מערכת הנשימה

מערכת הנשימה באדם ובשאר בעלי החוליות היא המערכת האחראית לחימצון הדם. באמצעות הדם המחומצן מתקיימת אספקת חמצן לכל תאי הגוף, שם הוא בעל תפקיד חשוב בנשימה התאית. מערכת הנשימה אחראית גם לפליטת הפחמן הדו-חמצני, המהווה תוצר לוואי לתהליך הנשימה התאית. מערכת הנשימה מורכבת מדרכי האוויר העליונות, ודרכי האוויר התחתונות. דרכי האוויר העליונות כוללות את האף, הפה ותחילת קנה הנשימה ודרכי האוויר התחתונות כוללות את המשך קנה הנשימה, הסמפונות והריאות. גם לבית החזה תפקיד חשוב בנשימה והוא כולל את הצלעות, את עצם החזה (סטרנום), את השרירים הבין-צלעיים והסרעפת.

מבנה ותפקוד במערכת הנשימה של האדם 
האף – תפקידו סינון וחימום האוויר. רק חלקו הקטן של האף בולט משטח הפנים. מאחוריו נמצא חלל גדול פי שניים, הנקרא מערות-האף והוא חצוי על ידי מחיצה-האף. בתוך חלל האף מצויות שלוש קונכיות עשויות עצם ומצופות רירית ריסנית.זו שכבת שערות מיקרוסקופיות וריריות הקולטות חלקיקי אבק ומזהמים אחרים. מבנה האף על רכיביו מגדיל מאד את שטח המגע עם האוויר, לכן גם מתרחש בו ליחלוח האוויר וחימומו. שטח הפנים של מעבר האוויר בפה קטן באופן משמעותי מזה של האף והוא אינו מכוסה שיער, ולכן ניקויו וחימומו של האוויר בו מועט, ומכאן עדיפות הנשימה דרך האף.

קנה הנשימה –ממוקם בין הגרון לסימפונות ומוצב בקדמת הוושט. בפתח הקנה נמצא מכסה הגרון (אפיגלוטיס). תפקידו לנתב את האוויר לקנה ואת המזון אל הוושט. האפיגלוטיס הוא פיסת סחוס הסוגרת את הוושט בדרך כלל, וכאשר מתבצע תהליך הבליעה הוא עובר וסותם את הקנה. קנה הנשימה עצמו מורכב מטבעות סחוס לא שלמות (בצורת פרסה), ממוקמות אחת מעל השנייה וביניהן רקמת חיבורוגם רקמה סיבית ושרירית. צורה זו מאפשרת לקנה להישאר פתוח ולאפשר מעבר אוויר תקין גם בזמן התכופפות. מיתרי הקול נמצאים בקנה, מעל נקודת ה"קָרינה" שנמצאת קצת מעל פיצול הקנה, והם מתכווצים ונפתחים בעת הדיבור. אורכו של קנה הנשימה אצל בני האדם כ-10 ס"מ וקוטרו כ-2.5 ס"מ. בקצהו, הקנה מתפצל לשתי סימפונות - אחת לכל ריאה.

ניתוח פיום קנה נדרש כאשר גוף זר או זיהום מונע כניסתו התקינה של אוויר דרך קנה הנשימה.

הריאות –כאשר קנה הנשימה מגיע לריאה הוא מתפצל לשני ענפים הנקראים סימפונות. הסימפונות הן צינורות הריאה הראשיים. כל אחת מהסימפונות מתפצלת לעוד סימפונות, קטנות יותר ויותר, עד שלבסוף הן מגיעות לנאדיות הריאה.

הריאות עטופות בין שני קרומים - קרומי הפלואורה (אדר, בעברית) שביניהן נוזל השרוי בלחץ נמוך יחסית ללחץ האוויר כך שהקרומים נשמרים צמודים זה לזה. קרום הפלואורה הראשון מחובר לריאה, והשני מחובר לדפנות חלל החזה (כלוב הצלעות והסרעפת). בעת שאיפה מתרחב חלל החזה ויחד איתו קרום הפלואורה המחובר אליו. מאחר ששני הקרומים צמודים, הקרום המחובר לריאות נמשך גם הוא וגורם להרחבת הריאות וליצירת תת-לחץ בתוכן. והתוצאה הסופית היא כניסת אוויר לריאות.

