Chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi phần Hô Hấp cực hay

+ Vận chuyển khí O2 và CO2 vận chuyển O2 từ cơ quan trao đổi khí đến tế bào và vận chuyển CO2 từ tế bào đến cơ quan trao đổi khí và thải ra ngoài.+ Trao đổi khí ở mô:giai đoạn trao đổi k

+ Thông khí (không khí đi vào và đi ra khỏi cơ quan trao đổi khí).

+ Trao đổi khí ở cơ quan trao đổi khí

+ Vận chuyển khí O2 và CO2 (vận chuyển O2 từ cơ quan trao đổi khí đến tế bào và vận chuyển CO2 từ tế bào đến cơ quan trao đổi khí và thải ra ngoài).+ Trao đổi khí ở mô:giai đoạn trao đổi khí trung gian ( giữa máu với nước

- Có bốn hình thức trao đổi khí chủ yếu là:

+ Trao đổi khí qua bề mặt cơ thể (động vật đơn bào và đa bào bậc thấp như ruột khoang, giun dẹp, giun tròn…)

+ Trao đổi khí trực tiếp với các tế bào nằm sâu trong cơ thể nhờ hệ thống ống khí phân nhánh dẫn khí đến tận tế bào (ở côn trùng)

+ Trao đổi khí qua mang (phần lớn các động vật sống ở nước như cá, tôm, cua, trai, ốc…)

+ Trao đổi khí ở phổi (phần lớn các động vật có xương sống ở cạn như bò sát, chim, thú)

- Cơ chế: là sự khuyếch tán khí từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp

+ Trao đổi khí ngoài: O2 từ không khí khuyếch tán qua bề mặt trao đổi khí (thành phế nang hay thành ống khí) vào dịch mô, vào máu, còn khí CO2

- Đặc điểm của bề mặt trao đổi khí:

+ Bề mặt trao đổi khí rộng, tỉ lệ S/V lớn (S: diện tích trao đổi khí, V: thể tích

+ Máu chứa sắc tố hô hấp làm tăng khả năng vận chuyển và trao đổi khí Sắc

tố hô hấp có khả năng kết hợp với O2 khuyếch tán vào máu và vận chuyển khỏi các mao mạch sẽ làm giảm nồng độ O2 tự do bên trong

o Hemoglobin (huyết cầu tố) có ở Động vật có xương sống

o Hemerythrin (hồng huyết tố và chlorocruorin- huyết lục tố) có ở Giun đốt

o Hemocyanin (huyết thanh tố) có ở Chân khớp và Thân mềm

o Có sự lưu thông khí tạo ra sự chênh lệch về nồng độ khí O2 và CO2 để

dễ dàng khuyếch tán qua bề mặt trao đổi khí

+ Có sự lưu thông khí → tạo ra sự chênh lệch về nồng độ O2 và CO2 để các khí này dễ dàng khuếch tán qua bề mặt trao đổi khí

III - TIẾN HOÁ CỦA HỆ HÔ HẤP:

1 Trao đổi khí qua bề mặt cơ thể:

- Đại diện: Động vật đơn bào, Động vật không xương sống (Ruột khoang, Giun tròn, Giun dẹp, Giun đốt)

- Cơ chế: O2 khuếch tán qua da vào

máu và CO2 khuếch tán qua da ra

ngoài do chênh lệch về phân áp khí O2

và CO2 giữa bên trong và bên ngoài

cơ thể

Trao đổi khí qua da ở giun đất

2 Trao đổi khí bằng mang:

- Đại diện: Cá, Thân mềm, nhiều loài Chân khớp và nòng nọc của Lưỡng cư

- Đặc điểm của bề mặt trao đổi khí ở Cá xương:

+ Mang cấu tạo từ nhiều cung mang gồm nhiều phiến mang giúp cho mang

có diện tích trao đổi khí lớn

+ Hệ thống mao mạch ở mang dày đặc, máu có sắc tố hô hấp hemoglobin giúp trao đổi và vận chuyển khí hiệu quả

+ Dòng nước đi từ miệng qua mang đem theo O2 hoà tan đến mang và đe

CO2 từ mang thải ra ngoài

+ Hiện tượng dòng chảy song song và ngược chiều: cách sắp xếp của mao mạch trong các phiến mang giúp cho dòng máu chảy trong các mao mạch luôn song song và ngược chiều với dòng nước chảy bên ngoài mao mạch của

phiến mang => tăng hiệu quả trao đổi khí giữa máu với dòng nước giàu O2

đi qua mang

+ Dòng nước chảy một chiều gần như là liên tục qua mang

• Khi cá thở vào: cửa miệng cá mở ra, thềm miệng hạ thấp xuống làm thể tích khoang miệng tăng lên, nước tràn qua cửa miệng vào khoang miệng; đồng thời nắp mang ở hai bên phình ra làm diềm quanh nắp mang khép lại

