Oksijenli solunum yapan bir canlının hücreleri için gerekli oksijeni vücuduna alma ve hücreye taşıma olayına solunum (gaz alışverişi) denir. Oksijenli solunum yapan canlılar için gaz alışverişi sırasında karbondioksit verilir oksijen alınır.
Akciğer, deri ve solungaç; gaz alışverişinde kullanılan başlıca organlar arasındadır. Solunum olayı iç solunum ve dış solunum olmak üzere iki kısımda gerçekleşir.
Dış solunum: Solunum organlarıyla dış ortamdan hava alınması ve verilmesi, yani soluk alıp vermeye denir.
İç solunum: Solunum organındaki oksijenin hücrelere, hücrelerdeki karbondioksitin solunum organına gelmesine denir. İnsanlarda bu transfer işlemi kan ve dolaşım sistemi aracılığıyla yapılır.
Tek hücreli canlılarda solunum sistemi için özelleşmiş bir yapı bulunmaz. Gaz alışverişi hücre yüzeyinden difüzyonla gerçekleşir.
Bitkilerde solunum stoma, lentisel ve kökler aracılığıyla gerçekleşir. Günün belirli saatlerinde (“fotosentez hızı = oksijenli solunum hızı” şartı sağlandığı zamanlarda) solunum yapmayabilir. Ancak bu iki tepkimenin hızı çok az bir süre eşit olarak devam eder; bu yüzden bunu bir istisna sayabiliriz.
Bitkilerde diğer hayvanlardaki gibi sadece oksijen girişi karbondioksit çıkışı gözlemlenmemektedir. Fotosentez hızının yüksek olduğu öğle saatlerinde stomalardan karbondioksit girişi oksijen çıkışı gözlemlenir.
Su bitkilerinde ise gaz alışverişi tek hücreli canlılardaki gibi difüzyonla gerçekleşir.
İlkel hayvanlarda (sünger veya sölantere gibi) solunum sistemi için özel bir yapı oluşmamıştır. Bu nedenle solunum hücre yüzeyinden difüzyonla gerçekleşir.
Hayvanlar türlerine göre deri solunumunu, solungaç solunumunu, trake solunumunu ve akciğer solunumunu belirli oranlarda yaparlar. Örneğin bazı gelişmiş, dış örtü bulunduran, hayvanlar deri solunumunu daha az yaparken akciğer solunumunu daha çok yapar. Bazı hayvanlar (balık gibi) sadece solungaç solunumu yapar. Bazı böceklerde, çok ayaklılarda ve kabuklularda sadece trake solunumu görülür.
Kısacası hayvanların gelişmişlik düzeyine göre farklı solunum tipleri mevcuttur. Kimi hayvanlar bu solunum tiplerinden birkaçını aynı anda yapabilir.
Bütün solunum organları aynı amaca hizmet eder. Havadaki oksijeni, dolaşım organına oradan da hücreye almak (veya direk hücreye de geçebilir). Havadan dolaşım sistemine geçiş kısmı difüzyon ile olur. Bu difüzyon hızını arttırmak için solunum yüzeyleri daima nemlidir.
Deri solunumu toprak solucanı ve ergin kurbağalarda görülmektedir. Deri solunumu nemli vücut yüzeyinden gerçekleşir. Gaz değişimi difüzyonla gerçekleşir.
Deri solunumuna (yardımcı solunum yöntemi olarak) insanlarda (%1-5) ve ergin kurbağalarda da (yaklaşık %25) rastlanır.
Solungaç solunumu; başta balıklar olmak üzere, suda yaşayan çoğu omurgasız ve omurgalı canlıda ve kurbağa lavralarında görülür. Solungaç solunumuyla suda çözünmüş olan oksijen canlının dolaşım sistemine alınır.
Solungaç solunumu yapan canlıların en büyük sorunu suda havadakine göre daha az oksijen bulunmasıdır. Bu sorunun çözümü solungaçların üzerinden daha çok su geçirmek ve difüzyon hızını arttırmaktır. Balık, suyu ağzından alır, solungaç yaprakları üzerinden geçirir. Bu arada oksijen difüzyonla kana geçer. Aynı yolla karbondioksit de dışarı atılır. Kanın solungaç iplikçiklerindeki akışı, suyun solungaçlar üzerindeki akışının tersi yönündedir. Bu durum difüzyon hızının artmasını böylece daha fazla oksijen alınmasını sağlar.
Ters akım olayı sayesinde sürekli sudan kana oksijen geçişi olur ve sudaki oksijenin çoğundan faydalanılır.
Detay Not: Gazlar soğuk sularda daha çok çözünür. Bu yüzden soğuk sular oksijence daha zengindir.
Karada yaşayan eklembacaklılarda ve böceklerde görülür. Trake solunumunda oksijen kan aracılığıyla taşınmaz. Bu yüzden trake solunumu yapan canlıların kanlarında solunum pigmenti bulunmaz.