הנאדיות- נאדיות הריאה הן שקיקים קטנים מלאי אוויר, בעלי קרום העשוי שכבת תאים אחת בלבד. אל קרום כל נאדית צמודים נימי דם, וגם להם יש דופן העשויה שכבת תאים אחת בלבד. כתוצאה ממבנה משולב זה, המחיצה החוצצת בין האוויר שבנאדית לבין הדם היא בעלת עובי של 0.001-0.002 מ"מ. בנאדית הריאה מתרחש חילוף הגזים; מולקולות החמצן והפחמן הדו-חמצני עוברות, על פי חוקי הפעפוע, בין הנימים לבין הנאדיות, בכיוונים הפוכים. בשתי ריאותיו של האדם יש כ-300 מיליון נאדיות, בעלות שטח פנים כולל של כ-100 מטרים מרובעים. מכאן שקיומן של הנאדיות מגדיל את שטח הפנים של הריאה, ומבטיח חילוף גזים יעיל יותר.

קבוצות של נאדיות מהוות אונות. כל אונה מתפקדת בצורה עצמאית, וכל פגיעה באונה אחת לא תשתק את כל הריאה.
בריאה הימנית שלוש אונות, ובשמאלית שתיים, זאת מכיוון שחוד הלב ממוקם שם.

תהליכי השאיפה והנשיפה באדם 
ברוב היונקים, תהליך הנשימה מווסת על ידי ריכוז הפחמן הדו-חמצני בדם, ללא כל השפעה של ריכוז החמצן בדם. במערכת הדם נמצאים חיישנים {קולטנים} המזהים את ריכוזו של הפחמן הדו-חמצני בדם. חיישנים אלו שולחים את המידע אל המוח המוארך, שהוא מרכז בקרת הנשימה בגוף. יש לציין שקיימים יונקים ימיים שהם צוללים טובים, כגון כלב הים, שאינם רגישים לריכוזי הפחמן הדו - חמצני.

השאיפה: כאשר יש ריכוז גבוה יחסית של CO2 בדם, המוח שולח הוראה לסרעפת ולשרירים הבין צלעיים להתכווץ. הסרעפת נעשית שטוחה ומרחיבה את נפח בית החזה. גם השרירים הבין צלעיים מתכווצים וגורמים לעליה של הצלעות. השרירים הבין צלעיים והסרעפת מושכים בתנועתם את קרום הפלואורה הראשון. קרום הפלואורה השני נמשך אחריו, ומושך איתו את הריאות. נפח הריאות גדל, הלחץ בתוכן קטן ואוויר נכנס פנימה. כאשר האוויר עובר את מערכת הנשימה העליונה והתחתונה הוא מגיע לנאדיות. שם מתאפשר מעבר בדיפוזיה של הגזים והתמוססות של חלק מהמולקולות שיש באוויר אל נוזל הדם (חנקן, למשל, לא מומס) ומתבצע חילוף הגזים בין הנאדית לדם שבנימים - כלומר העשרת הדם בחמצן (O2) ויציאת חלק מהפחמן הדו-חמצני שבו אל הנאדית. מעבר הגזים בין הדם לנאדית מתבצע בהתאם להבדלי הריכוזים שלהם.

