Bài học

Trao đổi khí ở phổi và ở tế bào

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được chiều khuếch tán của oxygen và carbon dioxide tại phế nang và tại tế bào dựa trên chênh lệch nồng độ khí, và nêu được những đặc điểm cấu tạo giúp phế nang trao đổi khí hiệu quả.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã biết không khí được đưa vào phổi nhờ chênh lệch áp suất do cơ hoành và cơ liên sườn tạo ra (same-grade bridge). Ở lớp 7, em đã học hô hấp tế bào — quá trình tế bào dùng oxygen để giải phóng năng lượng và thải ra carbon dioxide (prior-grade review). Bài này nối hai kiến thức đó lại: không khí vào tới phế nang rồi, oxygen còn phải đi tiếp một quãng đường nữa mới tới được từng tế bào — bằng cách nào, nếu không có cơ nào "bơm" riêng cho từng phân tử khí?

Khởi động

Khi em hít vào, không khí giàu oxygen dừng lại ở phế nang trong phổi, chứ không "đi thẳng" tới từng tế bào trong cơ thể. Vậy oxygen di chuyển từ phế nang vào máu, rồi từ máu vào tế bào, bằng cách nào?

Kiến thức trọng tâm

Mỗi chất khí luôn tự di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp — gọi là khuếch tán — mà không cần một lực bơm chủ động nào, giống hệt cách áp suất đẩy không khí vào phổi ở bài trước. Toàn bộ sự trao đổi khí trong cơ thể người diễn ra theo đúng cơ chế khuếch tán này, tại hai vị trí khác nhau: phế nang và tế bào.

Tại phế nang: không khí vừa hít vào còn giàu oxygen, trong khi máu vừa từ tim tới đã "dùng bớt" oxygen ở vòng tuần hoàn trước — nồng độ oxygen trong phế nang cao hơn trong máu, nên oxygen khuếch tán từ phế nang vào máu. Ngược lại, máu tới phế nang mang theo carbon dioxide do các tế bào khắp cơ thể thải ra, nên nồng độ carbon dioxide trong máu lúc này cao hơn trong phế nang — carbon dioxide khuếch tán từ máu vào phế nang, để được đưa ra ngoài ở lần thở ra tiếp theo.

Tại tế bào: sau khi rời phổi, máu giàu oxygen được tim bơm tới tận các mô. Tế bào liên tục tiêu thụ oxygen cho hô hấp tế bào, nên nồng độ oxygen trong tế bào luôn thấp hơn trong máu — oxygen khuếch tán từ máu vào tế bào. Ngược lại, tế bào liên tục tạo ra carbon dioxide, nên nồng độ carbon dioxide trong tế bào cao hơn trong máu — carbon dioxide khuếch tán từ tế bào vào máu, để máu mang nó trở lại phổi. Ở cả hai vị trí, chiều khuếch tán của oxygen và carbon dioxide luôn ngược nhau, và luôn đi từ nơi nồng độ cao sang nơi nồng độ thấp.

Số liệu theo bảng thành phần khí hít vào – thở ra trong SGK. Oxygen giảm và carbon dioxide tăng sau khi qua phổi, vì một phần oxygen đã khuếch tán vào máu còn carbon dioxide từ máu khuếch tán vào phế nang.

Khí thở ra vì vậy không phải là không khí "mới" — nó là phần không khí hít vào sau khi đã nhường bớt oxygen cho máu và nhận thêm carbon dioxide từ máu, trong lúc lưu lại ở phế nang. Khí còn đọng lại ngay trong phế nang, trước khi được thở ra, có thành phần gần với khí thở ra hơn là khí hít vào, vì đó chính là nơi vừa xảy ra trao đổi khí.

Phế nang trao đổi khí hiệu quả nhờ bốn đặc điểm cấu tạo phối hợp với nhau: số lượng phế nang trong hai lá phổi cực lớn, khiến tổng diện tích bề mặt trao đổi khí lớn hơn diện tích da toàn thân hàng chục lần; thành phế nang chỉ dày một lớp tế bào duy nhất, nên khí chỉ cần khuếch tán qua một quãng đường rất ngắn; mạng lưới mao mạch bao quanh mỗi phế nang dày đặc, máu luôn "chờ sẵn" ngay sát nơi khí đi qua; và bề mặt phế nang luôn ẩm ướt, giúp khí hoà tan trước khi khuếch tán qua màng tế bào.

