8 דקות
בואו נתחיל ממשהו שאפשר ממש לדמיין. שני ריאות, כל אחת בערך בנפח של חצי ליטר — ובתוכן מסתתר שטח פנים של 70 עד 100 מטר רבוע. כן, כמו מגרש טניס שלם, מקופל לתוך בית החזה. הסיבה לכך נמצאת בחוק הדיפוזיה: כל מולקולת חמצן שצריכה לעבור מהאוויר לדם חייבת לחצות דפנות דקות ממיקרומטר, וקצב המעבר גדל ביחס ישיר לשטח הפנים. ככל ששטח הפנים גדול יותר, כך יותר מולקולות עוברות בו-זמנית — וזו הסיבה שהגוף "משקיע" בשטח עצום כל-כך.
אבל לפני שהאוויר מגיע לנאדיות, הוא עובר דרך מערכת של תחנות עיבוד. הכל מתחיל בחלל האף, שם האוויר מסונן מחלקיקים, מתחמם לטמפרטורת הגוף ומולח על ידי ריר. משם הוא ממשיך לקנה הנשימה, המחוזק בטבעות סחוס שמונעות ממנו להתמוטט. מה שמצפה את דפנות קנה הנשימה מבפנים הוא אפיתל מריסני — שכבת תאים זעירים בעלי ציליות שזזות בתנועה מתואמת כמו גלים. תאי גביע שבין הציליות מפרישים ריר שלוכד חלקיקים, ולאחר מכן הציליות מנוות את הריר הזה כלפי מעלה לכיוון הלוע, כך שנוכל לבלוע אותו או לפלוט אותו. זוהי מערכת הסינון של הגוף, והיא עובדת כל הזמן, בשקט, גם בלי שנשים לב.
מקנה הנשימה האוויר ממשיך לסמפונות, ומשם מתפצלות שוב ושוב לסמפוניות — ועם כל התפצלות, שטח הפנים הכולל גדל. בסוף מסלול ההסתעפות הזה נמצאות הנאדיות, שהן יחידות חילוף הגזים. לנאדיות יש 5 התאמות שהופכות את חילוף הגזים ליעיל ביוצא מן הכלל: הדפנות דקות ממיקרומטר אחד, שטח פנים כולל עצום, כלי דם צמודים לדפנות, כך שהמרחק שהגז צריך לעבור קצר מאוד, רשת נימים צפופה מסביב לכל נאדית, וציפוי של חומר שנקרא סורפקטנט שמפחית את מתח הפנים ומונע מהנאדיות להתמוטט בנשיפה.
דבר אחד קריטי להבין לגבי הנשימה עצמה: הריאות לא זות בכוחות עצמן. אין בהן שרירים. כל מה שהן עושות הוא להגיב לשינויי לחץ שנוצרים מבחוץ. בשאיפה, הסרעפת מתכווצת ויורדת כלפי מטה, והשרירים הבין-צלעיים החיצוניים מרימים את הצלעות. נפח בית החזה גדל, הלחץ בתוכו יורד מתחת ללחץ האטמוספרי — והאוויר זורם פנימה, כי אוויר תמיד נע מלחץ גבוה לנמוך. זה לא שהריאה מושכת — היא פשוט מתרחבת ויוצרת ואקום יחסי.
בנשיפה הרגילה לא מושקעת אנרגיה שרירית כלל. השרירים נרפים, הרקמה האלסטית של הריאה נרתעת כמו גומייה, הנפח קטן, הלחץ עולה — והאוויר יוצא. רק בנשיפה מאומצת, כמו בזמן פעילות גופנית עצימה, נכנסים לפעולה שרירי הבטן והשרירים הבין-צלעיים הפנימיים.
עכשיו נעבור לשאלה איך החמצן מגיע מהנאדיות לתאים. כ-98% מהחמצן בדם מובל קשור להמוגלובין, חלבון שנמצא בכדוריות הדם האדומות. מולקולת המוגלובין אחת בנויה מ-4 שרשראות חלבון, כל אחת עם קבוצת הם שמכילה יון ברזל — ולכן היא יכולה לקשור עד 4 מולקולות חמצן. יש כאן תופעה מרתקת שנקראת קואופרטיביות: כשמולקולת החמצן הראשונה נקשרת, היא משנה את מבנה החלבון ומקלה על קשירת שלוש הבאות. זה מה שיוצר את הצורה האופיינית בצורת S של עקומת הרוויה.
