Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
I. Vai trò của hô hấp
Hô hấp là quá trình lấy $O_2$ liên tục từ môi trường cung cấp cho hô hấp tế bào, tạo năng lượng cho hoạt động sống, đồng thời thải $CO_2$ sinh ra từ quá trình chuyển hóa ra ngoài.
Đối với động vật, hô hấp có những vai trò sau:
| STT | Vai trò | Chi tiết |
|---|---|---|
| 1 | Cung cấp $O_2$ | Lấy $O_2$ từ môi trường sống cung cấp cho hô hấp tế bào, tạo năng lượng ATP cho các hoạt động sống của cơ thể |
| 2 | Thải $CO_2$ | Thải $CO_2$ sinh ra từ hô hấp tế bào vào môi trường, đảm bảo cân bằng môi trường trong cơ thể |
Cơ thể động vật bắt buộc phải lấy $O_2$ từ môi trường và thải $CO_2$ ra ngoài vì: hô hấp tế bào sử dụng $O_2$ để oxi hóa chất hữu cơ tạo năng lượng ATP, đồng thời sinh ra $CO_2$ là sản phẩm phụ. Nếu thiếu $O_2$, tế bào không tạo được năng lượng; nếu $CO_2$ tích lũy sẽ gây độc cho cơ thể.
Các giai đoạn hô hấp ở người và Thú:
Quá trình hô hấp ở người và Thú gồm 5 giai đoạn liên quan mật thiết với nhau:
- Thông khí (hít vào và thở ra)
- Trao đổi khí ở phổi ($O_2$ khuếch tán từ phế nang vào máu, $CO_2$ khuếch tán từ máu vào phế nang)
- Vận chuyển khí (máu vận chuyển $O_2$ và $CO_2$ hòa tan)
- Trao đổi khí ở mô ($O_2$ khuếch tán từ máu vào tế bào, $CO_2$ khuếch tán từ tế bào vào máu)
- Hô hấp tế bào (sử dụng $O_2$ oxi hóa chất hữu cơ → $CO_2$ + $H_2O$ + ATP)
Các giai đoạn này liên quan mật thiết: thông khí tạo điều kiện cho trao đổi khí ở phổi, máu vận chuyển khí đến mô, tại mô diễn ra trao đổi khí cung cấp $O_2$ cho hô hấp tế bào. Nếu một giai đoạn bị gián đoạn, toàn bộ quá trình hô hấp sẽ bị ảnh hưởng.
Lưu ý quan trọng:
- Nồng độ $O_2$ khi thở ra thấp hơn so với hít vào vì một lượng $O_2$ đã khuếch tán vào máu trước khi ra khỏi phổi.
- Nồng độ $CO_2$ thở ra cao hơn so với hít vào vì $CO_2$ khuếch tán từ mao mạch phổi vào phế nang trước khi đi ra khỏi phổi.
- Hô hấp ở động vật bao gồm: trao đổi khí và hô hấp tế bào.
II. Các hình thức trao đổi khí
Ở động vật, bộ phận hoặc cơ quan thực hiện trao đổi khí $O_2$ và $CO_2$ với môi trường gọi là bề mặt trao đổi khí. Bề mặt trao đổi khí là cơ quan chuyên hóa như da, mang, phổi, hệ thống ống khí hoặc bề mặt cơ thể.
Hai nguyên lí trao đổi khí:
Trao đổi khí $O_2$ và $CO_2$ qua bề mặt trao đổi khí dựa trên hai nguyên lí:
- Khuếch tán từ nơi có phân áp cao sang nơi có phân áp thấp
- Khuếch tán qua bề mặt mỏng, ẩm ướt
Đặc điểm của bề mặt trao đổi khí hiệu quả:
| Đặc điểm | Ý nghĩa |
|---|---|
| Diện tích bề mặt lớn | Tăng lượng khí trao đổi trong một đơn vị thời gian |
| Mỏng và luôn ẩm ướt | Giúp khí khuếch tán dễ dàng qua bề mặt |
| Có nhiều mao mạch | Tăng hiệu quả vận chuyển khí đến/từ tế bào |
| Có sắc tố hô hấp | Tăng khả năng liên kết và vận chuyển $O_2$ |
| Có sự lưu thông khí | Tạo chênh lệch nồng độ khí, duy trì gradient khuếch tán |
Tất cả động vật đều có xu hướng tối ưu hóa tốc độ khuếch tán khí qua việc tăng diện tích bề mặt trao đổi khí và thông khí.
