Oddychanie jest procesem właściwym wszystkim żywym organizmom. Zachodzi w każdej komórce dostarczając organizmowi energii niezbędnej do życia. Zdecydowana większość organizmów żywych oddycha tlenem atmosferycznym. Dostaje się on do organizmu w procesie wymiany gazowej, która zachodzi dzięki wykształceniu na drodze ewolucji układu oddechowego. Pod pojęciem wymiany gazowej rozumie się złożony proces przechodzenia gazów oddechowych w kierunku ze środowiska do wnętrza organizmów oraz odwrotnie - z tkanek ciała na zewnątrz.

Zdecydowana większość gatunków zwierząt potrzebuje do wszelkich procesów życiowych tlenu. Wymiana gazowa jest więc procesem, który zapewnia wystarczającą ilość gazu niezbędnego dla procesów życiowych. Większość zwierząt oddycha tlenem atmosferycznym, są jednak liczne gatunki wodne, które pobierają tlen rozpuszczony w wodzie.

Wymiana gazów oddechowych zachodzi zawsze zgodnie z dwoma podstawowymi zasadami:

- gazy biorące udział w wymianie gazowej ( tlen oraz dwutlenek węgla) przechodzą ze środowiska do organizmu i w odwrotnym kierunku, dzięki różnicy ciśnień tych gazów w obu tych ośrodkach.

- w procesie przenikania gazu do wnętrza organizmu oraz z tkanek na zewnątrz, do środowiska, zachodzi zawsze przy udziale choćby minimalnych ilości, ale jednak zawsze koniecznych, wody. Z kolei ilości gazów przechodzących do organizmu oraz z organizmu do jego środowiska jest uzależniona od wielkości powierzchni ciała, przez które możliwe jest dyfundowanie tych tkanek.

Gazy są pobierane i wydalane przez zwierzęta za pomocą układu oddechowego, czyli za pomocą zespołu narządów, które są przystosowane do pobierania tlenu i wydalania cząsteczek dwutlenku węgla. Niektóre zwierzęta, przede wszystkim pierwotniaki oraz niektóre bezkręgowce, ale również niektóre kręgowce (np. żaby), które żyją w środowisku wodnym pobierają cząsteczki tlenu przez całą powierzchnię ciała w ramach procesu dyfuzji. Organami odpowiedzialnymi za proces oddychania są u zwierząt żyjących w wodzie skrzela, które są obmywane przez cały czas przez przepływającą przez nie wodę. Zwierzęta lądowe oddychają przez tchawki, płucotchawki oraz płuca. Owady oddychają za pomocą tchawek, pajęczaki posiadają płucotchawki a kręgowce lądowe oddychają płucami. W toku rozwoju ewolucyjnego poszczególnych gatunków zwierząt kręgowych następowało coraz dalsze różnicowanie budowy płuc. Zwiększała się w nich powierzchnia umożliwiająca wymianę gazową. Powierzchnia oddechowa zwiększa się, bo płuca są coraz bardziej pofałdowane i składają się z coraz drobniejszych pęcherzyków płucnych , w których zachodzi wymiana gazów. Ptaki na potrzeby bardzo intensywnego metabolizmu muszą pobierać dużo tlenu. Ułatwiają im to wykształcone oprócz płuc worki powietrzne, które pozwalają na proces podwójnego oddychania. Oznacza to, ze płuca są wentylowane podczas lotu ptaków tak przy wdechu jak i przy wydechu.

EWOLUCJA UKŁADU ODDECHOWEGO U POSZCZEGÓLNYCH GRUP ZWIERZĄT:

PIERŚCIENICE

Zwierzęta należące do pierścienic ( między innymi dżdżownice) oddychają całą powierzchnia ciała, ponieważ ich powłoki ciała są na tyle delikatne, że nie są barierą dla gazów oddechowych. Pierścienice mają już wykształcony prymitywny ale sprawnie działający układ krwionośny, za pomocą którego tlen jest rozprowadzany po całym ciele a dwutlenek węgla wydalany zbierany i wydalany.

