Oddychanie jest procesem właściwym żywym organizmom, zlokalizowanym w ich komórkach i dostarczającym im energii potrzebnej do życia. Prawie wszystkie organizmy żywe oddychają tlenem, który pobierają w procesie wymiany gazowej. Proces ten przebiega w układzie oddechowym.
Wymiana gazowa, proces przenikania gazów ze środowiska zewnętrznego do wnętrza ciała organizmów i odwrotnie. Dla większości organizmów zwierzęcych tlen atmosferyczny jest niezbędny do życia Wymiana gazowa jest złożonym procesem biologicznym i nie wymaga specjalnego udziału żywej materii. Wymiana gazowa u zwierząt przebiega według dwóch zasad:
- Odbywa się ona wskutek różnicy ciśnień gazu (tlenu i dwutlenku węgla) między organizmem a środowiskiem zewnętrznym.
- Dostawanie się gazu do organizmu lub jego uchodzenie może odbywać się tylko przez wodę, natomiast ilość gazu, jaka dostaje się do organizmu, zależy od powierzchni, przez którą gaz dyfunduje.
Oddychanie jest procesem, który może się odbywać tylko przy pomocy układu oddechowego. Układ oddechowy, to zespół narządów wyspecjalizowanych w zaopatrywaniu organizmu w tlen i usuwaniu zbędnego dwutlenku węgla.
U pierwotniaków oraz u części bezkręgowców żyjących w wodzie następuje pobieranie tlenu z wody całą powierzchnią ciała na zasadzie dyfuzji. Oddychanie zewnętrzne u większości bezkręgowych i kręgowych zwierząt wodnych odbywa się za pomocą stale obmywanych przez wodę skrzel, natomiast u zwierząt lądowych za pomocą tchawek (owady), płucotchawek (pajęczaki) i płuc (kręgowce lądowe).
W rozwoju ewolucyjnym układu oddechowego u kręgowców lądowych dochodzi do stopniowego różnicowania budowy płuc, które powiększają swoją powierzchnię oddechową poprzez ich fałdowanie i podział na coraz mniejsze pęcherzyki. U ptaków płuca zaopatrzone są w dodatkowe worki powietrzne, rozpraszające się w ciele, umożliwiające tzw. podwójne oddychanie - polegające na zapewnieniu płucom wentylacji zarówno przy wdechu jak i wydechu.
PIERŚCIENICE
Pierścienice (np. dżdżownice) mają delikatne powłoki ciała, które nie stanowią żadnej przeszkody w przenikaniu gazów, toteż wymiana gazowa odbywa się całą powierzchnią ciała, a wykształcony układ krwionośny ułatwia rozprowadzanie tlenu i usuwanie dwutlenku węgla.
OWADY
Owady oddychają dzięki specjalnym narządom – tchawkom. Tchawki, są systemem kanalików powietrznych występujących u owadów, części pajęczaków oraz u pratchawców, pełniących rolę narządów oddechowych. Rozpoczynają się otworkami zewnętrznymi, zwanymi przetchlinkami, rozgałęziają się wewnątrz ciała w coraz drobniejsze przewody, docierające do wszystkich narządów.
Tchawki mają chitynową osłonkę, zapewniającą odpowiednią elastyczność ścianek. Zakończenie tchawek stanowią tzw. tracheole, które są wypełnione płynem. Wymiana gazowa następuje w drodze dyfuzji między komórkami ciała a tracheolami.
PAJĘCZAKI
Oddychanie u pajęczaków przebiega w płucotchawkach. Płucotchawki, to narządy oddechowe pajęczaków występujące w postaci wewnętrznych komór, w których wymiana gazowa odbywa się drogą dyfuzji w licznych, silnie ukrwionych przegrodach wewnątrz komór. Powietrze atmosferyczne przedostaje się tam przez otwory zwane przetchlinkami (małymi otworami w ścianie ciała niektórych bezkręgowców, prowadzącymi do płucotchawki)
RYBY
Oddychanie u wszystkich ryb odbywa się w skrzelach. Skrzela, to narządy zwierząt wodnych, wewnętrzne lub zewnętrzne, umożliwiające oddychanie tlenem rozpuszczonym w wodzie. Występują u niektórych pierścienic, mięczaków, skorupiaków, ryb oraz płazów. Działanie ich uwarunkowane jest stałym przepływem wody. Mają rozmaite kształty, rozgałęzienia bądź pofałdowania, zwiększające powierzchnię wymiany gazowej.