הנשיפה: תהליך הנשיפה הפוך לתהליך השאיפה. זהו תהליך פסיבי ותפקידו - הוצאה של פחמן דו-חמצני החוצה מהגוף. התהליך מופעל על ידי רצפטורי לחץ (קולטני לחץ) הנמצאים בדפנות הריאה. רצפטורים אלו שולחים מסר עצבי למרכז הבקרה הנשימתי, הגורם להרפיית השרירים הבין צלעיים והסרעפת. עקב כך הסרעפת חוזרת למצבה הקודם (הקעור), הלחץ בבית החזה עולה ואוויר יוצא מהריאות, תודות לאלסטיות של רקמות הריאה. לתהליך הנשיפה ישנם שרירים ייעודיים אך בדרך כלל הם לא פעילים והם נכנסים לפעולה רק בעת מאמץ.

חילופי הגזים במספרים 

מכאן ברור שמערכת הנשימה אינה מנצלת את כל החמצן הנכנס בכל שאיפה, והאוויר הנשוף עדיין מכיל ריכוז גבוה של חמצן. עובדה זו מאפשרת הנשמה מפה לפה בעתות חרום רפואי, במקום שאין אמצעים אחרים.

סוגי תאים במערכת הנשימה של האדם 
מערכת הנשימה מורכבת משלושה חלקים מרכזיים:
מערכת הולכת האוויר: מכילה את צינור הנשימה (הטרכיאה), הברונכים (בעלי בלוטות הפרשה ומכילים סחוס) והברונכיאלות.
מערכת ביניים (transitional portion): מכילה את הברנכיאולות הרספירטוריות - אותן ברונכיאולות המכילות אלוואולים (נאדיות ריאה).
מערכת הנשימה (respiratory): בה מתבצע תהליך חילוף החומרים: ב-alveolar ducts&sacs.

לאורך כל מערכת ההולכה עצמה קיימים מבנים דומים המכילים בין היתר שכבת שריר חלק, אפיתל ובחלק מהמקרים סחוס ובלוטות הפרשה. הסחוס מקנה קשיחות לדרכי האוויר, וככל שמתקדמים למטה הוא נעשה פחות ופחות שלם (מורכב מאיי סחוס) עד שהוא נעלם לחלוטין בברונכיאולות. מעבר לכך, בדרכי הנשימה קיימים צברים (אגרגטים) של לימפוציטים המכונים בשם BALT, והמבצעים תפקיד חיסוני הגנתי. קיום של לימפוציטים רבים מדי יכול לרמז על זיהום או על תהליך גידולי.
האפיתל המצפה את דרכי האוויר הוא אפיתל פסאודו רב שכבתי (מאופיין בשכבה אחת של תאים הנראים כמו מספר שכבות של תאים).

סוגי תאים במערכת ההולכה:
התא הנפוץ ביותר באפיתל זה הוא התא הריסני (ciliated cell) אשר מכיל ריסים (cilia) על פני השטח שלו - ריסים אלו נעים מהריאות לכיוון הפה על מנת להוציא פתוגנים וחלקיקים זרים המגיעים לדרכי האוויר. בתאים אלו יש כמות גדולה של מיטוכונדריות, המפיקות את האנרגיה הנדרשת להזזת הריסים. מבנה הריסים בחתך רוחב כולל כתשעה זוגות מיקרוטובולי בהיקף, וזוג נוסף במרכז - המבנה מקנה ל-cilia את יכולת התנועה. במחלות בהן מבנה זה נפגע, תפקוד הריסים אינו אופטימלי וכתוצאה מכך דרכי האוויר מזדהמות באופן תדיר יותר כתוצאה מחומרים מזהמים ומזיקים שונים.
תאים מפרישי ריר (mucous goblet cells) - אלו הם תאים המפוזרים בין תאי הריסים שהוזכרו לעיל, ומפרישים ריר, אשר "לוכד" את הפסולת שנכנסת לדרכי האוויר ומתערבב איתה על מנת לצאת החוצה או להמשיך למערכת העיכול.
Brush cells: תאי אפיתל עמודיים המכילים כמות גדולה של מיקרובילי.
Basal bells: תאים הנמצאים בשכבה הבזאלית של האפיתל. אלו נחשבים תאים פרקורסוריים (תאי גזע) אשר מתמיינים במשך הזמן לכיוונים שונים, לפי הצורך. במקרים של פגיעה ברירית, הם המקור להתחדשותו של האפיתל תוך כשלושה שבועות.
Small granule cells: אלו הם תאים נוירואנדוקריניים הנמצאים בדופן הברונכים, והמכילים גרנולות (ומכאן שמם - קרויים גם תאי kulschitzky או APUD). תאים אלו מכילים פוליפפטידים פעילים ואמינים וזו-אקטיביים. במצב נורמלי אחראים לסנכרון המערכת. הם משתתפים במקרים של גידול מסוג small cell carcinoma – ניתן להבחין בגידול בגרגרים נוירוסקרטוריים אשר דומים לגרגרים הנמצאים בתוך תאים אלו.