• Khi cá thở ra: miệng cá ngậm lại, thềm miệng nâng lên rất nhanh tạo

ra áp lực đẩy nước đi về phía mang; đồng thời cơ nắp mang co, hai nắp mang ép vào trong làm diềm quanh nắp mang mở ra => nước được đẩy qua khe mang ra ngoài

Sự lưu thông khí qua mang cá

3 Trao đổi khí bằng hệ thống ống khí:

a Côn trùng:

- Hệ thống ống dẫn khí: lỗ thở, ống khí phân nhánh nhỏ dần qua các tế bào

- Cơ chế: Khí O2 từ bên ngoài đi qua các lỗ thở vào các ống khí lớn, qua các ống khí nhỏ dần và cuối cùng đến các tế bào nằm sâu bên trong cơ thể, còn khí CO2 từ tế bào qua các ống khí nhỏ sang các ống khí lớn dần và đi qua các lỗ thở ra ngoài

Trao đổi khí bàng hệ thống ống khí ở côn trùng

b Chim:

- Cấu tạo phổi chim gồm 4 tầng cấu trúc được chia thành 2 bộ phận:

+ Đường dẫn khí: gồm khí quản ở ngoài phổi, phế quản nằm trong phổi, các tiểu phế quản giữa lưng, các tiểu phế quản giữa bụng, các tiểu phế quản bên bụng

+ Các ống khí (parabronchi)

o Được coi là tầng cấu trúc thứ III, là bề mặt trao đổi khí ở chim

o Nối các nhóm tiểu phế quản lưng với nhóm các tiểu phế quản bụng, là nơi diễn ra quá trình trao đổi khí

o Ngăn cách nhau theo chiều dài bởi mô liên kết và các mạch máu

o Trong lòng ống khí được lót một mạng lưới các cơ trơn ở lối vào khoang trống (atria), qua phễu dẫn tới mao quản khí, toả ra xung quanh ống khí Các mao quản khí được coi là tầng cấu trúc thứ IV, quấn vào mạng lưới mao mạch máu tương ứng tạo thành một lớp bao quanh ống khí => nơi thực hiện sự trao đổi khí nhờ sự lưu thông không khí qua phổi đi qua các ống khí

- Vai trò của các túi khí:

+ Gồm 9 túi khí thông với phổi:

o 4 túi khí sau (2 túi khí bụng và 2 túi khí ngực sau)

o 5 túi khí trước (2 túi khí ngực trước, 2 túi khí cổ và 1 túi khí gian đòn)

+ Quá trình hô hấp ở chim:

o Chim hít vào: Các cơ thở (cơ liên sườn) co làm thể tích khoang thân lớn lên, áp suất trong khoang thân giảm, không khí qua đường dẫn khí (khí quản và phế quản) vào thẳng các túi khí sau, một phần qua các ống dẫn vào các tiểu phế quản lưng, dồn khí giàu O2 qua các ống khí thực hiện trao đổi khí rồi chuyển qua các tiểu phế quản bụng, dồn vào các túi khí trước Nói đơn giản hơn: không khí giàu O2 từ bên ngoài

đi theo đường dẫn khí vào các ống khí trong phổi, đẩy không khí giàu

CO2 từ các ống khí vào các túi khí phía trước => phồng lên và chứa

đầy không khí giàu CO2 Không khí giàu O2 theo đường dẫn khí còn vào các túi khí phía sau => phồng lên và chứa đầy không khí giàu O2.

o Chim thở ra: cơ thở dãn, áp suất trong khoang thân tăng, ép khí trong các túi khí sau dồn không khí giàu O2 chuyển qua các ống khí trong phổi thực hiện trao đổi khí rồi chuyển qua túi khí trước (lúc này khí trong các túi khí trước bị ép, tống khí giàu CO2 ra ngoài)

+ Sự trao đổi khí diễn ra liên tục và chuyển vận khí qua các ống khí theo một chiều từ sau ra trước

+ Trong các ống khí không có khí đọng do ống khí thông hai đầu

+ Trao đổi khí giữa máu và dòng khí lưu thông qua ống khí là hiện tượng

trao đổi chéo dòng.