Bu canlılarda stigma adı verilen açıklıklar bulunur. Bu açıklıktan hava girişi-çıkışı sağlanır. Stigmalar trake borularına bağlıdırlar. Trake boruları gazı gittikçe incelen trakeol borusuna aktarır. Trakeol borusunun sonunda bir sıvı bulunur. Bu sıvı sayesinde nemli ortam sağlanmış olur ve difüzyonla gaz alışverişi başlar. Trake boruları kitin yapılıdır, bu sayede çok esnektir. Kırılma, zedelenme veya kapanma gibi bir durum yaşanmaz.
Sivrisinek gibi canlılar trake solunumu yaptıkları için uçtukça solunum gerçekleştirirler. Aynı zamanda böcekler trake solunumunu gerçekleştirebilmek için vücutlarını kasıp gevşetirler. Trake solunumu gaz alışverişinin en hızlı gerçekleştiği solunum yöntemidir.
Kitapsı akciğer: Eklem bacaklılardan örümceklerde ve akreplerde trakeler kitap sayfaları gibi yan yana dizilmiştir. Bu nedenle kitapsı akciğer adını alır. Bu yapılar derinin hemen altında bulunur ve birbirine paralel dizilmiş epitel dokudan meydana gelir. Kitapsı akciğer de trake sisteminde olduğu gibi stigma adı verilen solumun deliği ile dışarı açılır.
Akciğer solunumu kuşlarda, sürüngenlerde, memelilerde ve ergin kurbağalarda görülür. Her canlı türünde enerji ihtiyacına göre farklılaşmış çeşitli akciğer tipleri mevcuttur. Ergin kurbağalarda kese şeklinde, sürüngenlerde bölmeli, kuşlarda hava keselerine bağlı akciğerler bulunur.
Akciğerler sudan karaya çıkışta evrimleşmiştir. Bu yüzden kara yaşamına adapte olan canlıların akciğeri daha gelişkindir. Kurbağa akciğerinde bronş ve soluk borusu yoktur. Sürüngenlerin akciğeri ise biraz daha gelişmiş bir yapıdadır ve bölmelere ayrılmıştır.
Kuşların akciğerinde akciğere bağlı hava keseleri bulunur. Bu hava keseleri kuşların yoğunluğunu azaltarak uçmalarına yardımcı olur. Balıklarda bulunan ters akım prensibi kuşlarda da bulunur. Böylece yükseklerde -oksijen seviyesinin düşük olduğu yerlerde- bile oksijen ihtiyacını karşılar.
Kuşlarda hava akciğer kanalı boyunca “tek yönlü” hareket eder. Akciğerlerin giriş ve çıkış kanalları birbirlerinden farklıdır ve bu kanallar boyunca uzanan özel hava kesecikleri sayesinde hava daimi olarak akciğer içinde tek yönlü olarak akar. Bu sayede kuş, havadaki oksijeni kesintisiz olarak alabilir. Böylece kuşun yüksek enerji ihtiyacı karşılanmış olur.
Ters akım ve tek yönlü akciğer sayesinde kuşlar soludukları havanın içindeki oksijenin %90’ından yararlanabilir.
Memeli akciğerinde ise alveol adında solunum yüzeyini genişleten yapılar vardır. Bu yapıların etrafı kılcal damar ağıyla kaplıdır. Alveol diğer omurgalı hayvanlarda bulunmaz. Alveollere ek olarak memeli akciğerinde kaslı diyafram bulunur. Kaslı diyafram sayesinde akciğerlerin çalışması kolaylaşır.
İnsanda solunum sistemi; ağız, burun, yutak, gırtlak, soluk borusu ve akciğerlerden oluşur.
Ağız ve burun solunum sistemimizin dışarıya açılan iki penceresidir. Burun boşlukları mukoza hücreleri ile kaplıdır, bu hücreler mukus salgılar. Mukus ve burun kılları solunan havayı nemlendirir ve havanın içindeki kötü maddeleri filtreler. Aynı zamanda burun alınan havayı iç yüzeyinde barındırdığı kılcal damar ağı sayesinde ısıtır.
Ağız boşluğu ve yemek borusu arasında yer alan kısımdır. Yutma esnasında küçük dil (epiglottis) tarafından soluk borusu kapatılarak, besinlerin soluk borusuna kaçması önlenir. Bu yüzden yutma sırasında solunum durur.
Soluk borusunun başlangıcında içinde ses tellerinin de bulunduğu yapıya gırtlak denir.
Nefes borusu (soluk borusu) vücutta solunan havanın geçtiği, boru şeklinde bir organdır. Omurgalılarda soluk borusu havanın boğazdan akciğerlere geçişini sağlarken, omurgasızlarda dışarıdaki havayı doğrudan iç dokulara ulaştırır.
Soluk borusunun düz olan arka yüzü, yemek borusu ile komşudur ve soluk borusunun iç yüzü hareketli siller taşıyan epitel hücreleri ile döşenmiştir. Bu hücrelerin meydana getirdiği epitel tabakası altında salgı bezleri bulunduğu gibi, hücrelerin arasında da salgı yapan goblet hücreleri bulunur.
Soluk borusu bronş adı verilen iki kola ayrılarak akciğerlere giriş yapar. Bronşlar akciğerin içinde bronşçuk adı verilen ince borulara ayrılır. Her bronşçuğun sonunda ise alveol denilen hava keseleri bulunur. Alveoller yalnızca memelilerde görülür.