בריאות, שם לחץ החמצן גבוה, העקומה שטוחה — וגם ירידה קטנה בלחץ לא תפגע כמעט ברמת הרוויה. ברקמות, לעומת זאת, העקומה תלולה — וירידה קטנה בלחץ החמצן משחררת כמות גדולה של חמצן, בדיוק שם שהתאים זקוקים לו. שרירים בפעילות אינטנסיבית מפיקים יותר פחמן דו-חמצני וחום, שניהם מורידים את הזיקה של ההמוגלובין לחמצן — ובכך מגדילים את שחרורו ברקמה הפעילה. זהו מנגנון מבריק של ויסות עצמי.
ומה לגבי פחמן דו-חמצני? כאן יש טעות נפוצה שכדאי לתקן: פחמן דו-חמצני אמנם נקשר גם להמוגלובין, אך לחלק החלבוני בלבד — לא לאותו אתר של יון הברזל שאליו נקשר החמצן. אבל זו גם לא הדרך העיקרית להוביל אותו. רוב הפחמן הדו-חמצני מומר בתאי הדם האדומים ומובל בצורה של יון ביקרבונט מומס בפלזמה. רק חלק קטן מומס ישירות בפלזמה, ועוד חלק קשור לחלבון של ההמוגלובין.
חמצן עצמו עובר בדיפוזיה מהדם לתאים כי התאים צורכים אותו בנשימה התאית ומייצרים פחמן דו-חמצני — ולכן לחץ החמצן בתאים תמיד נמוך מבדם. כיוון הדיפוזיה נקבע תמיד מאזור לחץ גבוה לנמוך.
השאלה הבאה היא מי מחליט מתי לנשום מהר יותר. מרכז הנשימה נמצא במוח המאורך שבגזע המוח. חשוב לדעת: הגירוי החזק ביותר לנשימה מהירה אינו מחסור בחמצן — אלא עלייה בריכוז הפחמן הדו-חמצני בדם. כשפחמן דו-חמצני עולה, הוא מגיב עם מים ויוצר יוני מימן, שמורידים את ה-pH. קולטנים כימיים בגזע המוח ובעורקים הגדולים מזהים את הירידה ב-pH, ומרכז הנשימה מגיב על ידי הגברת קצב ועומק הנשימה עד שהפחמן הדו-חמצני מסולק ו-pH חוזר לטווח התקין. מחסור בחמצן הוא גירוי משני שנכנס לפעולה רק בירידה חריפה.
נסיים עם שני מושגים שחשוב להכיר: נפח נשימה בסיסי וחלל מת. לא כל האוויר שנשאפים מגיע לנאדיות. כ-0.15 ליטר מכל נשימה "נתקע" בדרכי האוויר העליונות — קנה הנשימה, סמפונות — ולא לוקח חלק בחילוף גזים. זהו החלל המת. וכאן נמצא ההסבר למדוע נשימה עמוקה יעילה יותר מנשימות שטוחות מהירות.
נניח ששני אנשים נושמים 8 ליטר לדקה. האחד נושם בנשימות שטוחות של 0.25 ליטר, 32 פעמים בדקה. האחר נושם 1 ליטר, 8 פעמים בדקה. מחיר החלל המת שווה לשניהם — 0.15 ליטר לנשימה. הנושם השטוח מגיע לנאדיות רק 0.1 ליטר בכל נשימה, כלומר 3.2 ליטר לדקה. הנושם העמוק מגיע לנאדיות 0.85 ליטר לנשימה, כלומר 6.8 ליטר לדקה — יותר מפי 2. אותה כמות אוויר כוללת, אבל יעילות חילוף גזים שונה לחלוטין.
ומה קורה כשחסר סורפקטנט? הנאדיות נוטות להתמוטט בנשיפה בגלל מתח פנים גבוה מהרגיל, שטח הפנים הזמין לחילוף גזים קטן בחדות, ודיפוזיית חמצן מהנאדית לדם פוחתת משמעותית. זהו בדיוק המצב אצל פגים שמערכת הנשימה שלהם טרם הבשילה לחלוטין.
זהו — ממגרש הטניס הזעיר שבחזה ועד לקולטנים הכימיים בגזע המוח, כל מנגנון קשור לבא אחריו. נזכור את הדפוסים האלה, ונהיה מוכנים לכל שאלה שתבוא.