श्वसन तंत्र 

श्वसन तंत्र मनुष्य के जीवन की सबसे महत्वपूर्ण प्रक्रिया को संचालित करता है, क्योंकि यही हमें ऑक्सीजन प्रदान कर ऊर्जा देता है और हानिकारक कार्बन डाइऑक्साइड बाहर निकालता है। जीवविज्ञान के इस रोचक विषय में हम जानेंगे कि कैसे श्वसन तंत्र हमारे शरीर की प्रत्येक कोशिका को सक्रिय रखता है

श्वसन तंत्र 

श्वसन तंत्र शरीर और बाहरी वातावरण के बीच गैसों के विनिमय) के लिए उत्तरदायी होता है। यह तंत्र शरीर को ऑक्सीजन ग्रहण करने में सहायता करता है, जो कोशिकीय कार्यों के लिए आवश्यक है, और कार्बन डाइऑक्साइड को बाहर निकालता है, जो कोशिकीय चयापचय (Metabolism) का अपशिष्ट उत्पाद है।

श्वसन तंत्र के घटक

यह दो भागों में विभाजित किया जा सकता है:

1. ऊपरी श्वसन मार्ग
2. निचला श्वसन मार्ग

ऊपरी श्वसन मार्ग:

• नासाछिद्र: श्वसन तंत्र में वायु प्रवेश करने के लिए बाहरी छिद्र होते हैं।
• नासिका गुहा: यह नासाछिद्र के पीछे स्थित एक गुहा होती है, जो वायु को छानने, गर्म करने और आर्द्र बनाने का कार्य करती है। यह श्लेष्म और सिलिया से ढकी होती है, जो धूल, रोगाणुओं और अन्य कणों को फँसाकर बाहर निकालने में सहायता करती है।
• ग्रसनी: यह एक पेशीय नली (Muscular Tube) होती है, जो वायु और भोजन दोनों के लिए मार्ग का कार्य करती है।
• यह तीन भागों में विभाजित होती है:

निचला श्वसन मार्ग (Lower Respiratory Tract)

• स्वरयंत्र (Larynx – Voice Box):
  • स्वर तंतु (Vocal Cords) होते हैं और ध्वनि उत्पादन में भूमिका निभाता है।
  • वायु को श्वासनली (Trachea) तक पहुंचाने का मार्ग प्रदान करता है।
• कंठच्छंद (Epiglottis):
  • ऊतक का एक फ्लैप जो निगलने के दौरान भोजन को स्वरयंत्र में प्रवेश करने से रोकता है।
• श्वासनली (Trachea – Windpipe):
  • एक नली जो स्वरयंत्र को ब्रांकाई (Bronchi) से जोड़ती है।
  • इसे खुला रखने के लिए C-आकार के उपास्थि (Cartilage) के छल्लों से सुदृढ़ किया गया है।
• श्वसनी (Bronchi):
  • दो प्राथमिक श्वसनी (बाएं और दाएं) श्वासनली से शाखाएं निकालते हैं और प्रत्येक फेफड़े तक जाते हैं।
  • ये आगे द्वितीयक और तृतीयक श्वसनी में विभाजित होते हैं।
• श्वसनीक/ब्रोंकिओल्स (Bronchioles):
  • श्वसनी की छोटी शाखाएं जिनमें उपास्थि नहीं होती, लेकिन चिकनी मांसपेशियां होती हैं।
  • फेफड़ों में वायु प्रवाह को नियंत्रित करते हैं।

वायुकोश/कूपिका (Alveoli)

• एवियोली छोटे, थैलीनुमा संरचनाएँ होती हैं, जो ब्रोंकिओल्स के अंतिम सिरे पर स्थित होती हैं और गैसों के विनिमय का प्रमुख स्थल होती हैं।
• ये केशिकाओं से घिरी होती हैं, जिससे ऑक्सीजन रक्त में प्रविष्ट होती है और कार्बन डाइऑक्साइड रक्त से बाहर निकलती है।

फेफड़े (Lungs)

• फेफड़े वक्ष गुहा के अंदर स्थित होते हैं।
• फेफड़े स्पंजी होते हैं और ऑक्सीजन और कार्बन डाइऑक्साइड के आदान-प्रदान के लिए जिम्मेदार होते हैं।
• प्रत्येक फेफड़ा लोब में विभाजित होता है (दाएं फेफड़े में तीन लोब और बाएं फेफड़े में दो लोब)। फुफ्फुसावरण (एक द्विस्तरीय वाली झिल्ली) से घिरे होते हैं।