סוגי תאים המצויים בברונכיאולות - transitional portion:
הברונכיאולות אינן מכילות סחוס או בלוטות הפרשה. תאים מסוג goblet cells הולכים ומתמעטים, ה-ciliated cells נשארים בכמות דומה. בברונכיאולות קיימים שני סוגי תאים נוספים:
תאים חסרי ריסים המכונים תאי CLUB (בעבר נקראו תאי CLARA) אשר מפרישים חלבונים המגנים על המערכת - מצפה את הברונכיאולות. במקרים של פגיעה מסוגל תא מסוג זה להתרבות ולהפוך לתא עם ריסים.
תאים נוירואפיתליאליים - קבוצות תאים שמגיבים לעצבוב כולינרגי והנמצאים בדופן הברונכיאולות.

סוגי תאים במערכת הרספירטורית: respiratory portion

האפיתל בחלק זה הולך ונהיה נמוך עד כדי הפיכה לאפיתל חד שכבתי שטוח. קיימים שני סוגים של תאים המצפים את שטח הנאדית (האלוואולי):
תאים פנאומוציטים מסוג 1: אלו הם תאים דקים שדרכם מתבצעת הדיפוזיה. הם מכסים כ־95% משטח הנאדית וכמעט ולא מכילים אורגנלות תוך תאיות. כל הרכיבים שלהם מרוכזים בקרבת גרעין התא על מנת לאפשר שטח דיפוזיה גדול ככל האפשר.
תאים פנאומוציטים מסוג 2: אלו הם תאים עגולים, אוסמופיליים, עם מיקרוווילים על פני שטחם, שבולטים לתוך חלל הנאדית. הם מכסים רק כ־5% משטח דופן הנאדית. תאים אלה מפרישים את החומר הקרוי סורפקטנט (ראשי תיבות באנגלית Surfactant - surface active agent) חומר זה מורכב מחלבון ושומן והוא פרוס על פני חללי הנאדיות ומקטין את מתח פני השטח ובכך מונע את ההתמוטטות של הנאדית. הוא גם עוזר בדיפוזיית הגזים על פני הפנאומוציטים. בנוסף תאים אלו מכילים כמות גדולה של אורגנלות - אברוני גולג'י, מיטוכונדריות ועוד.

בין תאי הנאדיות ודופן נימיות הדם שמסביבו, נמצאים קרום בסיס ורקמת חיבור אינטרסטיציאלית שמכילה סיבים גמישים, סיבי קולגן ותאים מזנכימאליים:
מקרופאגים אלוואולריים: אלו הם מקרופאגים הנעים על פני שטח הנאדית ויכולים לחדור לאינטרסטיציום - הם חשובים בהגנה בפני כניסה של פתוגנים שונים, מפרישים ציטוקינים ובולעים חומרים שונים כגון פיגמנט הפחם (אשר גורם לאנתרקוזיס ומקנה צבע שחור לריאה).
Pores of Kohn או alveolar pores - אלו הם חורים בין האלוואולי (בערך בקוטר 8 מיקרון), אשר מאפשרים קשר בין חלקים שונים של הריאה במצבים של סתימה באחת מן הברונכיאולות: מאפשרים אוורור של אזור חסום. פתחים אלו מתרבים עם השנים וייתכן שהם ביטוי מוקדם לאמפיזמה.