Skrzela niektórych mięczaków wychwytują jednocześnie cząstki pokarmowe. Skrzela zewnętrzne występują u larw ryb i niektórych płazów, skrzela wewnętrzne u większości gatunków kręgowców. Skrzela ryb osadzone są na chrzęstnych lub kostnych łukach skrzelowych, mają postać silnie ukrwionych wyrostków błony śluzowej zwanych płatkami skrzelowymi, łączą gardziel z powierzchnią ciała.
Szczeliny skrzelowe u ryb chrzęstnych otwierają się bezpośrednio na zewnątrz ciała, u ryb kostnoszkieletowych uchodzą do komory skrzelowej oddzielonej od środowiska zewnętrznego pokrywami skrzelowymi, które mogą być otwierane przy pomocy mięśni. Ruchy pokryw skrzelowych ułatwiają wnikanie wody do wnętrza ciała przez jamę gębową. U ryb chrzęstnoszkieletowych ruch wody wymuszany jest przez fałdy skórne okrywające szczeliny skrzelowe.
Wymiana gazowa w skrzelach odbywa się na zasadzie dyfuzji przebiegającej niezwykle wydajnie dzięki przeciwstawnym kierunkom przepływu wody wnikającej z gardzieli oraz krwi w bogatej sieci naczyń krwionośnych. Wskutek tego istnieje stale znaczna różnica pomiędzy zawartością gazów w krwi i w wodzie.
KRĘGOWCE
Narządami wymiany gazowej u kręgowców są płuca. Płuca, to narządy parzyste (bo dzielą się na płuco prawe i lewe) należące do układu oddechowego. W płucach odbywa się wymiana gazowa. Płuco ma postać stożka złożonego z podstawy z powierzchnią przeponową oraz kopulastego szczytu. Boczna powierzchnia płuca przylega do żeber.
W rozwoju ewolucyjnym układu oddechowego u kręgowców lądowych dochodzi do stopniowego różnicowania budowy płuc, które powiększają swoją powierzchnię oddechową poprzez ich fałdowanie i podział na coraz mniejsze pęcherzyki. U ptaków płuca zaopatrzone są w dodatkowe worki powietrzne, rozpraszające się w ciele, umożliwiające tzw. podwójne oddychanie - polegające na zapewnieniu płucom wentylacji zarówno przy wdechu jak i wydechu.
PŁAZY
Płazy bezogonowe pomimo wykształconych, pofałdowanych płuc reprezentują w dużej mierze typ wymiany skórnej. Narządami wymiany gazowej płazów bezogonowych są częściowo płuca i to tylko w okresie życia aktywnego, natomiast większość wymiany odbywa się przez stale wilgotną skórę, a w okresie zimy wyłącznie przez skórę. Wentylacja worków płucnych oparta jest u tych zwierząt na zasadzie pompy tłoczącej, płazy skurczem mięśni gębowych wtłaczają powietrze do worków płucnych.
GADY
U gadów płuca mają inną budowę niż u płazów. Fałdy są silnie rozwinięte, jama worka coraz bardziej się zmniejsza, aż staje się wąskim oskrzelem. Gady są zwierzętami, u których wymiana gazowa następuje tylko w płucach. Skóra pokryta zrogowaciałym naskórkiem jest nieprzenikliwa dla gazów, niezależnie od tego, czy zwierzę prowadzi lądowy czy wodny tryb życia. Ruchy powodujące wymianę gazową również są inne. Akt ten dokonywany jest przy udziale mocnych skurczów mięśni tułowia, które powodują już nie tłoczenie, lecz ssanie. Skurcze mięśni międzyżebrowych podnoszą żebra, a objętość jamy ciała, w której znajdują się płuca, zwiększa się. Przy rozszerzaniu tej jamy powietrze zostaje wessane do płuc, z w czasie opadania żeber zmniejsza się jama i powietrze zostaje wypędzone na zewnątrz. Wdech i wydech powietrza jest kontrolowany jest przez specjalne ośrodki nerwowe.
