमें ज्वारीय आयतन तथा अंतःश्वसन सुरक्षित आयतन सम्मिलित है (TV+IRV)

निःश्वसन क्षमता (Expiratory Capacity, ec): सामान्य अंतःश्वसन उपरांत वायु की कुल मात्रा (आयतन) जिसे एक व्यक्ति निःश्वासित कर सकता है इसमें ज्वारीय आयतन और निःश्वसन सुरक्षित आयतन सम्मिलित होते हैं (TV+ERV)

क्रियाशील अवशिष्ट क्षमता (Functional Residual Capacity, frc): सामान्य निःश्वसन उपरांत वायु की वह मात्रा (आयतन)जो फेफड़ों में शेष रह जाती है इसमें निःश्वसन सुरक्षित आयतन और अवशिष्ट आयतन सम्मिलित होते हैं (erv+rv)

जैव क्षमता (Vital Capacity, vc)ः बलपूर्वक निःश्वसन के बाद वायु की वह अधिकतम मात्रा (आयतन)जो एक व्यक्ति अंतःश्वासित कर सकता है इसमें erv, tv और irv सम्मिलित है अथवा वायु की वह अधिकतम मात्रा जो एक व्यक्ति बलपूर्वक अंतःश्वसन के बाद निःश्वासित कर सकता है I

फेफड़ों की कुल क्षमता (Total Lung Capacity, TLC): बलपूर्वक निःश्वसन के पश्चात फेफड़ों में समायोजित (उपस्थित) वायु की कुल मात्रा इसमें rv,erv,tv और irv सम्मिलित है यानि जैव क्षमता + अवशिष्ट क्षमता (vc+rv)

17.3 गैसों का विनिमय

कुपिकाएं गैसों के विनिमय के लिए प्राथमिक स्थल होती हैं गैसों का विनिमय रक्त और ऊतकों के बीच भी होता है इन स्थलों पर O2 और CO2 का विनिमय दाब अथवा सांद्रता प्रवणता के आधार पर सरल विसरण द्वारा होता है गैसों की घुलनशीलता के साथ-साथ विसरण में सम्मिलित झिल्लियों की मोटाई भी विसरण की दर को प्रभावित करने वाले कुछ महत्वपूर्ण घटक हैं I

गैसों के मिश्रण में किसी विशेष गैस की दाब में भागीदारी को आंशिक दाब कहते हैं और उसे अॉक्सीजन तथा कार्बनडाइअॉक्साइड के लिए क्रमशः pO2 तथा pCO2 द्वारा दर्शाते हैं वायुमंडलीय वायु और दोनों विसरण स्थलों में इन दो गैसों के आंशिक दाब तालिका 17.1 और चित्र 17.3 में दर्शाए गए है सारणी में दिए गए आँकड़ें स्पष्ट रूप से कूपिकाओं से रक्त और रक्त से ऊतकों में अॉक्सीजन के लिए सांद्रता प्रवणता का संकेत देते हैं इसी प्रकार CO2 के लिए विपरीत दिशा में प्रवणता दर्शाई गई है, अर्थात् ऊतकों से रक्त और रक्त से कूपिकाओं की तरफ चूँकि CO2की घुनलशीलता O2 की घुलनशीलता से 20-25 गुना अधिक होती है, अंतःविसरण झिल्लिका में से प्रति इकाई आंशिक दाब के अंतर की विसरित होने वाली CO2 मात्रा O2 की तुलना में बहुत अधिक होती है विसरण झिल्लिका मुख्य रूप से तीन स्तरों की बनी होती है, (चित्र 17.4), यथा कूपिका की पतली शल्की उपकला (शल्की एपिथिलियम), कूपिकाओं की कोशिकाओं की अंतःकला और उनके बीच स्थित आधारी तत्व जो कि पतली आधारीय झिल्लिका की बनी होती है तथा सहायक शल्की उपकला, आधारीय झिल्लिका और रक्त कोशिकाओं की अंतःकला की एकल परत द्वारा घिरी रहती है फिर भी, इनकी कुल मोटाई एक मिलीमीटर से बहुत कम होती है इसलिए हमारे शरीर में सभी कारक O2के कूपिकाओं से ऊतकों और CO2 के ऊतकों से कूपिकाओं में विसरण के लिए अनुकूल होते हैं I