OWADY

Narządami oddechowymi u owadów są charakterystyczne dla ich budowy anatomicznej tchawki. Tchawki to złożony system drobnych kanalików powietrznych, które są również obecne u niektórych pajęczaków oraz u pratchawców. Tchawki mają swój początek w zewnętrznych otworkach, które noszą nazwę przetchlinek. Tchawki ulegają w organizmie zwierzęcia licznym rozgałęzieniom na coraz mniejsze, drobniejsze przewody. Tchawki docierają do każdego zakątka organizmu zwierzęcia natleniając każdy jego organ wewnętrzny. Tchawki są osłonięte przez specjalną chitynową osłonkę, która daje ściankom tchawek elastyczność. Tchawki kończą się tracheolami wypełnionymi przez płyn. To tutaj, w tracheolach, dochodzi do wymiany gazowej poprzez dyfuzję gazów pomiędzy komórkami i tracheolami.

PAJĘCZAKI

Pajęczaki oddychają za pomocą płucotchawek. Płucotchawki są to narządy oddechowe, które mają kształt komór wewnętrznych podzielonych wieloma bardzo dobrze ukrwionymi przegrodami. W przegrodach tych zachodzi wymiana gazowa na zasadzie swobodnej dyfuzji tlenu oraz dwutlenku węgla. Cząsteczki tlenowe wraz z powietrzem atmosferycznym przedostają się do wnętrza płucotchawek przez specjalne otwory noszące nazwę przetchlinek. Są to otwory znajdujące się na ścianie ciała pajęczaka i prowadzą one do płucotchawek.

RYBY

Ryby oddychają za pomocą skrzel - specjalnych narządów oddechowych. Skrzela występują nie tylko u ryb ale i u innych zwierząt żyjących w środowisku wodnym. Pozwalają one na pobieranie do wnętrza organizmów cząsteczek tlenu, które są zawarte w wodzie. Narządy te są obecne u niektórych gatunków pierścienic czy mięczaków, są narządami oddechowymi niektórych płazów oraz wszystkich gatunków ryb.

Skrzela przybierają zróżnicowane kształty u różnych gatunków. Mogą być bardzo rozgałęzione albo pofałdowane, dzięki czemu zwiększa się powierzchnia bezpośredniej wymiany gazowej. Skrzela wyłapują tlen z prądu wody, która przez nie przepływa. Charakterystyczne dla skrzel jest to, że aby prawidłowo funkcjonowały muszą być i są obmywane przez cały czas przez przepływającą wodę. Ciekawym zjawiskiem jest wychwytywanie przez skrzela mięczaków wodnych nie tylko tlenu ale i drobnych cząstek pokarmowych.

Istnieją skrzela wewnętrzne oraz skrzela zewnętrzne. Skrzela wewnętrzne są charakterystyczne dla większości kręgowców wodnych. Skrzela zewnętrzne są organami anatomicznymi wykształconymi u rybich larw oraz niektórych płazów.

Rybie skrzela są umocowane na łukach skrzelowych zbudowanych z tkanki chrzęstnej albo kostnej. Są one dobrze ukrwionymi wyrostkami błony śluzowej nazywanymi również płatkami skrzelowymi. Łączą one gardziel oraz powierzchnię ciała zwierzęcia. Skrzela otwierają się u ryb chrzęstnoszkieletowych od razu na zewnątrz ciała poprzez tak zwane szczeliny skrzelowe. Ryby kostnoszkieletowe mają wykształcone komory skrzelowe, do wnętrza których uchodzą szczeliny skrzelowe. Komory skrzelowe są odseparowane od środowiska zewnętrznego dzięki pokrywom skrzelowym, które otwierają się i zamykają za pomocą specjalnych mięśni. Ruch tych pokryw pozwala na szybsze wniknięcie wody ze środowiska do wnętrza jamy ciała poprzez jamę gębową ryby. Woda jest więc napędzana w ten sposób w ruch i opływa skrzela. U ryb chrzęstnoszkieletowych (np. rekiny) konieczny jest ciągły ruch tych ryb. Woda jest wprowadzana w ruch i wpływa dzięki temu do skrzeli poprzez działanie fałdów skórnych, które okrywają pokrywy skrzelowe.

