Inleiding
Elke minuut adem je ongeveer tien keer in en uit.
Je ververst daarmee de lucht in je longen. De lucht die je uitademt bevat minder zuurstof en meer koolstofdioxide dan de buitenlucht. De zuurstof is gebruikt voor de oxidatie van organische stoffen (Kennisbank "Oogsten van chemische energie").
Bij die oxidatie ontstaat koolstofdioxide en energie voor alle levensprocessen. Gaswisseling is het verschijnsel waarbij zuurstof en koolstofdioxide door het organisme met de omgeving worden uitgewisseld. Onder ademhaling verstaan we alle mechanismen die nodig zijn voor een doelmatige gaswisseling tussen cellen en omgeving. Om de gassen naar en van de cellen af te voeren is bij meercelligen ook een transport-stelsel ontstaan. Ademhaling en bloedsomloop zijn nauw met elkaar verbonden.
Gaswisseling/Membraantransport
Gaswisseling
Eencellige organismen hebben hun celmembraan als afscheiding met de omgeving waarin ze leven.
Water, zuurstof, koolstofdioxide en voedingsstoffen worden via hun celmembraan uitgewisseld met de omgeving.
Bij meercellige organismen komen de cellen verder van de omgeving (bijvoorbeeld de buitenlucht) af te liggen.
Een ademhalings- en transportstelsel zorgt ervoor dat de gaswisseling toch efficiënt gebeurt.
Membraantransport
Gassen en water kunnen dankzij diffusie van een plaats met een hoge concentratie naar een plaats met een lage concentratie getransporteerd worden.
De hoeveelheid stof die per tijdseenheid diffundeert is afhankelijk van een aantal factoren:
- het concentratieverschil
- het oppervlak
- de afgelegde weg
- de diffusieconstante
Diffusie van water uit oplossingen via een membraan dat wel voor water maar niet voor de opgeloste stof doorlaatbaar is (semi-permeabel membraan) noem je osmose.
Veel vaste stoffen worden dankzij actief transport cellen in en uit getransporteerd. Actief transport (Kennisbank "Actief en passief transport") kost energie en kan ook tegen een concentratieverval in gebeuren.
Glucose uit je bloed kan zich ophopen in cellen van je lichaam.
Landbewoners
De meeste zoogdieren en veel ongewervelde dieren leven op het land. Zij halen zuurstof uit de lucht en geven koolstofdioxide aan de lucht af. Lucht bevat een groot percentage stikstof gas (73%) en dat gaat dankzij de gaswisseling de cellen in en uit.
Tegelijk met die uitwisseling van gassen verlaat water het lichaam. Per volume eenheid (bijvoorbeeld een liter) bevat lucht veel meer zuurstof en het is veel lichter. Lucht bevat daarentegen weinig water(damp).
Landbewoners zullen proberen om zoveel mogelijk gassen en zo weinig mogelijk water uit te wisselen.
Daardoor zouden ze kunnen uitdrogen.
Gewervelde dieren maken hoofdzakelijk gebruik van longen die via een luchtpijp in verbinding staan met de buitenlucht.
Daarnaast kan ook de huid als ademhalingsorgaan dienen (bij sommige vissen en amfibieën) maar die moet dan wel vochtig blijven!
Wet van Fick/Gaswisseling bij insecten/Waterbewoners - VWO
Wet van Fick
De factoren die de diffusie beïnvloeden worden samengevat in de wet van Fick.
In de formule zie je dat de hoeveelheid stof die per tijdseenheid diffundeert (X), recht evenredig is met het oppervlak (O), het concentratieverval (C2-C1) en omgekeerd evenredig is met de afgelegde weg (l).
Daarnaast speelt de diffusieconstante (Dc) een rol.
Dc is afhankelijk van de grootte van de molecuul, de temperatuur en het medium (water, gassen) waarin de diffusie plaatsvindt.
Gaswisseling bij insecten
Insecten leven zowel op het land als in het water.
De gaswisseling tussen cellen en omgeving vindt plaats dankzij een stelsel van kleine buisjes.
Het tracheeën stelsel loopt vanuit de huid via vertakkingen naar alle cellen. Daardoor blijft de afstand tussen het uitwendig milieu (de lucht) en de cellen klein.
Speciale openingen in de huid (stigma’s) zorgen ervoor dat de lucht gefilterd in het lichaam komt.
