מחזור הריאות

מחזור הריאות (נקרא גם מחזור הדם הקטן) באדם הוא תהליך בגוף האדם שמטרתו להפוך דם דל בחמצן ועשיר בפחמן דו-חמצני, שהגיע ללב אחרי מחזור הדם הגדול, לדם עשיר בחמצן ודל בפחמן דו-חמצני. הדם מוזרם מהלב לריאות דרך עורק הריאה, המתפצל לשניים (עורק אחד לכל ריאה), ומובל לנאדיות הריאה שם הוא מועשר בחמצן (ומשחרר לנאדיות מהפחמן הדו-חמצני שהיה בו). מנאדיות הריאה הוא עובר לורידי הריאה, דרכם הוא זורם בחזרה אל העלייה השמאלית בלב לקראת כניסה למחזור הדם הגדול בו הדם יספק חמצן לכל הרקמות בגוף.

תפקיד מחזור הריאות

במהלך מחזור הדם הגדול ("המחזור הסיסטמי") הדם מוסר לרקמות חמצן לצורך פעולתן התקינה ואוסף מהם פסולת של פחמן דו-חמצני. המסירה והאסיפה של גאזים אלה מתאפשרת בדיפוזיה בין הדם לרקמות בזכות הפרש הריכוזים של חומרים אלה בין הדם לרקמות. על החמצן להיות בריכוז גבוה יותר בדם מאשר ברקמות ועל הפחמן הדו-חמצני להיות בריכוז נמוך יותר. כשהדם חוזר ללב בסיום מחזור הדם הגדול הוא עני בחמצן ועשיר בפחמן דו-חמצני ולכן לפני שייצא שוב למחזור נוסף עליו להעלות את ריכוז החמצן ולהוריד את ריכוז הפחמן הדו-חמצני. זהו בדיוק התפקיד של מחזור הריאות. במחזור הריאות (הנקרא גם "הקטן" כיוון שהריאות קרובות ללב יותר מאשר כלל הרקמות ברחבי הגוף שעל הדם להגיע אליהם במחזור הגדול) הדם יוצא מהלב לריאות ושם הוא אוסף חמצן ומשחרר פחמן דו-חמצני כך שכשהוא חוזר אל הלב בסוף המחזור הקטן הוא מוכן ליציאה למחזור הגדול.

מעבר הדם לריאות והמתרחש שם

בלחץ התכווצות החדר הימני הדם נכנס כאמור לעורק הריאה, שדפנותיו הגמישים תופחים. כשהלחץ מתרפה, הדפנות מתיישרים ודוחפים את הדם עוד מעט הלאה לכוון הריאות. לאחר מרחק קצר כלפי מעלה מתפצל עורק הריאה לשני עורקי ריאה - הימני והשמאלי הנושאים כל אחד את הדם אל הריאה המתאימה. בריאות, העורקים מתפצלים לעורקיקים קטנים יותר ולבסוף למעין "עץ" המתפשט בריאה עם עורקיקים המתפצלים לנימים זעירים רבים (ראו איור 1). עץ זה של כלי דם בריאה מקביל לעץ הסימפונות בריאה המכיל את האוויר הנישאף. קנה הנשימה מתפצל לשני צינורות (הנקראות סימפונות - bronchi) שבתורן מתפצלות לעץ של סמפונונות קטנות יותר. כחלק ממחזור הנשימה, התכווצות שריר הסרעפת שמתחת לריאות והתכווצות של השרירים הבין-צלעיים גורמים להגדלת נפח הריאות ולזרימת האוויר הממלא את עץ הסימפונות.
הסימפונונות הקטנות ביותר מסתיימות בקבוצות של שקיקים זעירים, הנאדיות (alveoli), המתנפחים באוויר בזמן השאיפה. הנאדיות והנימים הנצמדים אליהן הם בעלי דפנות דקות ביותר (אפיתל בנאדיות ואנדותל בנימים) כדי לאפשר חילופי גאזים ביניהם בדיפוזיה (ראו איורים 4 ו-5). הנאדיות מוקפות ברשת של סיבים אלסטיים המאפשרים את מתיחתם בזמן ההתנפחות והן מפרישות חומר סיכה (surfactant) כדי למנוע את קריסת הנאדיות כשנפחן קטן. כדי לאפשר חילוף חומרים מקסימלי בין הנאדיות לנימים, הנאדיות הן בעלות שטח פנים כולל גדול ביותר - באדם בוגר יש בין 300 ל-450 מיליון נאדיות עם שטח פנים כולל של בין 80 ל-120 מטרים רבועים.
לחץ החמצן באוויר שהגיע מהאטמוספירה לנאדיות גבוה מלחץ החמצן בדם שבעורקי הריאה, מה שגורם למעבר חמצן בדיפוזיה מהנאדיות לדם שבנימים. החמצן נקשר ליוני הברזל שבקבוצות ה"הם" במולקולת ההמוגלובין שבדם. קשר זה הוא רופף מספיק כדי לאפשר אחר כך להמוגלובין לשחרר את החמצן כשהדם יגיע לרקמות במחזור הדם הגדול.
הפחמן הדו-חמצני שנספג בדם במהלך מחזור הדם הגדול נשמר בו בעיקר בצורה של ביקרבונט ⁻HCO₃ (כ-60%, השאר בפלסמה ובמולקולות המוגלובין). כשהדם מגיע לנימים הצמודים לנאדיות, הביקרבונט מפורק בחזרה לפחמן דו-חמצני (בעזרת אותו אנזים, קרבוניק אנהידרז, שיצר את הביקרבונט מלכתחילה). לחץ הפחמן הדו-חמצני בנימים כעת גבוה מאשר בנאדיות והוא זורם אליהן בדיפוזיה.