PTAKI
Ptaki są grupą zwierząt, u których pojawia się stała temperatura ciała, a więc - niezależnie od pory roku – poziom przemian energetycznych jest bardzo wysoki. Intensywniej pobierają tlen i wydalają więcej dwutlenku węgla. Płuca ptaków swoją budową prawie odpowiadają płucom ssaków, z tym jednak, że połączone są z kilkoma parami worków powietrznych, których w żadnym razie nie należy porównywać do tych znajdujących się u płazów. Worki powietrzne u ptaków są częściowym magazynem zapasowego powietrza, w którym wskutek braku nabłonka respiracyjnego, nie odbywa się wymiana gazowa. Są to dodatkowe twory związane z lotem. Z worków powietrznych w czasie lotu dostaje się powietrze do płuc i jedynie w tym narządzie następuje wymiana gazowa.
SSAKI
Ssaki wraz z człowiekiem jako zwierzęta stałocieplne o wysokim poziomie przemian energetycznych, potrzebują dużo tlenu i produkują dużą ilość dwutlenku węgla. Intensywną wymianę gazową gwarantują tylko płuca, stanowiące wynik wielkiego zróżnicowania worka płucnego płazów. W płucach ssaków brak jest zupełnie wolnej jamy. Przestrzeń wypełniają mikroskopijnej wielkości pęcherzyki, które łączy ze środowiskiem zewnętrznym system mocno rozgałęzionych przewodów wypełnionych powietrzem. Płuca są organem parzystym.
Płuco prawe posiada trzy płaty, lewe - dwa płaty. Całość płuca otoczona jest opłucną. Do każdego płuca dochodzi korzeń, w skład którego wchodzą: oskrzela główne, tętnica płucna, dwie żyły płucne, splot nerwowy, naczynia i węzły chłonne oraz tętnice oskrzelowe. Miąższ płuca wykazuje znaczną sprężystość.
Płuca mają postać cienkościennych worków bogato unaczynionych, połączonych z jamą nosową i jamą gębową (jamą ustną) drogami oddechowymi - gardło, krtań, tchawicę, oskrzela i oskrzeliki na końcu których znajdują się pęcherzyki płucne, gdzie zachodzi wymiana gazowa.
Tchawica, część dolnych dróg oddechowych zbudowana z podkowiastych pierścieni chrzęstnych otwartych do tyłu, połączonych ze sobą więzadłami i błoną mięśniową gładką, wyścielona od wewnątrz błoną śluzową. Rozpoczyna się od krtani, przechodzi z szyi do śródpiersia, gdzie na wysokości IV kręgu piersiowego dzieli się na dwa oskrzela główne: prawe i lewe.
Oskrzela, część dolnych dróg oddechowych (układ oddechowy). Zbudowane z pierścieni chrząstkowych połączonych tkanką łączną i błoną mięśniową gładką oraz wysłane błoną śluzową od wewnątrz z dużą ilością gruczołów śluzowych. Wyróżnia się: oskrzele główne (I rzędu) prawe i lewe odchodzące od tchawicy i oskrzela rozgałęziające się w miąższu płuc: II rzędowe - oskrzela płatowe (3 prawe i 2 lewe) i segmentalne (liczbowo równe ilości segmentów płuc) oraz III rzędowe, w których wyróżnia się 12 podziałów. Od ostatnich oskrzeli III rzędu odchodzą oskrzeliki końcowe (pozbawione chrząstki), które z kolei dzielą się na dwa oskrzeliki oddechowe w ścianach których znajdują się pęcherzyki płucne. Oskrzela doprowadzają powietrze do płuc i wyprowadzają je stamtąd.