Door het afplatten en opbollen van het achterlichaam kan de lucht ververst worden.
In het water levende insecten (en veel larven van landbewonende soorten) nemen ‘luchtbellen’ mee onder het wateroppervlak.
Waterbewoners
In vergelijking met lucht bevat water per volume eenheid veel minder zuurstof en water is veel zwaarder.
1 liter lucht weegt een fractie van wat 1 liter water weegt. Water verplaatsen kost dus veel meer energie dan lucht verplaatsen. Daarnaast is water een goede warmtegeleider.
Een organisme verliest dus gemakkelijk lichaamswarmte aan het water. Waterbewoners zoals insectenlarven en vissen gebruiken kieuwen als ademhalingsorganen. Kieuwen zijn zo gebouwd dat er een zo groot mogelijk uitwisselingsoppervlak ontstaat, ze zijn rijk doorbloed en vaak erg dun.
Bij vissen liggen de kieuwen opgeborgen in het lichaam. Kieuwdeksels beschermen de kieuwholte met daarin de kieuwen tegen beschadigingen.
Om de gasuitwisseling zo efficiënt mogelijk te laten verlopen wordt gebruik gemaakt van het tegenstroomprincipe.
Bij het tegenstroomprincipe stromen water en bloed tegen elkaar in. Zuurstofrijk water maakt contact met zuurstofrijk bloed en gaande weg staat het water zuurstof af aan het iets zuurstofarmere bloed.
Bekijk de animatie van het tegenstroomprincipe op:
www.bioplek.org/animaties/bloed
De weg van lucht
Om te zorgen voor een efficiënte gaswisseling tussen cellen en hun milieu wordt zuurstof zo dicht mogelijk bij de cellen gebracht.
Koolstofdioxide wordt tegelijkertijd afgevoerd.
De afstand van de lucht die je longen inkomt naar de cellen van je kleine teen
is groot. De gassen uit de lucht worden door het bloed van en naar alle cellen in je lichaam gebracht.
De longblaasjes zijn het contactoppervlak tussen buiten- en binnenwereld.
De beweging van de borstkas zorgt voor de verversing van de aangevoerde lucht.
Dit noem je ventilatie.
We volgen de weg van de lucht vanuit de mondholte naar het bloed.
Van mond tot long
Meestal komt de lucht eerst in de neusholte.
Daar wordt de lucht enigszins gefilterd en bevochtigd. Vervolgens gaat de lucht door de keelholte, langs de huig en langs het strottenklepje naar de luchtpijp.
De luchtpijp wordt opengehouden door kraakbeenringen.
De lucht strijkt langs vochtig trilhaarweefsel dat hetzelfde doet als de neus: vuil weghalen, de temperatuur van de lucht verhogen en bevochtigen. Vervolgens wordt de luchtstroom gesplitst in steeds kleinere buisjes: eerst bronchiën, dan bronchiolen en ten slotte komt de lucht uit in de longblaasjes.
Inademen en uitademen
Het principe van de ademhaling berust op het vergroten en verkleinen van het volume van de longen.
Bij inademing wordt het borstkasvolume groter, daardoor daalt de luchtdruk in de longen en stroomt er lucht naar binnen. Door volumeverkleining wordt de druk hoger en adem je uit.
Het groter en kleiner maken van het borstkasvolume gebeurt door spierwerking en zwaartekracht. Inademen kun je door middel van binnenste tussenribspieren, de kleine borstspieren en het afplatten van het middenrif.
Bij een inademing drukt het middenrif op de buikorganen. Daardoor gaat de buikwand naar voren. Uitademen kun je door de buitenste tussenribspieren in samenwerking met de zwaartekracht en door je buikspieren die de buikwand weer naar achteren trekken.
Bij een inademing komt niet alle verse lucht in de longen. Het laatste beetje blijft in
je mondholte en luchtpijp en dat komt er bij uitademing ook als eerste weer uit.
De lucht in je mondholte en luchtpijp bevindt zich in de dode ruimte.
Borstkas en longen zijn verbonden door twee vliezen met een laagje vocht ertussen: borstvlies, laagje vocht en longvlies. Deze verbinding maakt het mogelijk dat de vliezen ‘aan elkaar plakken’ en ten opzichte van elkaar kunnen verschuiven bij inademing en uitademing. Als de borstkas groter wordt, wordt het longvolume ook groter.