1. Trao đổi khí qua bề mặt cơ thể
Trao đổi khí qua bề mặt cơ thể thấy ở động vật không có cơ quan trao đổi khí chuyên hóa thuộc ngành Ruột khoang, Giun dẹp, Giun tròn… và cũng gặp ở động vật có cơ quan trao đổi khí chuyên hóa như Giun đốt, ếch… Khí $O_2$ và $CO_2$ khuếch tán qua toàn bộ bề mặt cơ thể của các động vật này.
Ở thủy tức: $O_2$ và $CO_2$ khuếch tán trực tiếp qua lớp tế bào biểu bì và lớp tế bào lót khoang tiêu hóa. Do cơ thể thủy tức chỉ có hai lớp tế bào nên mọi tế bào đều tiếp xúc trực tiếp với môi trường nước, thuận lợi cho trao đổi khí.
Ở giun đất: Mạch bụng đưa máu giàu $CO_2$ đến hệ thống mao mạch trên khắp bề mặt da để thực hiện trao đổi khí. $CO_2$ khuếch tán từ máu qua da ra ngoài, $O_2$ khuếch tán từ môi trường qua da vào máu. Mạch lưng nhận máu giàu $O_2$ từ da và nội quan về, các tim bên bơm máu đi nuôi cơ thể.
Lưu ý: Ếch trưởng thành có phổi nhưng phổi ít phế nang, nên trao đổi khí diễn ra chủ yếu qua da. Ếch là động vật vừa hô hấp bằng phổi vừa qua da.
2. Trao đổi khí qua hệ thống ống khí
Côn trùng và một số chân khớp khác sống trên cạn trao đổi khí qua hệ thống ống khí.
Cấu tạo hệ thống ống khí:
Hệ thống ống khí bao gồm các ống khí lớn phân nhánh thành các ống khí nhỏ dần (ống khí trung bình → ống khí nhỏ), và ống khí nhỏ nhất là ống khí tận. Số lượng ống khí rất nhiều, tạo ra bề mặt trao đổi khí rất lớn với tế bào. Ống khí tận là nơi trao đổi khí $O_2$ và $CO_2$ trực tiếp với tế bào (không cần qua máu vận chuyển). Các ống khí thông với bên ngoài qua các lỗ thở. Lỗ thở có van đóng, mở điều tiết không khí ra, vào ống khí.
Thông khí ở côn trùng:
Thông khí ở côn trùng là nhờ hoạt động của các cơ hô hấp làm thay đổi thể tích khoang thân (co dãn thành bụng), phối hợp với đóng, mở các van lỗ thở. Thông khí tạo ra sự chênh lệch về phân áp khí $O_2$ và $CO_2$ giữa không khí trong ống khí tận và tế bào cơ thể, nhờ đó các tế bào cơ thể thực hiện trao đổi khí $O_2$ và $CO_2$ với không khí.
Lưu ý quan trọng: Ở côn trùng (như châu chấu), lỗ thở nằm ở hai bên thành bụng. Vì vậy, nếu ngâm châu chấu với phần bụng ngập trong nước (lỗ thở bị bịt kín), châu chấu sẽ chết vì không thể trao đổi khí. Ngược lại, nếu chỉ ngập phần đầu mà bụng nhô lên, châu chấu vẫn thở được.