Pęcherzyki płucne, to elementy strukturalne miąższu płuc, których ściana od strony wewnętrznej jest wysłana bardzo cienkim nabłonkiem jednowarstwowym płaskim, a na zewnątrz znajduje się sieć naczyń włosowych między siecią włókien sprężystych.
Pęcherzyki płucne osadzone są na przewodach pęcherzykowych (będących ostatnim odgałęzieniem oskrzeli III rządu), wyglądem przypominają kiście winogron. Średnica pęcherzyków płucnych wynosi od 0,15 do 0,6 mm, a powierzchnia wszystkich pęcherzyków płucnych liczy od 50 do 90 m2. W pęcherzykach płucnych odbywa się wymiana gazowa.
Pojemność płuc
Całkowita pojemność płuc to cała objętość powietrza zawartego w płucach. Dzieli się ją na:
1) pojemność wdechową, którą określa pojemność powietrza wciąganego do płuc w czasie najgłębszego wdechu, po spokojnym wydechu. Składają się na nią: objętość oddechowa (ilość powietrza wchodzącego i wychodzącego z płuc przy spokojnym oddychaniu) i objętość zapasowa wdechowa (wydychana przy maksymalnym wysiłku ponad objętość oddechową),
2) pojemność zalegającą czynnościową, która określa pojemność powietrza pozostająca w płucach przy spokojnym wydechu. Składają się na nią: objętość zapasowa wydechowa (ilość powietrza usuwana z płuc przy maksymalnym wydechu) i objętość zalegająca (ilość powietrza pozostającego w płucach przy maksymalnym wydechu). Natomiast pojemność życiowa płuc to ilość powietrza, jaka może być wprowadzona do płuc po uprzednim maksymalnym wydechu (spirometr, oddychanie), wynosi średnio 3500 cm3 (4500cm3 u mężczyzn, 3200cm3 u kobiet), na co składa się ilość powietrza zwana powietrzem oddechowym (500 cm3), powietrzem uzupełniającym (1500 cm3) i powietrzem zapasowym (1500 cm3).
Oddychanie składa się z dwóch faz: wdechu i wydechu. Częstość oddychania u ludzi zdrowych wynosi 16-18 razy na 1 minutę u dorosłych, 20-30 razy u dzieci, 30-35 u noworodka. Ilość powietrza, jaką wprowadzamy do płuc w czasie jednego wdechu, nazywamy objętością oddechową - wynosi ona 5-10 ml/kg masy ciała w spoczynku.
Całkowitą ilość powietrza, jaką możemy wprowadzić do płuc w czasie najgłębszego oddechu, nazywamy pojemnością życiową - najmniejsza, jeszcze prawidłowa, wynosi 15 ml/kg masy ciała. Ilość powietrza, jaką człowiek zużywa do oddychania w czasie jednej minuty, a więc częstość oddechów pomnożoną przez objętość oddechową, nazywamy wentylacją minutową (norma 6-8 litrów).
W warunkach fizjologicznych na zmianę szybkości oddychania wpływa wzmożony wysiłek fizyczny, stany emocjonalne. W warunkach patologicznych na przyspieszenie oddychania wpływają: stany gorączkowe, bolesne urazy, zabiegi operacyjne. Chory oddycha wtedy płytko i szybko - nie chcąc dopuścić do uczucia bólu, który powodują głębsze oddechy.
Powierzchnia oddechowa płuc jest wówczas zmniejszona, chory szybkością oddechów wyrównuje dostarczenie do organizmu odpowiedniej ilości tlenu. Ze zjawiskiem tym spotykamy się również w stanach zapalnych płuc, przy upośledzonym krążeniu krwi.
Na zwolnienie oddychania wpływają: schorzenia mózgowia, zatrucia wewnątrzpochodne, np.: mocznica, śpiączka cukrzycowa, zatrucia zewnątrzpochodne substancjami działającymi na ośrodek oddechowy (depresja oddechowa), np. morfiną.
Przyspieszenie oddychania u człowieka dorosłego powyżej 40 razy i zwolnienie poniżej 8 na min jest objawem niepokojącym, prowadzącym do niedotlenienia organizmu.