W skrzelach dochodzi do wymiany gazowej poprzez zjawisko dyfuzji. Dyfuzja gazów oddechowych w skrzelach jest bardzo wydajna, ponieważ ułatwiają ją przeciwstawne kierunki przepływu wody, która dostaje się do skrzel z jamy gębowej oraz przepływu krwi, która płynie w gęstej sieci systemu krwionośnego. Dzięki tej przeciwstawności i dużej wydajności dyfuzji cały czas jest znaczna różnica między stężeniami gazowymi krwi oraz wody.

EWOLUCJA UKŁADU ODDECHOWEGO U KRĘGOWCÓW

Kręgowce oddychają za pomocą płuc. Są to narządy parzyste ułożone symetrycznie w ciele. Istnieje płuco lewe oraz płuco prawe. Płuca przypominają swoim kształtem stożki. Swoją szerszą częścią, czyli podstawą, są skierowane do przepony i dlatego powierzchnia ta nosi nazwę powierzchni przeponowej. Górną część płuca stanowi kopulasty wierzchołek. Płuca swoja powierzchnią boczną przylegają do żeber.

W toku ewolucji układ oddechowy kolejnych grup zwierząt umieszczonych na drabinie ewolucyjnej przybierał coraz bardziej rozwinięte formy. Płuca różnicują się zwiększając powierzchnię oddechową i dzieląc się na coraz większą ilość drobnych pęcherzyków płucnych. Ewolucja przystosowała ptaki do zwiększonego tempa metabolizmu potrzebnego do tworzenia energii niezbędnej w czasie lotu. Ptaki mają wykształcone oprócz płuc worki powietrzne, które pozwalają wentylować płuca również podczas wydechu.

PŁAZY

Płazy bezogonowe, takie jak żaba, mimo tego, że mają wykształcone sprawne, pofałdowane płuca pobierają tlen w dużym procencie poprzez skórę. Płuca uczestniczą u nich w wymianie gazowej, jednak w dużej mierze tlen jest pobierany przez wilgotną skórę. Zimą płazy te oddychają tylko poprzez skórę.

GADY

Płuca gadów mają odmienną budowę niż płuca płazów. Fałdy płuc gadzich są bardziej rozwinięte. Jama worka płuca staje się coraz węższa aż przekształca się w wąskie oskrzele. Gady oddychają jedynie za pomocą płuc. U żadnego z gatunków gadów nie ma oddychania przez skórę, która jest pokryta grubą warstwą naskórka nieprzenikliwego dla gazów. Również samo pobranie powietrza do wnętrza jamy gębowej jest inne niż u płazów. Gady oddychają dzięki silnym skurczom mięśni tułowia. Wywołują one ssanie powietrza a nie tłoczenie na zasadzie pompy, jak to było w wypadku płazów. Skurcze mięśni u gadów powodują podniesienie się żeber, co zwiększa objętość jamy ciała, w której leżą płuca. Mięśnie międzyżebrowe pozwalają więc na głęboki oddech. Powietrze zostaje wessane do wnętrza płuc w rozszerzonej jamie ciała. Kiedy zebra opadają jama ciała się zmniejsza i powietrze zostaje wypchnięte z ciała na zewnątrz. Wdechy oraz wydechy są stymulowane przez układ nerwowy.

PTAKI

Ptaki są już zwierzętami stałocieplnymi, potrzebują więc dużo energii do utrzymania tej temperatury niezależnie od warunków klimatycznych , w których żyją. Mają szybki metabolizm i muszą dostarczać organizmowi dużo tlenu.

Płuca ptaków są bardzo dobrze ukształtowane, pofałdowane, mają dużo pęcherzyków powietrznych, podobnie jak u ssaków. Są jednak dodatkowo połączone z tworami charakterystycznymi tylko dla ptaków - z workami powietrznymi. Są one magazynem powietrza, którego zapas jest wykorzystywany do wentylacji płuc podczas lotu, przy każdym wydechu ptaka. Wymiana gazowa zachodzi jednak tylko w płucach, nie w workach powietrznych, ponieważ worki te nie mają nabłonka respiracyjnego. System oddychania ptaków jest bodajże najbardziej sprawnym systemem oddechowym w świecie zwierząt.