Số lượng phế nang lớn làm tăng tổng diện tích tiếp xúc; ba đặc điểm còn lại đều rút ngắn quãng đường hoặc tăng tốc độ khí đi qua màng.

Ví dụ

Xác định chiều khuếch tán tại phế nang

1
Ngay sau khi hít vào, nồng độ oxygen trong phế nang cao hơn nồng độ oxygen trong máu vừa tới phổi. Oxygen sẽ khuếch tán theo chiều nào, và vì sao?
2
Theo nguyên lý khuếch tán, khí luôn tự di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp.
3
Vì nồng độ oxygen trong phế nang cao hơn trong máu, chiều khuếch tán phải đi từ phế nang sang máu.
4
Chiều ngược lại cũng đúng với carbon dioxide: máu tới phổi mang nhiều carbon dioxide hơn phế nang, nên carbon dioxide khuếch tán từ máu vào phế nang — đúng như nguyên lý đã nêu, không có ngoại lệ.
5
Vậy tại phế nang, oxygen khuếch tán từ phế nang vào máu, còn carbon dioxide khuếch tán từ máu vào phế nang, vì mỗi khí luôn đi từ nơi nồng độ cao sang nơi nồng độ thấp của chính nó.

Ví dụ

Trao đổi khí ở tế bào khi cơ thể vận động mạnh (dạng đề kiểm tra)

1
Khi một học sinh chạy nhanh, các tế bào cơ tiêu thụ oxygen nhanh hơn nhiều so với lúc nghỉ ngơi. Hãy giải thích tốc độ khuếch tán oxygen từ máu vào tế bào cơ lúc này thay đổi ra sao so với lúc nghỉ ngơi, và vì sao nhịp thở, nhịp tim đều tăng khi vận động.
2
Tế bào cơ tiêu thụ oxygen nhanh hơn khi vận động, nên nồng độ oxygen bên trong tế bào giảm mạnh hơn so với lúc nghỉ ngơi.
3
Chênh lệch nồng độ oxygen giữa máu và tế bào lúc này lớn hơn bình thường; khuếch tán diễn ra nhanh hơn khi chênh lệch nồng độ lớn hơn, nên oxygen khuếch tán từ máu vào tế bào cơ nhanh hơn lúc nghỉ ngơi. (1)
4
Vận động mạnh cũng khiến tế bào cơ tạo ra nhiều carbon dioxide hơn, làm chênh lệch nồng độ carbon dioxide giữa tế bào và máu cũng lớn hơn, nên carbon dioxide khuếch tán từ tế bào vào máu nhanh hơn. (2)
5
Vậy từ (1) và (2), khi vận động mạnh, tốc độ trao đổi khí ở tế bào tăng lên; để đáp ứng đủ oxygen và mang carbon dioxide đi kịp, nhịp thở và nhịp tim đều phải tăng theo, nhằm đưa nhiều máu giàu oxygen tới tế bào hơn trong cùng một thời gian.

Sai lầm thường gặp

Một nhầm lẫn thường gặp là nghĩ tim "bơm" từng phân tử oxygen qua màng tế bào, giống như cách tim bơm máu đi khắp cơ thể. Thực ra tim chỉ bơm cả dòng máu đi; việc oxygen và carbon dioxide đi qua thành phế nang hay thành tế bào hoàn toàn là khuếch tán tự nhiên theo chênh lệch nồng độ, không có bộ phận nào "bơm" riêng cho từng phân tử khí. Một nhầm lẫn khác là nghĩ oxygen luôn khuếch tán vào tế bào còn carbon dioxide luôn khuếch tán ra — điều này chỉ đúng ở tế bào; tại phế nang, chiều của oxygen là đi vào máu, không phải đi vào tế bào.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Tại phế nang: oxygen đi từ phế nang vào máu, carbon dioxide đi từ máu vào phế nang. Tại tế bào: oxygen đi từ máu vào tế bào, carbon dioxide đi từ tế bào vào máu. Cả hai đều là khuếch tán theo chênh lệch nồng độ, và phế nang trao đổi khí hiệu quả nhờ diện tích lớn, thành mỏng, mao mạch dày đặc và bề mặt ẩm.

Bài tiếp theo học điều gì xảy ra khi chính những cấu trúc mỏng manh này — đường dẫn khí và phế nang — bị bệnh tật hoặc khói thuốc lá làm tổn thương.