התפתחות עוברית של מערכת הנשימה האדם 
מערכת הנשימה של האדם מתפתחת בסביבה מימית, בתקופת ההריון.מערכת  זו אינה פעילה עד הלידה, והעובר מקבל חמצן בפעפוע , מדמה של האם. הפעם הראשונה שבה מערכת הנשימה האנושית צורכת אוויר אטמוספירי היא בשעת הלידה. ההתפתחות העוברית מתחלקת ל 3 שלבים:

-עד השבוע ה-16 של ההריון הריאות מתפתחות, אך אין להן יכולת לבצע חילופי גזים בין אוויר לדם

-מהשבוע ה-16 עד השבוע ה- 26 נוצרות הסימפונות

- מהשבוע ה-26 עד סוף ההריון נוצרים תאי מערכת הנשימה ומתפתחת היכולת להעברת חמצן מהריאות אל מערכת הדם.

מערכת הנשימה ממשיכה להתפתח גם אחרי הלידה, בתקופת הינקות והילדות.

נשימה בבעלי חיים שונים 
בבעלי חיים קטנים מאד, כדוגמת חד תאיים, חילופי הגזים נעשים בדיפוזיה, דרך שטח הפנים של גופם. דיפוזיה אינה מהווה פתרון יעיל לאספקת חמצן עבור יצורים אשר ממדיהם עולים על ממלימטרים ספורים. אצל בעלי חיים גדולים יותר קיימים פתרונות שונים: ריאות, זימים, צנורות נשימה ונשימה עורית. בריאות, שטח הנשימה שקוע בתוך חלל, בתוך הגוף. לעומתן, אצל חלק גודל מהיצורים החיים במים מערכת הנשימה בנויה זימים בעלי סעיפים הבולטים אל מחוץ לגוף. זה המצב אצל דגי הגרם . קשתות הזימים מורכבות מעלעלי זימים, המכוסים בשכבת תאים דקה. הם יוצרים שטח מגע נרחב בין רשת נימי דם המצויים בהם לבין המים. הדגים לוקחים מים לפיהם, מזרימים אותם על פני הזימים ופולטים אותם דרך פתחי הזימים, משני צידי הגוף. גזי החמצן והפחצן הדו-חמצני מוחלפים בפעפוע בין המים לבין הדם בנימים, על יסוד העיקרון של הזרימה הנגדית. גם אצל המצב אצל מחויצי הזימים וגם אצל ראשני טריטונים וסלמנדרות הזימים נמצאים מחוץ לחלל הגוף. ראשנים של דו חיים חסרי זנב (כגון צפרדעים וקרפדות), מפתחים בשלב מוקדם כיס המכיל את הזימים. כאשר הם גדלים ומתפתחים, הראשנים עוברים שינויים בכל מערכות גופם ורובם מפתחים בהדרגה ריאות. בעל חיים בוגר מקבוצת הדו-חיים הוא בעל ריאות שמיבנן פשוט והן בנויות כשקי אוויר גדולים. מבנה זה שונה מריאות העופות והיונקים, המחולקות לחללים קטנים וצפופים - הנאדיות. מנגנון קליטת האוויר לריאות שונה אצל דו-חיים לעומת האדם. את האוויר הם שואפים על ידי בליעתו בכוח, ולא על ידי שינויים בלחץ בתוך הריאות. אצל הצפרדעים ניתן לראות תנודה מעלה-מטה של העור בקרקעית הפה. תנודה זו מנפחת את הריאות ומרוקנת אותן. הריאות הפשוטות הללו אינן מצליחות לספק את החמצן הדרוש לדו-חיים כך שהוא משלים את החסר בעזרת קליטת חמצן ישירות דרך העור - נשימה עורית. כדי להגביר את פעפוע הגזים אל הגוף והחוצה, העור חייב להיות לח ודק. נשימה עורית חשובה גם אצל הראשנים.

