تنفس
تنفّس (respiration)
فرآیندی سوخت‌وسازی در موجودات زنده. طی آن، مولکول‌های غذا، هیدرات کربن، مخصوصاً گلوکز، برای آزادکردن انرژی می‌شکنند.
موجودات زنده دو نوع تنفس سلولی دارند. هوازی و بی‌هوازی. یاخته‌های همۀ موجودات زنده مدام نیاز به تأمین انرژی دارند. در بیشتر گیاهان و جانوران، انرژی از طریق تنفس هوازي[۱] به‌دست می‌آید. تنفس هوازی فرآیند پیچیده‌ای از واکنش‌های شیمیایی است که در آن، از اکسیژن برای شکستن گلوکز و تولید دی‌اکسیدکربن[۲] و آب استفاده می‌شود و انرژی به‌شکل مولکول‌های حامل انرژی، ای‌تی‌پی، آزاد می‌شود. تنفس سلولی بعضی اوقات بدون اکسیژن صورت می‌گیرد که به تنفس بی‌هوازی معروف است. در این حالت، گلوکز به‌صورت ناقص شکسته می‌شود و محصولات نهایی نیز انرژی و اسیدلاکتیک، یا انرژی و اتانول و دی‌اکسیدکربن‌اند. فرآیند اخیر را تخمیر[۳] می‌نامند.
تنفس داخلی و خارجی. تبادل اکسیژن و دی‌اکسید کربن بین بافت‌های بدن و محیط را تنفس خارجی یا تهویه (← تبادل_گاز) می‌نامند. در مهره‌داران دارای تنفس هوایی، تبادل درکیسه‌های هوایی شش‌ها[۴] صورت می‌گیرد و حرکات ماهیچه‌های تنفسی به فرآیند کمک می‌کند. تنفس یاخته‌ای تنفس داخلی است و در همه موجودات عالی، در میتوکندری‌ها[۵] صورت می‌گیرد. این فرآیند دو مرحله دارد: مرحلۀ اول نیازی به اکسیژن ندارد و شکلی از تنفس بی‌هوازی[۶] است. مرحلۀ دوم، که مرحلۀ تولید اصلی انرژی است، به اکسیژن نیاز دارد و آن را چرخۀ کربس[۷] می‌نامند.
تولید اِی‌تی‌پی. بسیاری از فرآیند‌های سوخت‌وساز درون یاخته‌ها به آنزیم‌ها وابسته‌اند. تنفس، مجموعۀ پیچیده‌ای از واکنش‌هاست که حدود ۷۰ آنزیم گوناگون در آن نقش کاتالیزوری دارند. انرژی در این فرآیند طی چند مرحله آزاد می‌شود که حدود سه چهارم از آن به‌شکل گرماست. انرژی گرمایی، که یاخته آن را استفاده نمی‌کند، هدر می‌رود، ولی انرژی غیرگرمایی آزادشده به‌صورت مادۀ آماده و قابل دسترسی با نام اِی‌تی‌پی، آدنوزین تری فسفات، در یاخته ذخیره می‌شود. در تنفس هوازی، مولکول‌های گلوکز کاملاً می‌شکنند و همۀ انرژی مفید را آزاد می‌کنند. دی‌اکسیدکربن و آب محصولات جانبی این فرآیندند: انرژی + آب + دی‌اکسیدکربن → اکسیژن + گلوکز در تنفس بی‌هوازی، مولکول‌های گلوکز فقط تا حد مشخصی می‌شکنند، به‌قسمی که فقط بخشی از این انرژی آزاد می‌شود و به‌جای دی‌اکسید کربن و آب، محصولات جانبی دی‌اکسیدکربن و اتانول یا اسید لاکتیک پدید می‌آید: انرژی + دی‌اکسیدکربن + اتانول → گلوکز انرژی + اسید لاکتیک → گلوکز بنابراین، در حالی‌که در تنفس هوازی یک مولکول گلوکز ممکن است ۳۸ مولکول اِی‌تی‌پی تولید کند، در تنفس بی‌هوازی فقط دو مولکول اِی‌تی‌پی به ازای هر مولکول گلوکز تولید می‌شود.
تأمین گلوکز. بنا به معادلات بالا، مادۀ ضروری و لازم برای تولید انرژی گلوکز است. گیاهان قادرند گلوکز را از طریق فتوسنتز تولید کنند، ولی جانوران چنین توانایی ندارند و نیازمند دستیابی غیرمستقیم به گلوکز و هیدرات‌های کربن تولیدشده در گیاهان‌اند. بنابراین، گیاهان تولیدکننده و جانوران مصرف‌کننده‌اند.
تأمین اکسیژن. اکسیژن این معادلات از روش‌های گوناگون به‌دست می‌آید. گیاهان و جانوران اکسیژن خود را مستقیماً از محیط اطرافشان به‌دست می‌آورند. بخشی از موجود زنده، که اکسیژن از آن‌جا وارد می‌شود، «سطح تنفسی» نام دارد. دی‌اکسیدکربن، که محصول جانبی این معادله است، از سطح تنفسی بدن موجود زنده خارج می‌شود. به این فرآیند تبادل گازی می‌گویند.