मनुष्यों में श्वसन की प्रक्रिया:

• मनुष्यों में श्वसन में दो मुख्य चरण शामिल होते हैं: बाह्य श्वसन (सांस लेना और गैस विनिमय) और कोशिकीय श्वसन (कोशिकाओं में ऊर्जा उत्पादन)।

1. बाह्य श्वसन:

• अंत:श्वसन: ऑक्सीजन नाक/मुँह, श्वासनली, श्वसनी और ब्रोन्किओल्स के माध्यम से फेफड़ों में ले जाई जाती है, जो कूपिका तक पहुँचती है।
• गैस विनिमय: कूपिका में, ऑक्सीजन रक्त में फैल जाती है, और कार्बन डाइऑक्साइड फेफड़ों में फैल जाती है।
• निःश्वसन: कार्बन डाइऑक्साइड फेफड़ों से बाहर निकाल दी जाती है।

2. कोशिकीय श्वसन:

ऊर्जा (ATP) उत्पन्न करने के लिए कोशिकाओं के अंदर होता है और इसके निम्नलिखित चरण होते हैं:

• ग्लाइकोलाइसिस (कोशिका द्रव्य में): ग्लूकोज पाइरूवेट में टूट जाता है, जिससे 2 ATP प्राप्त होते हैं।
• क्रेब्स चक्र (माइटोकॉन्ड्रिया में): पाइरूवेट टूट जाता है, जिससे कार्बन डाइऑक्साइड, NADH, FADH₂ और 2 ATP निकलते हैं।
• इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला (ETC) (माइटोकॉन्ड्रिया में): NADH और FADH₂ से इलेक्ट्रॉन ऑक्सीडेटिव फॉस्फोराइलेशन के माध्यम से पानी और ~34 ATP उत्पन्न करते हैं।

समग्र समीकरण: 

C₆H₁₂O₆ (ग्लूकोज)+6O₂→6CO₂+6H₂O+ऊर्जा (38 ATP)

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श्वसन की क्रियाविधि:

श्वासन में दो चरण सम्मिलित हैं: अंतः श्वसन जिसके दौरान वायुमंडलीय वायु को अंदर खीचा जाता है और निःश्वसन जिसके द्वारा फुफ्फुसी वायु को बाहर मुक्त किया जाता है। वायु को फेफड़ों के अंदर ले जाने के लिए फेफड़ों एवं वायुमंडल के बीच दाब प्रवणता निर्मित की जाती है।

अंतःश्वसन:

• अंतःश्वसन वायुमंडलीय हवा को अंदर लेने की प्रक्रिया है। अंतःश्वसन में शामिल प्राथमिक मांसपेशियाँ डायाफ्राम और बाह्य इंटरकोस्टल मांसपेशियाँ हैं।
  • डायफ्राम: डायाफ्राम एक गुंबद के आकार की मांसपेशी है जो छाती (वक्ष) गुहा को उदर गुहा से अलग करती है।
  • बाह्य इंटरकोस्टल मांसपेशियाँ: ये मांसपेशियाँ पसलियों के बीच स्थित होती हैं।
• डायफ्राम सिकुड़ता है ↓, बाहरी इंटरकोस्टल सिकुड़ता है
• वक्ष और फेफड़ों की मात्रा ↑
• अंतःफुफ्फुसीय दबाव ↓ → हवा अंदर जाती है

निःश्वास (साँस छोड़ना):

• डायाफ्राम और इंटरकोस्टल शिथिल हो जाते हैं → डायाफ्राम ऊपर की ओर बढ़ता है, पसलियाँ नीचे गिरती हैं → ↓ वक्षीय आयतन
• ↓ फेफड़े का आयतन → ↑ अंतः-फुफ्फुसीय दबाव (वायुमंडलीय दबाव से अधिक) → हवा को बाहर निकाला जाता है
• निष्क्रिय बनाम सक्रिय निःश्वास:
  • सामान्य निःश्वास निष्क्रिय होता है, जो फेफड़ों के ऊतकों के लोचदार पुनरावृत्ति पर निर्भर करता है।
  • जोरदार गतिविधि के दौरान, निःश्वास सक्रिय हो जाता है, जिसमें आंतरिक इंटरकोस्टल और पेट की मांसपेशियों का संकुचन शामिल होता है।

