Respirationen

Respirationssystemet ansvarar för gasutbytet mellan organism och omgivning. Ur ett homeostasperspektiv är dess huvuduppgift att stabilisera nivåerna av syre och koldioxid, men genom det också reglera blodets pH-nivå.

Anatomi och funktion

Respirationen kan förstås i två delar:

• Ventilation: luft transporteras in och ut ur lungorna.
• Gasutbyte: syre och koldioxid diffunderar mellan alveoler och blod.

Luftens väg (ventilation)

Luften tar sig från vår näshåla, via svalg och luftstrupe, ner till lungorna där ett gasutbyte sker mellan blodet och lungornas funktionella enhet: alveolerna. På mer detaljerad nivå brukar respirationssystemet delas upp i två delar anatomiskt: de övre och de nedre luftvägarna.

Övre luftvägar

De övre luftvägarna inkluderar: näs- och munhåla, svalg och struplock. Svalget är en gemensam passage för luft och föda, medan matstrupen tillhör matspjälkningssystemet. Den viktigaste funktionen hos de övre luftvägarna är att värma och filtrera luften, samt skydda de nedre luftvägarna från skadliga partiklar.

Nedre luftvägar

De nedre luftvägarna inkluderar: luftstrupe och luftrör. Deras funktion är istället framförallt transport av luften ut till de funktionella enheterna (alveoler).

Andning och stödstruktur

Ofta inkluderar vi också flera stödstrukturer till andningen i respirationssystemet. Lungorna expanderar inte av sig själva utan genom kontraktion av olika muskelgrupper. Viktigast är diafragman, men även interkostalmuskler (revbensmuskler) bidrar till andningsmekanismen.

Alveoler och gasutbyte

Den funktionella enheten i respirationssystemet kallas alveoler, det är i den här strukturen det faktiska gasutbytet mellan blod och luft sker. Alveolerna kan ses som den “sista strukturen” längs luftvägarna, och är slutet på den förgrening som sker i luftrören i lungorna. I människans lungor finns ungefär 300 miljoner alveoler.

Diffusion

Transporten av syre och koldioxid sker passivt, genom en mekanism som kallas diffusion. Enkelt förklarat bygger diffusion på att partiklar rör sig från område med hög koncentration till områden med låg koncentration.

Alveolerna tillåter en kontaktyta mellan luftrör och kapillärer (alveolernas vägg är bara en cell tjock). Det här tillåter diffusion att spontant ske eftersom koncentrationen av syre kommer vara lägre i blodet än i luften, och koncentrationen av koldioxid kommer vara lägre i luften än i blodet.

Gasutbyte bygger på kontaktyta

En viktig del av gasutbytet är den enorma kontaktyta alveoler utgör. Även varje alveol är liten innebär den stora mängden alveoler en kontaktyta på ca 70-100 kvadratmeter.

Respiration och homeostas

Respirationen är viktig för att reglera främst följande variabler:

• Syre (O2): behövs för cellandning
• Koldioxid (CO2): avfallsprodukt från cellandning
• pH: påverkas av koldioxidnivåer i blodet

Negativ feedback i respirationen

Likt övrig reglering i homeostas styrs respirationen av negativ feedback, det vill säga att avvikelser registreras och motarbetas för att hålla värden inom “normala värden”.

Evolutionär jämförelse av respirationssystem

Alla aeroba organismer behöver ta upp syre och avge koldioxid, men hur det sker beror på organismens storlek och livsmiljö. Små organismer kan i vissa fall klara gasutbyte direkt över kroppsytan, medan större organismer behöver specialiserade respirationssystem. Därför ser vi olika evolutionära lösningar, till exempel trakéer hos insekter, gälar hos vattenlevande djur och lungor hos landlevande djur.

Trakéer

Insekter har ett öppet respirationssystem, och andas med “hela kroppen”. Deras organ kallas trakéer, och de har öppningar över hela kroppen som tillåter luft att flöda in. Gasutbytet sker sedan direkt med enskilda celler.

Det direkta utbytet gör att storleken hos organismer med trakéer är begränsad av syrekoncentrationen i atmosfären.

Gälar

Organismer som har sitt gasutbyte i vatten måste använda mer energi eftersom syrekoncentrationen är lägre. Dessa arter använder sig av gälar. Forskning och framsteg har gjort en mycket bra infografik över hur gälar fungerar.

Lungor

I övrigt har en stor del av alla arter precis som människan lungor. Ett organsystem för att sköta gasutbytet med luften i atmosfären. Det har visat sig vara en framgångsrik strategi och har tillåtit organismer att bli mycket större.

Hälsa och sjukdom

När respirationssystemet inte fungerar normalt påverkas homeostasen snabbt. Ett enkelt sätt att förstå detta är att titta på vad som störs i ventilation eller gasutbyte.

Astma: Förträngda luftvägar gör ventilationen svårare, särskilt vid utandning. Det kan ge sämre gasutbyte och tillfälliga rubbningar i syre- och koldioxidbalansen.

KOL: Kroniskt nedsatt luftflöde och ofta skadade alveoler minskar gasutbytets effektivitet. Kroppen får svårare att hålla stabila nivåer av O2 och CO2 över tid.

Lunginflammation: Inflammation och vätska i alveolerna förlänger diffusionsvägen. Syreupptaget försämras och homeostasen belastas.

Gemensamt för dessa tillstånd är att de rubbar ventilation eller diffusion, och därmed kroppens möjlighet att upprätthålla homeostas.