Longcapaciteit
Het longvolume verschilt van mens tot mens. Bij een normale ademhaling wordt niet het gehele longvolume ververst, maar slechts ca. 500 ml lucht.
De uitademreserve is het aantal liter lucht dat je maximaal extra kunt uitademen. De inademreserve is het aantal liter lucht dat je maximaal extra kunt inademen.
Er blijft echter altijd lucht in je longen achter. Dit heet het restvolume of residulucht.
De totale hoeveelheid lucht die iemand kan verversen in één ademhaling is de vitale capaciteit. Hoeveel lucht je in een bepaalde tijd kunt verversen hangt af van de vitale capaciteit en van de snelheid waarmee je de lucht kunt verversen: de ademhalingsfrequentie.
Om te kijken hoeveel liter je per minuut kunt verversen, moet je de maximale ademfrequentie weten plus de hoeveel lucht die je maximaal per ademhaling kunt verversen.
Aangezien één in- en één uitademing samen ongeveer vier seconden duren, zijn er gemiddeld 15 ademhalingen per minuut. Dat betekent een luchtverversing van
500 ml x 15 = 7,5 liter per minuut ofwel 450 liter per uur.
Van longblaasje naar bloed
Er vindt voortdurend uitwisseling plaats van gassen tussen bloed en longlucht. Deze gaswisseling betreft alle in lucht aanwezige gassen, maar voor de ademhaling zijn vooral zuurstof en koolstofdioxide van belang.
Er gaat netto zuurstof van de longlucht naar het bloed en koolstofdioxide van het bloed naar de longlucht (netto wil zeggen dat er meer de ene kant opgaat dan de andere kant, maar dat het wel degelijk beide kanten op gaat).
De celmembranen waar koolstofdioxide en zuurstof doorheen diffunderen zijn de membranen van het longblaasje plus de cellen van het bloedvaatje dat rond de longblaasjes ligt. De zuurstof lost op in het bloedplasma en gaat vandaar uit voornamelijk naar de rode bloedcellen. In de rode bloedcellen bevindt zich een ijzerhoudend eiwit, het hemoglobine. Zuurstof bindt aan het hemoglobine.
Het koolstofdioxide lost voor een groot deel op in het bloedplasma (Kennisbank "Bloed").
Regeling van de ventilatie
Een cel die hard werkt, verbruikt meer zuurstof dan een cel die minder hard werkt. Bij inspanning moeten de ademhalingsspieren dus vaker samentrekken.
Hoe weten de hersenen, met name de hersenstam, dat ze de ademhalingsspieren opdracht moeten geven om sneller samen te trekken?
De hersenstam ontvangt deze informatie van receptoren, die reageren op het koolstofdioxidegehalte van het bloed. En cel die hard werkt, produceert meer koolstofdioxide.
Receptoren in de bloedbaan
Meestal denken we bij zintuigen aan die organen waarmee we de buitenwereld waarnemen:
ogen, oren, reuk, smaak, evenwicht, tast.
Er zijn echter ook zintuigen in ons lichaam actief.
Temperatuursensoren bijvoorbeeld, die reageren op een te hoge of lage temperatuur van je bloed. Er zijn ook chemische sensoren die reageren op een afwijkende pH, een afwijkend koolstofdioxidegehalte of een afwijkend zuurstofgehalte. Deze sensoren bevinden zich in de aortaboog vlak bij het hart en in de halsslagaders.
Rol van de hersenstam
De receptoren in de aorta en halsslagader geven hun informatie door aan het verlengde merg. In het verlengde merg bevinden zich gebieden (centra) die impulsen kunnen versturen aan de ademhalingsspieren (tussenribspieren en middenrif).
Aanpassing van de ademhaling
Wanneer het lichaam een grote inspanning levert meten de koolstofdioxide
receptoren een verhoogd koolstofdioxide gehalte.
De ademhalingsfrequentie gaat omhoog en het ademvolume wordt groter.
De ventilatie wordt efficiënter, er komt meer zuurstof bij de cellen.
De koolstofdioxide concentratie daalt vervolgens.
Er komen minder impulsen uit de receptoren aan in het verlengde merg.
De ademhalingsfrequentie daalt.
Ook een verlaging van de pH door bijvoorbeeld melkzuurproductie leidt tot een
hogere ademhalingsfrequentie, want meer in het bloedplasma opgelost
koolstofdioxide betekent een lagere zuurgraad.