श्वसन संबधी आयतन और क्षमताएँ

श्वसन संबधी आयतन:

• ज्वारीय आयतन (TV): सामान्य श्वसन क्रिया के समय प्रति श्वास अंतः श्वासित या निःश्वासित वायु का आयतन
  • (~500 mL). अर्थात् स्वस्थ मनुष्य लगभग 6000 से 8000 मिली. वायु प्रति मिनट की दर से अंतः श्वासित/निःश्वासित कर सकता है।
• अंतःश्वसन सुरक्षित आयतन (IRV): सामान्य श्वसन क्रिया के बाद बलपूर्वक अंतः श्वासित करने वाली अतिरिक्त हवा (~2500–3000 mL).
• निःश्वसन सुरक्षित आयतन (ERV): वायु आयतन की वह अतिरिक्त मात्रा जो एक व्यक्ति बलपूर्वक निःश्वासित कर सकता है। (~1000 mL).
• अवशिष्ट आयतन (RV): बलपूर्वक  निःश्वसन के बाद भी फेफड़ों में बची हुई हवा (~1100–1200 mL).

श्वसन क्षमताएँ:

• अंतःश्वसन क्षमता (IC):
  • सामान्य निःश्वसन उपरांत  अंतःश्वासित वायु
  • IC = TV + IRV
• निःश्वसन क्षमता (EC): 
  • सामान्य अंतः श्वसन उपरांत निःश्वासित वायु। 
  • EC = TV + ERV
• कार्यात्मक अवशिष्ट क्षमता (FRC):
  • सामान्य निःश्वसन उपरांत फेफड़ों में शेष वायु
  • FRC = ERV + RV
• जैव क्षमता (VC): 
  • बलपूर्वक निःश्वसन के बाद वायु की वह अधिकतम मात्रा (आयतन) जो एक व्यक्ति अंतःश्वासित कर सकता है। अथवा वायु की वह अधिकतम मात्रा जो एक व्यक्ति बलपूर्वक अंतःश्वसन के बाद निःश्वासित कर सकता है।
  • VC = ERV + TV + IRV
• फेफड़ों की कुल क्षमता (TLC):
  • बलपूर्वक निःश्वसन के बाद फेफड़े में समायोजित (उपस्थित) वायु की कुल मात्रा।
  • TLC = RV + ERV + TV + IRV
  • वैकल्पिक रूप से: TLC = VC + RV

गैस विनिमय

गैसों का विनिमय (श्वसन गैस विनिमय)

• गैसों (O₂ और CO₂) का विनिमय वायुकोशीय (कूपिकाएँ) -केशिका झिल्ली के पार विसरण की प्रक्रिया के माध्यम से होता है। गैस प्रसार की दिशा विभिन्न स्थानों में गैसों के आंशिक दबाव प्रवणता पर निर्भर करती है। गैस विनिमय रक्त और ऊतकों के बीच भी होता है।

स्थान	O2 (mm Hg)	CO2 (mm Hg)
वायुमंडलीय वायु	159	0.3
वायु कूपिका	104	40
ऑक्सीकृत रक्त	95	40
ऊतक	40	45

दबाव प्रवणता:

गैसें उच्च से निम्न आंशिक दबाव की ओर गति करती हैं।

• ऑक्सीजन वायु कूपिका (जहाँ इसका आंशिक दबाव अधिक होता है) से रक्त (जहाँ इसका आंशिक दबाव कम होता है) में विसरित होती है।
• इसी तरह, कार्बन डाइऑक्साइड ऊतकों (जहाँ इसका आंशिक दबाव अधिक होता है) से रक्त में और फिर वायु कूपिका (जहाँ इसका आंशिक दबाव कम होता है) में विसरित होती है।

​​ऑक्सीजन (O₂):

• वायु कूपिका (↑pO₂) → रक्त → ऊतक (↓pO₂)

कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂):

• ऊतक (↑pCO₂) → रक्त → एल्वियोली (↓pCO₂)