17.4 गैसों का परिवहन (Transport of Gases)

O₂ और CO₂ के परिवहन का माध्यम रक्त होता है लगभग 97 प्रतिशत O₂ का परिवहन रक्त में लाल रक्त कणिकाओं द्वारा होता है शेष 3 प्रतिशत O₂ का प्लाजमा द्वारा घुल्य अवस्था में होता हैं लगभग 20-25 प्रतिशत CO₂ का परिवहन लाल रक्त कणिकाओं द्वारा है, जबकि 70 प्रतिशत का बाईकार्बोनेट के रूप में अभिगमित होती है लगभग 7 प्रतिशत CO₂ प्लाजमा द्वारा घुल्य अवस्था होता हैं

17.4.1 अॉक्सीजन का परिवहन (Transport of Oxygen)

हीमोग्लोबिन लाल रक्त कणिकाओं में स्थित एक लाल रंग का लौहयुक्त वर्णक है हीमोग्लोबिन के साथ उत्क्रमणीय (Rerersible) ढंग से बंधकर अॉक्सीजन अॉक्सी-हीमोग्लोबिन का गठन कर सकता है प्रत्येक हीमोग्लोबिन अणु अधिकतम चार O2 अणुओं के वहन कर सकते हैं हीमोग्लोबिन के साथ अॉक्सीजन का बंधना प्राथमिक तौर पर O2 के आंशिक दाब से संबंधित है CO2 का आंशिक दाब हाइड्रोजन आयन सांद्रता और तापक्रम कुछ अन्य कारक हैं जो इस बंधन को बाधित कर सकते हैं हीमोग्लोबिन की अॉक्सीजन से प्रतिशत संतृप्ति को pO2 के सापेक्ष आलेखित करने पर सिग्माभ वक्र (Sigmoid Curve) प्राप्त होता है इस वक्र को वियोजन वक्र (Dissociation Curve) कहते हैं जो हीमोग्लोबिन से O2 बंधन को प्रभावित करने वाले pCO2, H+ आयन सांद्रता, आदि घटकों के अध्ययन में अत्यधिक सहायक होता है (चित्र 17.5) कूपिकाओं में जहाँ उच्च pO2, निम्न pCO2, कम H+ सांद्रता और निम्न तापक्रम होता है, वहाँ अॉक्सीहीमोग्लोबिन बनाने के लिए ये सभी घटक अनुकूल साबित होते हैं जबकि ऊतकों में निम्न pO2, उच्च pCO2, उच्च H+ सांद्रता और उच्च तापक्रम की स्थितियाँ अॉक्सीहीमोग्लोबिन से अॉक्सीजन के वियोजन के लिए अनुकूल होती हैं इससे स्पष्ट है कि O2 हीमोग्लोबिन से फेफड़ों की सतह पर बँधता है और ऊतकों में वियोजित हो जाती है प्रत्येक 100 मिली. अॉक्सीजनित रक्त सामान्य शरीर क्रियात्मक स्थितियों में ऊतकों को लगभग 5 मिली. O2 प्रदान करता है

17.4.2 कार्बनडाइअॉक्साइड का परिवहन

कार्बनडाइअॉक्साइड (CO2 ) हीमोग्लोबिन द्वारा कार्बामीनो-हीमोग्लोबिन (लगभग 20-25 प्रतिशत) के रूप में वहन की जाती है यह बंधनीयता (बंधन) CO2 के आंशिक दाब से संबंधित होती है pO2 इस बंधन को प्रभावित करने वाला एक मुख्य कारक है ऊतकों में उच्च pCO2 और निम्न pO2 की अवस्था होने से हीमोग्लोबिन से CO2 का बंधन होता है; जबकि कूपिका में, जहाँ pCO2 निम्न और pO2 उच्च होता है, कार्बामीनो-हीमोग्लोबिन से CO2 का वियोजन होने लगता है अर्थात् ऊतकों में हीमोग्लोबिन से बंधित CO2 कूपिका में मुक्त हो जाती है एंजाइम कार्बोनिक एन्हाइड्रेज की सांद्रता लाल रक्त कणिकाओं में उच्च और प्लाज्मा में अल्प होती है इस एंजाइम से निम्नलिखित प्रतिक्रिया दोनों दिशाओं में सुगम होती है I

 