IV – HÔ HẤP Ở NGƯỜI:

1 Khái quát về cấu tạo của hệ hô hấp:

Hệ hô hấp, nơi thực hiện sự trao đổi khí ngoài ở thú nói chung và người nói riêng, bao gồm đường dẫn khí và nơi diễn ra sự trao đổi khí là các phế nang (thuộc bề mặt trao đổi khí)

- Đường dẫn khí gồm: khoang mũi, khoang miệng, hầu, thanh quản, khí quản, phế quản, phế quản thuỳ, tiểu phế quản, tiểu phế quản tận,là đường đi của không khí từ bên ngoài vào phổi và từ phổi ra ngoài

- Phế nang:

+ Là các túi nhỏ đường kính 0,2 – 0,5mm

+ Các tế bào biểu bì dẹt tạo thành phế nang mỏng, tạo điều kiện cho sự khuyếch tán các khí giữa phế nang vào máu (trong các mao mạch bao quanh phế nang) qua một màng rất mỏng.

+ Các tế bào hình khối lớn có chức năng tiết ra chất giảm hoạt bề mặt

(sunfactant) làm giảm sức căng bề mặt Chất giảm hoạt bề mặt là một protein tránh cho phế nang bị xẹp hoàn toàn khi thở ra gắng sức

+ Các tế bào đại thực bào bảo vệ chống các vi khuẩn và vật lạ đột nhập vào phế nang

- Hai lá phổi: bao gồm các phế quản thuỳ, tiểu phế quản, phế quản tận và khoảng 300 triệu phế nang

- Màng phổi gồm hai lá: lá tạng phủ mặt ngoài của phổi, lá thành lót mặt trong của thành ngực

- Khoang màng phổi: chứa một lớp dịch rất mỏng làm cho hai lá thành và lá tạng dễ dàng trượt lên nhau khi các cơ thở hoạt động

Màng phổi và khoang màng phổi

- Áp suất âm: áp suất trong khoang luôn thấp hơn áp suất khí quyển Tác dụng:

+ Làm cho phổi di động theo sự thay đổi thể tích lồng ngực được dễ dàng.+ Làm cho máu từ tim chuyển lên phổi dễ dàng

+ Làm cho hiệu suất trao đổi khí đạt được tối đa nhờ máu lên phổi nhiều nhất cùng lúc với không khí vào phổi nhiều nhất

2 Sự trao đổi khí ở phổi

- Động tác hít vào: do hoạt động của cơ hoành và cơ liên sườn ngoài làm tay đổi thể tích lồng ngực:

+ Cơ hoành co làm vòm hoành hạ thấp xuống, thể tích của khoang ngực tăng theo chiều thẳng đứng, làm tăng thể tích của phổi nên các áp suất trong thế nang giảm so với áp suất không khí bên ngoài, không khí bị hút vào phổi tạo điều kiện cho sự trao đổi khí giữa không khí trong phế nang với máu: O2

khuếch tán từ phế nang vào máu từ động mạch phổi chuyển tới và CO2

ngược lại khuếch tán từ mao mạch phổi sang phế nang, để chuyển từ máu đỏ thẩm ( máu tỉnh mạch) trong động mạch phổi trở thành đỏ tươi (máu động mạch) chuyển về tim theo tỉnh mạch để chuyển đến các tế bào

+ Cơ liên sườn co làm các xương sườn chuyển từ tư thế chếch xuống sang tư thế nằm ngang, làm cho thể tích lồng ngực tảng theo chiều trước sau và hai bên (chiều ngang)

- Động tác thở ra: do cơ hoành và cơ liên sườn ngoài dãn:

+ Cơ hoành dãn làm cho vòm hoành lồi lên phía lồng ngực

+ Cơ liên sườn ngoài dãn,các xương sườn hạ xuống, thể tích lồng ngực giảm

đi, phổi co hẹp lại, áp suất trong phế nang cao hơn áp suất khí quyển, ép không khí giàu CO2 từ phế nang ra ngoài và chuẩn bị cho nhịp thở tiếp theo

Thở ra Hít vào

Hoạt động của cơ hoành và cơ liên sườn ngoài

- Thể tích khí dự trữ hít vào (thể tích khí bổ sung): là thể tích khí hít vào thêm tối đa sau khi đã hít vào bình thường Thể tích này ở người trưởng thành khoảng 1,5 – 2 lít, chiếm 50% dung tích sống.

- Thể tích khí dự trữ thở ra (thể tích khí dự trữ): là thể tích khí thở ra tối đa sau khi đã thở ra bình thường Thể tích này ở người trưởng thành khoảng 1,1 – 1,5 lít, chiếm 38% dung tích sống

- Thể tích khí cặn (khí đọng): là thể tích khí còn lại trong phổi sau khi đã thở ra tối đa Bình thường thể tích khí cặn khoảng 1 – 1,2 lít

+ Thể tích khí dự trữ thở ra.