זוחלים נושמים באמצעות ריאות, המפוצלות יותר מאלו של הדו-חיים, לכן בעלי שטח פנים גדול יותר. רוב הזוחלים הם חסרי סרעפת ולכן פעולת השאיפה והנשיפה שהיא מתבצעת בעזרת שרירים בן צלעתיים, המקטינים ומגדילים את נפח בית החזה. בזמן פעילות גופנית מאומצת ,הזוחלים נאלצים לעצור את נשימתם, מכיוון שהשרירים המשמשים בתהליך הנשימה הם אותם שרירים המשתתפים בתנועה מהירה. לכן, היכולת האירובית שלהם מוגבלת, והם עוברים תוך זמן קצר להפקת אנרגיה בנשימה תאית אנארובית. 

מערכת הנשימה של העופות בנויה ריאות שאינן משנות את נפחן ועוד כ-9 שקי אוויר שמתנפחים ומתרוקנים בעזרת פעולת השרירים. מערכת זו משוכללת יותר ממערכת הנשימה אצל היונקים. כאשר הצפור שואפת אוויר, האוויר עובר בשני מסלולים-חלקו עובר ישר אל הריאות ומשם אל שקי האוויר הקדמיים, אך חלקו האחר נכנס אל שקי האוויר האחוריים, לאגירה זמנית. כאשר היא נושפת, האוויר שמילא את השקים הקדמיים יוצא החוצה, אך האוויר שנאגר בשקים האחוריים(אוויר עשיר בחמצן שעדיין לא עבר בריאות) , מועבר אל הריאות לאספקה נוספת של חמצן למחזור הדם, ומשם יוצא אל השקים הקדמיים. בעזרת שסתומים נשמר כיוון זרימה קבוע של האוויר משקי האוויר האחוריים, דרך הריאות, אל שקי האוויר הקדמיים ומשם החוצה. התוצאה היא שגם בשאיפה וגם בנשיפה זורם בריאות אוויר עשיר בחמצן. הדם זורם בכוון נגדי לכוון זרימת האוויר בריאות ותודות למנגנון הזרימה הנגדית, חמצן מפעפע מן הריאות אל הדם אפילו בזמן יציאת האוויר מהריאות.

גופם של החרקים עטוף בעטיפה האוטמת את כולו ומונעת איבוד מים. בעטיפה זו יש מספר פתחים אשר מהם מסתעפת מערכת צינוריות אל תוך הגוף-טרכיאות וטרכיאולות. רשת הטרכיאולות מסתעפת מהטרכיאות וחודרת לכל אברי הגוף, כולל רגליים וכנפיים. על ידי התפשטות והתכווצות חלל הבטן של החרק מתבצעים חילופי האוויר בין הטראכיאות (צנורות הנשימה), לבין האוויר החיצוני. מהטרכיאות האוויר מגיע אל הטרכיאולות. בקצה הטרכיאולות מצוי נוזל. החמצן מתמוסס בנוזל זה ומפעפע אל רקמות הגוף. הפחמן הדו-חמצני עובר דרך הפוכה. הוא עובר מהרקמה אל הנוזל בקצה הטרכיאולה, ממנו עובר לאוויר שבטרכיאה ומשם יוצא החוצה. בעצם רואים בחרקים חדירה של הסביבה החיצונית אל תוך גופו של בעל החיים, בדומה למצב בריאותיהם של הזוחלים, העופות והיונקים. אולם, לחרקים יש יכולת לפתוח ולסגור פתחי טרכיאות.

ראו גם 
 נשימה סרעפתית
 קסקדת החמצן
 הפיזיולוגיה של מערכת הנשימה
 פתולוגיה של מערכת הנשימה
 טביעה

קישורים חיצוניים 

 
 ארז גרטי - איך אנו נושמים - מכון דוידסון
 יובל רוזנברג - לוקחים אוויר בבריכת החורף - מכון דוידסון
 סרטון " הנשימה בזוחלים" - האוניברסיטה הפתוחה

הערות שוליים