ऊतकों में अपचय के कारण pCO2 अधिक होने से CO2 रक्त (RBCsऔर प्लाज्मा) में विसरित होती है और HCO3 और H+ बनाती है कूपिका में pCO2 कम होने से प्रतिक्रिया की दिशा विपरीत हो जाती है जिससे CO2 और H2o बनते हैं इस तरह बाईकार्बोनेट के रूप में ऊतक स्तर पर ग्रहित (Trapped) और कूपिका तक परिवहित कार्बनडाइअॉक्साइड बाहर की तरफ पुनः CO2 के रूप में मुक्त हो जाती है (चित्र 17.4) प्रति 100 मिलीलीटर विअॉक्सीजनित रक्त द्वारा कूपिका में लगभग CO2 की 4 मिली. मात्रा मुक्त होती है I

17.5 श्वसन का नियमन (Regulation of Respiration)

मानव में अपने शरीर के ऊतकों की माँग के अनुरूप श्वसन की लय को संतुलित और स्थिर बनाए रखने की एक महत्वपूर्ण क्षमता है यह नियमन तंत्रिका तंत्र द्वारा संपन्न होता है मस्तिष्क के मेड्यूला क्षेत्र में एक विशिष्ट श्वसन लयकेंद्र विद्यमान होता है, जो मुख्य रूप से श्वसन के नियमन के लिए उत्तरदायी होता है मस्तिष्क के पोंस क्षेत्र में एक अन्य केंद्र स्थित होता है जिसे श्वासप्रभावी (श्वास अनुचन) (Pneumotaxic) केंद्र कहते हैं जो श्वसन लयकेंद्र के कार्यों को संयत (सुधार) कर सकता है इस केंद्र के तंत्रिका संकेत अंतःश्वसन की अवधि को कम कर सकते हैं और इस प्रकार श्वसन दर (Respiratory rate) को परिवर्तित कर सकते हैं लयकेंद्र के पास एक रसोसंवेदी (Chemosensitive) केंद्र लयकेंद्र के लिए अति संवेदी होता है, जो CO2 और हाइड्रोजन आयनों के लिए अति संवेदी होता है इन पदार्थो की वृद्धि से यह केंद्र सक्रिय होकर श्वसन प्रक्रिया में आवश्यक समायोजन करता है, जिससे ये पदार्थ निष्कासित किए जा सकें महाधमनी चाप (Aortic arch) और ग्रीवा धमनी (Carotid artery) से जुड़ी संवेदी संरचनाएं भी CO2 और H+ सांद्रता के परिर्वतन को पहचान सकते हैं तथा उपचारात्मक कार्यवाही हेतु लयकेंद्र को आवश्यक संकेत दे सकते हैं श्वसन लय के नियमन में अॉक्सीजन की भूमिका बहुत ही महत्वहीन है

17.6 श्वसन के विकार (Respiratory disorders)

दमा (Asthma) में श्वसनी और श्वसनिकाओं की शोथ के कारण श्वासन के समय घरघरहाट होती है तथा श्वास लेने में कठिनाई होती है

श्वसनी शोथ (Bronchitis) : यह श्वसनी की शोथ है जिसके विशेष लक्षण श्वसनी में सूजन तथा जलन होना है जिससे लगातार खाँसी होती है

वातस्फीति या एम्फाइसिमा(Emphysema) : एक चिरकालिक रोग है जिसमें कूपिका भित्ति क्षतिग्रस्त हो जाती है जिससे गैस विनिमय सतह घट जाती है धूम्रपान इसके मुख्य कारकों में एक है

व्यावसायिक श्वसन रोग (Occupational Respiratory Disease) : कुछ उद्योगों में विशेषकर जहाँ पत्थर की घिसाई - पिसाई या तोड़ने का कार्य होता है, वहाँ इतने धूल कण निकलते हैं कि शरीर की सुरक्षा प्रणाली उन्हें पूरी तरह निष्प्रभावी नहीं कर पाती दीर्घकालीन प्रभावन शोथ उत्पन्न कर सकता है जिनसे रेशामयता (रेशीय ऊतकों की प्रचुरता) होती है, जिसके फलस्वरूप फेफड़ों को गंभीर नुकसान हो सकता है इन उद्योगों के श्रमिकों को मुखावरण का प्रयोग करना चाहिए I