חזרת הדם מהריאות אל הלב

בנאדיות מסתיימת תנועת הדם הלאה מהלב והדם עובר למערכת וורידים המובילה אותו בחזרה אל הלב - הפעם כשהוא עשיר בחמצן ועני בפחמן דו-חמצני. מספר וורידים סימפונים מתנקזים אל ארבעה וורידי ריאה גדולים - שניים מכל ריאה. וורידי הריאה (העוברים מאחורי הלב) מנקזים את הדם אל העלייה השמאלית של הלב (ראו איורים 1 ו-2). כאן, בדומה ובמקביל לתהליך שתואר למעלה בקשר למתרחש בעלייה הימנית, העלייה השמאלית מתכווצת כתוצאה של האות החשמלי מקוצב הלב, לחץ הדם בעלייה עולה ונפתח מסתם העלייה והחדר השמאלי (המסתם הצניפי או המיטרלי) כדי לאפשר לדם למלא את החדר השמאלי. המסתם הצניפי נסגר על ירידת הלחץ בעלייה ושריר החדר השמאלי עכשיו מקבל את האות החשמלי ומתכווץ בחוזקה כדי לשלוח את הדם בלחץ גבוה דרך מסתם אבי העורקים שנפתח אל אבי העורקים ומשם לרקמות הגוף במחזור הדם הגדול.

חלופות למחזור הריאות בבעלי חיים אחרים

מערכת מחזור הריאות אצל האדם שתוארה למעלה היא יעילה ביותר מבחינת אספקת דם עשיר בחמצן, ומערכות דומות (כלומר בעלות מחזור ריאתי נפרד וסגור המונע על ידי לב ארבע מדורי) קיימות אצל היונקים בעיקר מכיוון שהם אנדותרמיים (כלומר שומרים ומווסתים את חום גופם) וזקוקים לכמות חמצן גדולה הדרושה להפקת חום תמידית. בבעלי חיים עם דרישות אנרגטיות מוגבלות יותר או החיים בסביבות מסוג אחר ישנן מערכות חלופיות לאספקת חמצן וסילוק פסולת מהדם.
בחסרי חוליות מסוימים (כולל צורבים ותולעים שטוחות) חילוף הגזים נעשה ישירות בדיפוזיה מהסביבה דרך פני השטח של הגוף אל הנוזל הבין-רקמתי וממנו לרקמות. ביצורים כאלה, כמו למשל במדוזה, נמצאים כל תאי הגוף בסמוך לפני השטח. לכל החולייתנים יש מערכת דם סגורה עם לב אחד. לדגים יש מחזור דם יחיד בו הלב הדו-מדורי (בעל עליה וחדר בודדים) מזרים את הדם לזימים שם הוא סופח חמצן מהמים המוזרמים בזימים בסמוך לנימי הדם. מהזימים, הדם מוזרם לנימי הגוף כדי לשחרר את החמצן לרקמות ומשם הוא מוזרם בחזרה ללב.
לחסרי חוליות יבשתיים, כמו חרקים ועכבישים, יש מערכת צינורות נשימה, טרכיאות, המובילות אוויר ממספר פתחי נשימה במעטה הגוף. אחרי הסתעפויות רבות הטרכיאות מגיעות ישירות לרקמות והחלפת הגזים נעשית בדיפוזיה דרך נוזל בקצה הצינורות. לעקרבים ולעכבישים יש גם ריאות "ספר" (הנקראות כך בשל צורתן בעלת דפי ריקמה רבים) בנוסף או במקום הטרכיאות. הדרישות האנרגטיות המוגברות של הדו-חיים ורוב הזוחלים נענו על ידי מחזור דם נפרד לצורך אספקת החמצן לדם. לאלה יש מחזור דם ריאתי נפרד ולב בעל שלושה מדורים, שתי עליות וחדר משותף אחד. התכווצות אחת מובילה את הדם במחזור הריאתי לצורך אספקת חמצן והתכווצות שנייה מובילה את הדם במחזור הגדול (הסיסטמי) כדי להעביר את החמצן לרקמות.
לעופות וליונקים לב ארבע מדורי בו ישנם חדרים ועליות נפרדים עבור המחזור הריאתי והסיסטמי. כך הדם הזורם לרקמות במחזור הסיסטמי לא מעורבב עם שיירי דם עני בחמצן מהמחזור הסיסטמי הקודם. כמו כן, ניתן כך לכווץ את שני החדרים בעוצמות שונות - החדר המשרת את המחזור הסיסטמי (השמאלי אצל האדם) מכווץ בעוצמה כדי לשלוח את הדם לרחבי הגוף, והחדר המשרת את המחזור הריאתי (הימני אצל האדם) מכווץ פחות בחוזקה כדי שלא לפגוע ברקמות הריאה העדינות.