SSAKI

Ssaki, a więc również i człowiek, są organizmami stałocieplnymi, ich oddychanie musi więc przebiegać sprawnie i wydajnie. Dla utrzymania wysokiego poziomu przemian metabolicznych musi być w organizmie ssaka wystarczająca ilość tlenu, który uczestniczy w wytwarzaniu w tkankach energii. Również produkowany w dużych ilościach produkt uboczny oddychania czyli dwutlenek węgla, musi być z organizmu sprawnie usuwany.

Wymiana gazowa zachodzi w płucach, które są bardzo dobrze rozwinięte. Nie ma w nich jamy pozbawionej pęcherzyków. Całe stanowią zespół licznych i drobnych pęcherzyków powietrznych, które odpowiadają za wymianę gazową. Pęcherzyki są połączone ze światem zewnętrznym poprzez drobne kanaliki powietrzne i to tą drogą powietrze atmosferyczne wnika do pęcherzyków.

Płuca ssaków to organy parzyste, ułożone symetrycznie wzdłuż kręgosłupa. Każde z nich składa się z kilku części. Lewe płuco ma dwa płaty a płuco prawe trzy płaty. Do płuc dochodzą 2 korzenie płucne zbudowane z oskrzeli głównych, z tętnicy płucnej i dwóch żył płucnych, splot nerwów, systemu naczyń chłonnych oraz z tętnic oskrzelowych.

Płuca swoja budową przypominają cienkościenne worki w kształcie stożków. Worki te są bogato unaczynione. Łączą się z jamą nosową oraz z jamą gębową ( u człowieka nazywaną ustną) poprzez drogi oddechowe. W skład dróg oddechowych wchodzą: gardło, krtań, tchawica a także oskrzela oraz oskrzeliki. Zakończenia oskrzelików stanowią pęcherzyki płucne.

Tchawica jest częścią dróg oddechowych, którą budują półokrągłe chrzęstne pierścienie w kształcie podkowy. Podkowy te są ustawione częścią otwartą do tyłu. Łącza się miedzy sobą licznymi więzadłami oraz gładką błoną mięśniową. Tchawica od środka jest wyścielona przez błonę śluzową. Biegnie ona od krtani do śródpiersia, gdzie na wysokości IV kręgu piersiowego ulega rozgałęzieniu tworząc lewe oraz prawe oskrzela główne.

Oskrzela wchodzą w skład dolnego odcinka dróg oddechowych. Są w swojej budowie anatomicznej podobne do tchawicy jednak są od niej dużo mniejsze. Tworzą je pierścienie chrzęstne, które są połączone między sobą poprzez pasma tkanki łącznej oraz przez błonę mięśniową gładką. Wyściela je od wewnątrz warstwa błony śluzowej. Zadaniem oskrzeli jest doprowadzanie powietrza do płuc oraz wydalanie go z płuc na zewnątrz.

Oskrzela dzieli się na:

Oskrzele główne - pierwszego rzędu - prawe i lewe. Oba odchodzą od tchawicy i idą do miąższu płuc,

Oskrzela płatowe - drugiego rzędu - dwa w płucu lewym oraz dwa w płucu prawym,

Oskrzela trzeciorzędowe - w nich zaznacza się dwanaście podziałów, odchodzą od nich drobne oskrzeliki końcowe, które nie mają już w swojej budowie chrząstki,

Oskrzeliki końcowe dzielą się na oskrzeliki oddechowe 9 po dwa z jednego oskrzelika końcowego). W oskrzelikach oddechowych znajdują się pęcherzyki płucne.

W skład miąższu płuc wchodzą liczne pęcherzyki płucne. Ściana pęcherzyków płucnych od wewnątrz pęcherzyka jest wyścielona cieniutkim nabłonkiem płaskim jednowarstwowym. Pęcherzyki płucne są silnie ukrwione poprzez sieć naczynek włosowatych, które je od zewnątrz oplatają. Naczynia włosowate znajdują się pomiędzy włóknami sprężystymi.

Pęcherzyki płucne znajdują się na przewodach pęcherzykowych, które są końcowym odgałęzieniem trzeciorzędowych oskrzeli. Ich średnica waha się pomiędzy od 0,15 a 0,6 mm. Są one zgrupowane w małe kiście, przypominają więc wyglądem kiście winogronowe. Jest ich w sumie tak dużo, że sumaryczna ich powierzchnia wynosi średnio pomiędzy 50 a 90 m2. maja one kluczową rolę w procesach oddychania, ponieważ to właśnie w obrębie pęcherzyków płucnych zachodzi wymiana gazowa.