Yetişkin bir bireyde alveol sayısı 300 milyon civarındadır. Alveollar; solunum yüzeyinin artmasını sağlar, difüzyonun rahat gerçekleşmesi için nemli bir yapıdadır ve kılcal damarlarla çevrilidir. Alveoller tek sıralı yassı epitel tabakadan oluşmaktadır.
Akciğerler, sağ ve sol olmak üzere iki kısımdan meydana gelir. Sağ akciğer üç bölmeli, sol akciğer iki bölmelidir. Sol akciğerin küçük olmasının nedeni, kalbin buraya yakın oluşudur.
Her iki akciğer pleura denilen iki yapraklı ince bir zar ile örtülüdür. Bu iki zarın iç ve dış yaprakları arasındaki boşluklarda az miktarda lenf sıvısı ve hava bulunur.
Solunum kendiliğinden, sessiz, ağrısız, kolaylıkla gerçekleşir. Solunum sayısı yetişkinlerde dakikada 10-15, çocukta 20-30, bebekte 30-40 arasındadır.
Nefes alma verme sırasında diyafram, kaburga ve göğüs kasları kullanılır. Nefes alma-verme mekanizmasını omurilik soğanı ve beyindeki solunum merkezi kontrol eder.
Not: Nefes alma ve verme mekanizmasının tetikleyicisi karbondioksit gazıdır. Kandaki oksijen seviyesinin azlığı ya da çokluğu bu mekanizmayı etkilemez. Bu yüzden solunumu duraksayan birisine karbondioksit verilir ve omurilik soğanı tetiklenmeye çalışılır.
Temel olarak sistem şu şekilde gerçekleşir:
Nefes alma sırasında akciğerin iç hacmini arttıran olaylar gerçekleşir, nefes verme sırasında ise akciğerin iç hacmini azaltan olaylar gerçekleşir. Bu olaylar şu şekilde özetlenebilir:
Nefes Alma
Nefes Verme
Alınan havanın kan aracılığıyla taşınması kanda bulunan pigmentler sayesinde olur.
Solunum Pigmentleri
Trake solunumu yapan canlılar dışındaki her solunum şeklinde kanda solunum pigmenti kullanılır. Pigmentlerin görevi kan aracılığıyla oksijen veya karbondioksit taşınmasını sağlamaktır.
Pigmentlerin Genel Özellikleri
Solunum pigmentlerinin kararsız bileşikler olduğundan bahsetmiştik. Bu ortamda hangi maddeden fazla var ise o madde ile tepkimeye girmesine yol açar. Yani karbondioksit taşıyan bir solunum pigmenti oksijenin bol olduğu bir ortama gelince yapısındaki karbondioksiti bırakır ve oksijen ile tepkime verir -oksijeni taşımaya başlar-. İşte bu sistem sayesinde kanda solunum gazları taşınır.
İnsanlarda bulunan hemoglobin alveole (oksijenin bol olduğu ortama) gelip yapısındaki karbondioksiti bırakır ve akciğerden difüzyonla kana geçmiş olan oksijeni alır. Aynı tepki bu sefer ters bir şekilde hedef hücreye varılınca gerçekleşir. Hedef hücrede oksijenli solunum sonucu yoğun olarak karbondioksit bulunur. Yoğun karbondioksitli ortama giren oksijenli hemoglobin yapısındaki oksijeni bırakır ve karbondioksit bağlar.
Oksijenin Taşınması Sırasında Gerçekleşen Tepkimeler
Karbondioksitin Taşınması Sırasında Gerçekleşen Tepkimeler
Karbondioksitin bir kısmı plazmada çözünmüş olarak, bir kısmı hemoglobin aracılığıyla, büyük bir kısmı ise bikarbonat “HCO3-” iyonları şeklinde kanın plazmasında taşınır.
Karbondioksit hemoglobinin içine geçer. Burada karbonik anhidraz enzimi sayesinde su ile birleşir ve karbonik asite (H2CO3) dönüşür. Karbonik asit hidrojen ve bikarbonat (HCO3-) iyonuna ayırılır. Oluşan iki üründen birisi olan hidrojen hemoglobin tarafından tutulur ve alyuvar adını alır; bikarbonat iyonuysa plazmaya aktarılır.
Kan akciğer kılcalına ulaştığında bikarbonat iyonu hemoglobinin içine girer ve hidrojen ile birleşerek karbonik asiti oluşturur. Karbonik asit, yine enzim sayesinde suya ve karbondioksite ayrışır ve difüzyonla akciğere geçer.
Karbonmonoksit zehirlenmesi: Karbonmonoksit zehirlenmesinin nedeni karbonmonoksit gazının hemoglobine bağlanıp ayrılmamasıdır. Bu yüzden hemoglobin çalışmaz ve bir süre işlevsiz hale gelir. Karbonmonoksit bağlanmış hemoglobin ne oksijen taşıyabilir ne de karbondioksit. Eğer yeteri sayıda hemoglobin karbonmononoksit gazına maruz kalırsa canlı ölür.