CO₂ बनाम O₂ प्रसार

• CO₂ घुलनशीलता: O₂ से 20-25× अधिक → कम प्रवणता के बावजूद तेज़ प्रसार।

गैसों का परिवहन

ऑक्सीजन (O₂) का परिवहन:

ऑक्सीजन का परिवहन मुख्य रूप से लाल रक्त कोशिकाओं में हीमोग्लोबिन द्वारा रक्त में किया जाता है, जिसकी थोड़ी मात्रा सीधे प्लाज्मा में घुल जाती है।

1. ऑक्सीजन वाहक के रूप में हीमोग्लोबिन
   • संरचना: 4 पॉलीपेप्टाइड श्रृंखलाएँ, जिनमें से प्रत्येक में एक हीम समूह (Fe²⁺ परमाणु) होता है→ 1 O₂ अणु को बांधता है।
   • प्रतिवर्ती बंधन → O₂ फेफड़ों में बंधता है, ऊतकों में छोड़ा जाता है।
2. ऑक्सीजन हीमोग्लोबिन वियोजन (सिग्मॉइड वक्र)
   • उच्च pO₂ (फेफड़े): O₂ हीमोग्लोबिन से बंधता है → ऑक्सीहीमोग्लोबिन बनाता है।
   • कम pO₂ (ऊतक): O₂ ऑक्सीहीमोग्लोबिन से मुक्त होती है।
     • इससे प्रभावित: ↑pCO₂, ↓pH, ↑तापमान → ↓O₂ आत्मीयता (बोहर प्रभाव)।

कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) का परिवहन:

1. कार्बामिनोहीमोग्लोबिन (20-25%) के रूप में:
   • CO₂ + हीमोग्लोबिन (Hb): कार्बामिनोहीमोग्लोबिन बनाता है।
   • हैल्डेन प्रभाव:
     • O₂ Hb से बंधन → ↓CO₂ बंधन।
     • O₂ मुक्त → ↑CO₂ बंधन।
2. बाइकार्बोनेट आयन (70%) के रूप में:
   • ऊतक (उच्च CO₂):
     • CO₂ + H₂O → कार्बोनिक एसिड H₂CO₃ → बाइकार्बोनेट आयन (HCO₃⁻) और हाइड्रोजन आयन (H⁺)। (कार्बोनिक एनहाइड्रेज़ के माध्यम से)। 
     • क्लोराइड शिफ्ट: HCO₃⁻ RBC से बाहर निकलता है, Cl⁻ प्रवेश करता है।
   • फेफड़े (कम CO₂):
     • HCO₃⁻ + H⁺ → H₂CO₃ → CO₂ + H₂O → CO₂ निःश्वसन के दौरान निष्कासित।
3. प्लाज्मा में घुला हुआ (5-7%):
   • CO₂ की एक छोटी मात्रा सीधे प्लाज्मा में घुल जाती है और इस रूप में परिवहन की जाती है।

परिवहन का तरीका	%	विवरण
प्लाज्मा में घुली हुई अवस्था	5-7%	CO₂ सीधे रक्त प्लाज्मा में घुल जाती है।
कार्बामिनोहीमोग्लोबिन के रूप में	20-25%	CO₂ हीमोग्लोबिन (अमीनो समूह) से बंध कर कार्बामिनोहीमोग्लोबिन (विऑक्सीजनित हीमोग्लोबिन द्वारा समर्थित) बनाता है।
बाइकार्बोनेट आयन (HCO₃⁻) के रूप में	70%	CO₂ कार्बोनिक एनहाइड्रेज एंजाइम की प्रतिक्रिया के माध्यम से बाइकार्बोनेट आयन (HCO₃⁻) में परिवर्तित होती है।

श्वसन का नियमन

श्वसन को नियंत्रित किया जाता है ताकि शरीर को पर्याप्त ऑक्सीजन मिले और कार्बन डाइऑक्साइड निकल सके। 