سیستم‌های انتقال موجودات پریاخته‌ای. در موجودات تک‌یاخته‌ای اکسیژن سریعاً به مرکز موجود زنده راه می‌یابد، ولی در موجودات بزرگ‌تر و پیچیده‌تر، نظیر انسان، که دارای تعداد فراوانی یاخته‌اند، این کار عملی نیست و لذا، در این موجودات، دستگاه گردش خون، اکسیژن را به همۀ یاخته‌های بدن می‌رساند و دفع دی‌اکسیدکربن از آنها را نیز برعهده دارد.
شش‌ها. مشکل دیگر موجودات بزرگ‌تر تدارک اکسیژن کافی برای فراهم‌کردن انرژی لازم برای بدن است. از آن‌جا که نسبت سطح به حجم با افزایش اندازۀ بدن کاهش می‌یابد، شش‌ها این مشکل را در موجودات بزرگ‌تر رفع می‌کنند و سطوح تنفسی وسیع‌تری را فراهم می‌کنند. هر شش تعداد فراوانی کیسه‌های هوایی کوچک دارد که در آن‌جا اکسیژن به خون انتشار می‌یابد. هوای اکسیژن‌دار هم از راه بینی و هم از راه دهان وارد بدن می‌شود و از نای عبور می‌کند. سپس، به بخش فوقانی بدن، قفسۀ سینه، می‌رود و در آن‌جا به دو شاخه تقسیم می‌شود: نایژۀ راست و نایژۀ چپ. هر نایژه به یک شش وارد می‌شود و سپس، به تعداد بسیاری لوله‌های کوچک، با نام نایژک، تقسیم می‌شود. در انتهای هر نایژک، کیسه‌های هوایی قرار دارند. این کیسه‌ها سطوح تنفسی‌اند که تبادل گاز در آن‌جا صورت می‌گیرد. هوا از طریق تنفس (دم و بازدم) به شش‌ها وارد و خارج می‌شود. دو دسته ماهیچه به این فرآیند کمک می‌کنند: ماهیچه‌های بین دنده‌ای، که بین دنده‌ها قرار دارند، و ماهیچۀ دیافراگم. هنگامی که این دو دسته از ماهیچه‌ها متناوباً منقبض و منبسط می‌شوند، هوا به شش‌ها وارد (دم) و از آن خارج می‌شود (بازدم). شش‌ها را دو غشا، با نام پرده جنب، می‌پوشاند که بین آنها سیالی واقع است. مایع جنب شش‌ها را لیز می‌کند و احتمال سائیده‌شدن یا چسبیدن آنها به قفسه سینه را در هنگام بالا و پایین‌شدن طی عمل دم و بازدم کاهش می‌دهد. اگر قفسۀ سینه براثر واقعه‌ای مانند تصادف سوراخ شود، فشار هوای مایع جنب با فشار هوا برابر می‌شود و درنتیجه، شش‌ها متلاشی می‌شوند.
قرض اکسیژن. اکسیژن از شش‌ها به سیستم گردش خون وارد می‌شود و از طریق رگ‌ها به همۀ یاخته‌ها در همۀ بخش‌های بدن انتقال می‌یابد. اِی‌تی‌پی، که میتوکندری‌ها آن را در ماهیچه‌ها تولید می‌کنند، توان لازم برای موجود زنده را فراهم می‌کند. زمانی که لازم است دسته‌ای از ماهیچه‌ها به‌سختی کار کنند، مثل عضلات پا در هنگام دویدن، لازم است تولید انرژی افزایش یابد. اگر انرژی لازم بیش از مقدار تولیدشده طی تنفس هوازی باشد، انرژی مازاد از طریق تنفس بی‌هوازی تولید می‌شود. در این حالت، گلوکز خون قبل از ترکیب با اکسیژن می‌شکند و اسید لاکتیک پدید می‌آید. هنگامی که فعالیت متوقف می‌شود و مقدار انرژی لازم به مقدار طبیعی خود برمی‌گردد، لازم است اسید لاکتیک تولیدشده از طریق اکسیژن شکسته شود. به همین دلیل، پس از فعالیت سرعت دم و بازدم و ضربان قلب افزایش می‌یابد. به انرژی مازادی که بدون اکسیژن به‌دست آمده است، قرض اکسیژن می‌گویند.
اختلالات. عملکرد مطلوب دستگاه تنفسی وابسته به دو عامل است: تأمین کافی مواد اصلی (اکسیژن و گلوکز)، و فعالیت مؤثر همۀ اندام‌ها، بافت‌ها، و فرآیند‌های سوخت‌وساز درگیر در آنها. تغییر یا اختلال در هر یک از این عوامل بر کل فرآیند، و درنتیجه بر سلامتی بدن اثر می‌گذارد. اختلال ممکن است براثر تغییر در میزان جذب اکسیژن یا قند، و فساد یا خرابی اندام‌ها و بافت‌های بدن براثر تصادف، پیری یا بیماری[۸] رخ دهد.
سیگارکشیدن. دود سیگار تغییراتی اساسی در دستگاه تنفسی ایجاد می‌کند که هم به شش‌ها و هم به قلب و رگ‌های خونی آسیب می‌رساند.