- Dung tích sống = thể tích khí dự trữ + khí lưu thông + khí bổ sung

- Dung tích sống thể hiện khả năng tối đa của một lần hô hấp, là chỉ tiêu quan trọng đánh giá thể lực, tình trạng sức khỏe của một người Dung tích sống có thể tăng lên nhờ luyện tập hoặc giảm đi ở một số bệnh như: tràn dịch màng phổi, u phổi, gù, vẹo cột sống…

- Nhịp thở của người là 14 – 18 lần trong 1 phút

4 Trao đổi khí ở phổi và mô:

- Cơ chế: Khuếch tán đơn thuần qua bề mặt trao đổi khí từ nơi có phân áp khí cao về nơi có phân áp khí thấp

a Trao đổi khí ở phổi:

- Ở phổi có trao đổi khí O2 và khí CO2 giữa máu mao mạch với không khí trong phế nang:

- Trao đổi khí O2 trong không khí phế nang: 100 – 105 mmHg; trong mao mạch phổi: 40 mmHg

 Không khí khuếch tán từ phế nan vào máu mao mạch

- Trao đổi khí CO2: Phân áp khí CO2 trong máu mao mạch phổi là 46 mmHg còn trong không khí phế nang là 40 mmHg

 Khí CO2 khuếch tán từ máu vào phế nang

b Trao đổi khí ở mô:

Ở mô có trao đổi khí giữa O2 và CO2 giữa máu mao mạch với tế bào của cơ thể:

- Trao đổi khí O2: Phân áp O2 trong máu mao mạch là 100 - 105 mmHg; trong mô trung bình là 20 - 40 mmHg

→ Khí O2 khuếch tán từ máu vào mô

- Trao đổi khí CO2: phân áp CO2 trong mô và dịch kẽ tế bào là khoảng 46 mmHg; trong mao mạch là 40 mmHg

→ CO2 khuếch tán từ mô vào máu mao mạch

- Mặc dù mức chênh lệch về phân áp CO2 ở cả phổi và mô thấp hơn nhiều

so với mức chênh lệnh về phân áp O2 nhưng do hệ số khuếch tán của CO2

lớn hơn O2 khoảng 20 lần nên CO2 vẫn khuếch tán kịp thời từ tế bào vào máu và từ máu vào phế nang.

5 Vận chuyển O2 và CO2:

Máu vận chuyển O2 từ phế nang đến mô cung cấp O2 cho tế bào và vận chuyển

CO2 từ mô đến phổi và thải ra ngoài

a Vận chuyển O2:

Máu vận chuyển O2 dưới dạng hoà tan và kết hợp với hemôglôbin:

- Dạng hoà tan: lượng O2 hoà tan trong huyết tương rất ít, khoảng 0,03 ml

O2/100ml máu, chiếm 1 - 2% lượng O2 được vận chuyển

- Dạng kết hợp: Khí O2 được vận chuyển chủ yếu dưới dạng oxihêmôglôbin (HbO2), chiếm 98 - 99% lượng O2 vận chuyển

cung cấp cho hoạt động của tế bào

- Sự phân li của HbO2 phụ thuộc nhiều yếu tố: phân áp O2, pH, nhiẽt độ, phân áp CO2

- Phân áp O2 là yếu tố quyết định sự kết hợp hoặc phân li HbO2:

+ Nơi có phân áp O2 cao ( như ở phổi):

Hb + O2 → HbO2

+ Nơi có phân áp O2 thấp ( như ở mô):

HbO2 → O2 + Hb (cung cấp O2 cho tế bào) (Nơi có phân áp O2 càng thấp thì HbO2 phân li thành Hb và O2 càng nhiều)

- pH máu giảm, làm tăng phân li HbO2 thành Hb và O2

HbO2 → Hb+ O2

- Nhiệt độ tăng, làm tăng phân li HbO2 thành Hb và O2

HbO2 → Hb+ O2

- Phân áp CO2 tăng : Đó là hiệu ứng Bohr (còn gọi là tác dụng Bohr)

HbO2 → Hb+ O2

- Chú ý:

Trong không khí có nhiều CO ( oxit cacbon) thì: Hb + CO → HbCO ( do

ái lực của Hb và CO rất cao) => Hb không thể kết hơp với O2 → thiếu O2

ở tế bào và có thể dẫn đến tử vong

b Vận chuyển CO2:

Máu nhận CO2 ở mô và vận chuyển đến phổi dưới 2 dạng sau:

- Dạng hoà tan trong huyết tương

- Dạng kết hợp, gồm:

+ HbCO2 trong hồng cầu

+ HCO

-3 ( bicacbonat) trong huyết tương

- Quá trình vận chuyển CO2 trong máu:

● Từ mô, CO2 khuếch tán qua dịch kẽ tế bào vào huyết tương và vào hồng cầu Một lượng nhỏ CO2 hòa tan vào huyết tương (chiếm 5 – 7% tổng số

CO2 được máu vận chuyển) Phần lớn CO2 khuếch tán vào hồng cầu Trong hồng cầu, một phần CO2 kết hợp với Hb tạo thành phức hợp HbCO2 (chiếm khoảng 25% tổng số CO2 được máu vận chuyển), còn phần lớn CO2 kết hợp với H2O tạo thành H2CO3 (nhờ xúc tác của enzim cacbonic anhidraza) H2CO3 phân li thành HCO3- và H+ Từ hồng cầu HCO3- khuếch tán vào huyết tương Lượng CO2 vận chuyển dưới dạng HCO3- trong huyết tương chiếm 65 – 70% tổng số CO2 được máu vận chuyển

- Do HCO3- liên tục khuếch tán từ hồng cầu vào huyết tương nên Cl- (ion clo) từ huyết tương đi vào hồng cầu để lập lại cân bằng điện tích Hiện tượng Cl- đi vào trong trường hợp này gọi là tràn clorit

● Khi máu mang CO2 đến phổi, quá trình phân li và giải phóng CO2 qua phổi diễn ra theo chiều ngược lại:

+ CO2 khuếch tán từ huyết tương vào trong phế nang

+ HbCO2 phân li thành CO2 và Hb, CO2 khuếch tán từ hồng cầu vào trong phế nang.

+ HCO3- khuếch tán từ huyết tương vào hồng cầu và kết hợp với H+ tạo thành H2CO3 Nhờ enzim cacbonic anhidraza xúc tác, H2CO3 phân li thành CO2 và H2O Khí CO2 khuếch tán từ hồng cầu vào trong phế nang

và đi ra ngoài cơ thể khi thở ra

- Do HCO3- liên tục khuếch tán từ huyết tương vào hồng cầu nên Cl- từ hồng cầu khuếch tán trở lại huyết tương để lập lại cân bằng điện tích

Máu nhận CO2 ở mô.

Máu thải CO2 ở phổi.

6 Điều hoà hô hấp:

- Điều hoà hô hấp là điều chỉnh nhịp và độ sâu hô hấp, phù hơp với nhu cầu của cơ thể Điều hoà hô hấp chủ yếu là điều hoà thông khí thông qua điều hoà hoạt đông trung khu hô hấp

- Trung khu hô hấp ở hành não, gồm 2 trung khu: trung khu hít vào và trung khu thở ra, ngoài ra ở cầu não còn có trung khu điều hoà hô hấp (pneumotaxic) Trung khu này có vai trò trong điều hoà trung khu hít vào thở ra hoạt động luân phiên và đều đặn

- Khi trung khu hít vào hưng phấn thì trung khu thở ra bị ức chế, tiếp đó trung khu hít vào bị ức chế thì trung khu thở ra hưng phấn

- Trung khu hít vào tự động phát xung thần kinh một cách đều đặn, nhịp nhàng

- Xung thần kinh từ trung khu hít → đi xuống tuỷ sống → các cơ hô hấp làm các cơ này co → động tác hít vào

- Khi trung khu hít vào hết hưng phấn → trung khu thở ra hưng phấn → các

cơ hô hấp dãn ra → động tác thở ra

- Hoạt động phát xung đều đặn, nhịp nhàng của trung khu hô hấp tạo ra nhịp

hô hấp của người lúc bình thường là 14 - 18 nhịp/phút

- Điều hoà hoạt động hô hấp chính là điều hoà hoạt động của trung khu hô hấp dựa trên các thông tin báo về từ các thụ thể nằm trên một số bộ phận khác nhau của cơ thể Điều hoà hoạt động hô hấp chủ yếu theo cơ chế thần kinh thông qua các phản xạ: (tham khảo hình 28 Sơ đồ điều hòa hô hấp – trang

43 Tài liệu chuyên Sinh học THPT Sinh lý động vật)

- Phản xạ hô hấp dựa trên thông tin báo về từ các thụ thể (reception) hóa học

và áp lực ở cung động mạch chủ và xoang động mạch cảnh:

+ Nồng độ CO2 máu tăng, pH máu giảm hoặc nồng độ O2 máu giảm kích thích thụ thể hóa học ở cung động mạch chủ và xoang động mạch cảnh Từ