Określając pojemność płuc bierze się pod uwagę kilka wskaźników:

Pod pojęciem całkowitej pojemności płuc rozumie się całą objętość powietrza, które zawarte jest w płucach. W jej obrębie wyróżnia się pojemność wdechową oraz pojemność wydechowa.

Pojemność wdechowa określa, jaka ilość powietrza jest wciągana do wnętrza płuc podczas najgłębszego wdechu, po wcześniejszym spokojnym wydechu. W jej skład wchodzą:

a) objętość oddechowa, czyli ilość powietrza jakie wchodzi oraz wychodzi z płuc podczas spokojnego oddychania.

b) objętość zapasowa wdechowa , czyi ilość powietrza wydychana podczas maksymalnego wysiłku ponad objętość oddechową,

Pojemność zalegająca czynnościowa określa jaka ilość powietrza pozostaje w płucach podczas spokojnego wydechu. W jej skład wchodzą:

  1. objętość zapasowa wydechowa, czyli ilość powietrza jaka jest usuwana z płuc podczas maksymalnego wydechu,
  2. objętość zalegająca, czyli ilość powietrza, jakie pozostaje w płucach podczas maksymalnego wydechu.

Z kolei pojemność życiowa płuc jest to taka ilość powietrza, jaka może być wprowadzona do płuc po wcześniejszym najgłębszym wydechu. Bada się ją za pomocą spirometra. Wynosi ona średnio 3500 cm3, przy czym u mężczyzn wynosi 4500cm3 a u kobiet 3200cm3. Składają się na nią powietrze oddechowe (500 cm3), powietrze uzupełniające (1500 cm3) oraz powietrze zapasowe (1500 cm3).

Oddychanie jest procesem dwufazowym. Składa się na nie wdech oraz wydech. Zdrowy dorosły człowiek oddycha średnio 16-18 razy na 1 minutę. Dzieci biorą oddech średnio 20-30 razy w ciągu jednej minuty a noworodki nawet 30-35w ciągu minuty.

Objętość oddechowa jest to ilość powietrza, które wprowadzamy do wnętrza płuc podczas jednego wdechu.. W spoczynku wynosi ona od 5 do 10 ml/kg masy ciała.

Pojemność życiowa jest to cała ilość powietrza, jakie możemy wprowadzić do wnętrza płuc podczas jednego najgłębszego oddechu. Jej minimum wynosi 15 ml na kilogram masy ciała.

Wentylacja minutowa jest to taka ilość powietrza, jaką zużywamy do oddychania podczas jednej minuty, czyli inaczej mówiąc jest to częstość naszych oddechów pomnożona przez objętość oddechową, jej norma wynosi 6 - 8 litrów.

Tempo oddychania może ulec wyraźnym zmianom. Wpływa na nie wzmożony wysiłek fizyczny oraz solne stany emocjonalnego pobudzenia. Tempo oddechu gwałtownie wzrasta również podczas przebiegu stanów chorobowych. Zwiększają je gorączka, silnie bolące urazy oraz zabiegi operacyjne. Oddech staje się wówczas płytszy i szybszy. Głębsze oddechy zwiększają wówczas odczucie bolesności. Jeżeli oddech jest płytki to musi być przyspieszony, aby dostarczyć jednak organizmowi koniecznej porcji tlenu.

Oddech spowalniają niektóre leki farmakologiczne (np.: morfina) a także choroby mózgowia i zatrucia organizmu. Oddech zwalnia przy mocznicy, śpiączce cukrzycowej oraz w wielu innych stanach chorobowych.

Zarówno przyspieszenie jak i spowolnienie oddechu może mieć miejsce w określonych granicach. Jeżeli je przekroczy, może to być powodem zagrożenia życia chorego. Jeżeli dorosły człowiek oddycha częściej niż czterdzieści razy na minutę albo wolniej niż osiem razy na minutę, jest to poważną patologią oddychania i wymaga natychmiastowej pomocy lekarskiej.