1. मस्तिष्क नियंत्रण:
   • ब्रेनस्टेम (मेडुला और पोंस) सांस को नियंत्रित करता है:
     • मेडुला: बुनियादी सांस लेने की लय निर्धारित करता है और सामान्य या भारी सांस लेने (जैसे, व्यायाम के दौरान) के लिए समायोजित करता है।
     • पोंस: सांसों की लंबाई को नियंत्रित करके फेफड़ों को अधिक भरने से रोकता है।
2. रासायनिक संकेत:
   • मस्तिष्क और रक्त में सेंसर ऑक्सीजन, कार्बन डाइऑक्साइड और अम्लता के स्तर का पता लगाते हैं:
     • उच्च CO₂ या कम ऑक्सीजन मस्तिष्क को तेज़ या गहरी सांस लेने का संकेत देता है।
3. रिफ्लेक्स:
   • स्ट्रेच रिफ्लेक्स: फेफड़ों को अधिक फैलने से रोकता है।
   • इरिटेंट रिफ्लेक्स: वायुमार्ग को साफ करने के लिए खांसने या छींकने को प्रेरित करता है।

श्वसन और परिसंचरण तंत्र का एकीकरण

श्वसन और परिसंचरण तंत्र गैसों के प्रभावी आदान-प्रदान को सुनिश्चित करने के लिए एक साथ काम करते हैं:

• फुफ्फुसीय परिसंचरण: रक्त CO₂ को फेफड़ों तक ले जाता है, जहाँ से उसे बाहर निकाला जाता है और O₂ को शरीर के लिए अवशोषित करता है।
• प्रणालीगत परिसंचरण: फेफड़ों से ऑक्सीजन युक्त रक्त ऊतकों तक पहुँचाया जाता है, और ऊतकों से CO₂ को हटाने के लिए फेफड़ों में वापस ले जाया जाता है।

श्वसन के विकार

1. दमा (Asthma)

• विवरण: दीर्घकालिक (क्रोनिक) स्थिति → वायुमार्ग की सूजन और संकीर्णता → घरघराहट, सांस फूलना, सीने में जकड़न, खांसी।
• कारण: एलर्जी, संक्रमण, प्रदूषण, शारीरिक परिश्रम।
• पैथोफिज़ियोलॉजी:
  • श्वसनी/ब्रोंकियोल्स में सूजन और सिकुड़न → कम वायु प्रवाह → साँस छोड़ने में कठिनाई।
• प्रबंधन:
  • ब्रोन्कोडायलेटर्स (वायुमार्ग की सिकुड़न से राहत देते हैं)।
  • एंटी-इंफ्लेमेटरी दवाएँ (जैसे, कॉर्टिकोस्टेरॉइड्स)।
  • ट्रिगर से बचाव।

2. वातस्फीति

• विवरण: चिरकालिक रोग → कूपिका भित्ति क्षतिग्रस्त → ↓गैस विनिमय के लिए सतह क्षेत्र → ऑक्सीजन/CO₂ स्थानांतरण में कमी।। 
• कारण:
  • धूम्रपान (प्रमुख कारण)।
  • दीर्घकालिक प्रदूषण के संपर्क में रहना।
  • आनुवंशिक: अल्फा-1 एंटीट्रिप्सिन की कमी।
• रोग-शरीर क्रिया विज्ञान (Pathophysiology):
  • ↓फेफड़ों की लोच → हवा का फँसना → बैरल छाती।
  • हवा को बाहर निकालने में कठिनाई → गैस विनिमय में अक्षमता।
• लक्षण:
  • सांस लेने में तकलीफ, चिरकालिक खांसी, छाती में जकड़न, बैरल-आकार की छाती।
• प्रबंधन:
  • धूम्रपान छोड़ना (अत्यंत आवश्यक)।
  • ब्रोंकोडायलेटर्स, ऑक्सीजन थेरेपी।
  • फुफ्फुसीय पुनर्वास।

श्वसन तंत्र का नैदानिक ​​महत्व

• हाइपोक्सिया: ऊतकों में ↓O₂ → परिधीय कीमोरिसेप्टर्स द्वारा पता चलता → ↑ श्वसन दर और गहराई।
• हाइपरकैप्निया: रक्त में ↑CO₂ → श्वसन एसिडोसिस (↓pH) की ओर जाता है → शरीर ↑श्वसन दर द्वारा क्षतिपूर्ति → CO₂ को बाहर निकालता है, pH को पुनर्स्थापित करता है।
• स्पाइरोमेट्री: फेफड़ों की कार्यक्षमता का आकलन करने के लिए नैदानिक ​​परीक्षण (जैसे, अस्थमा, सीओपीडी)। श्वसन के दौरान आदान-प्रदान की गई हवा की मात्रा को मापता है।