3. Trao đổi khí qua mang
Mang là cơ quan trao đổi khí chuyên hóa của động vật sống trong môi trường nước như Thân mềm, Chân khớp, Cá sụn, Cá xương, nòng nọc lưỡng cư…
Cấu tạo mang cá xương:
Cá xương có một đôi mang, mỗi mang nằm trong một khoang mang. Mỗi mang được cấu tạo từ các cung mang, sợi mang và phiến mang:
- Mỗi mang có 4 cung mang
- Mỗi cung mang có hàng trăm sợi mang
- Mỗi sợi mang có nhiều phiến mang
Đặc điểm cấu tạo này của mang tạo ra diện tích trao đổi khí rất lớn. Hệ thống mao mạch trên phiến mang là nơi trao đổi khí $O_2$ và $CO_2$ với dòng nước chảy qua phiến mang.
Dòng chảy song song và ngược chiều:
Cách sắp xếp mao mạch trong mang của Cá xương khác với các loài có mang khác, đó là dòng máu trong mao mạch chảy song song và ngược chiều với dòng nước đi qua phiến mang, nhờ đó tối ưu hóa trao đổi khí giữa máu mao mạch với nước. Nhờ đặc điểm này, cá xương có thể lấy được hơn 80% lượng $O_2$ của nước đi qua mang.
Thông khí ở cá xương:
Thông khí ở cá xương là nhờ hoạt động của các cơ hô hấp làm thay đổi thể tích khoang miệng và khoang mang, làm cho dòng nước giàu $O_2$ đi qua mang theo một chiều liên tục, không bị ngắt quãng.
| Giai đoạn | Diễn biến |
|---|---|
| Hít vào | Miệng mở ra → nắp mang đóng → nền khoang miệng hạ xuống → khoang miệng và khoang mang rộng ra → nước vào |
| Thở ra | Miệng ngậm lại → nền khoang miệng nâng lên → khoang miệng và khoang mang hẹp lại → nắp mang mở ra → nước đi ra qua mang |
Lưu ý quan trọng:
- Khi cá thở ra, thể tích khoang miệng giảm, áp suất trong khoang miệng tăng → nước từ khoang miệng bị đẩy qua mang ra ngoài.
- Khoang mang không phải thành phần cấu tạo nên mang (mang gồm: cung mang, sợi mang, phiến mang). Khoang mang chỉ là khoang chứa mang.
- Cá lên cạn sẽ chết trong thời gian ngắn vì: các phiến mang dính lại khi không có nước → diện tích trao đổi khí giảm rất nhỏ, đồng thời mang bị khô → không thể trao đổi khí được.
4. Trao đổi khí qua phổi
Phổi là cơ quan trao đổi khí chuyên hóa của nhiều động vật sống trên cạn như Bò sát, Chim và Thú. Lưỡng cư cũng có phổi nhưng phổi ít phế nang nên trao đổi khí diễn ra chủ yếu qua da.
a) Phổi người và Thú
Cấu tạo hệ hô hấp người:
Phổi cùng với đường dẫn khí (khí quản → phế quản → phế quản tận) và cơ hô hấp tạo nên hệ hô hấp của người. Phổi được tạo thành từ hàng triệu phế nang nên diện tích bề mặt trao đổi khí rất lớn (từ 100 m² đến 120 m², gấp hơn 50 lần diện tích da). Phế nang là đơn vị nhỏ nhất trong phổi, được sắp xếp thành từng chùm giống chùm nho. Phế nang có hệ thống mao mạch bao quanh dày đặc. Máu chảy trong các mao mạch trao đổi khí $O_2$ và $CO_2$ với dòng không khí ra, vào phế nang: $O_2$ khuếch tán từ phế nang vào máu, $CO_2$ khuếch tán từ máu vào phế nang.
Thông khí ở phổi người:
Thông khí ở phổi người là nhờ hoạt động của các cơ hô hấp làm thay đổi thể tích lồng ngực và thể tích phổi.
| Giai đoạn | Hoạt động cơ | Thể tích lồng ngực | Kết quả |
|---|---|---|---|
| Hít vào | Cơ liên sườn co + Cơ hoành co | Lồng ngực và phổi dãn rộng | Không khí đi vào phổi |
| Thở ra | Cơ liên sườn dãn + Cơ hoành dãn | Lồng ngực và phổi nhỏ hẹp lại | Không khí đi ra khỏi phổi |
Kiểu thông khí này (khi hít vào, lồng ngực và phổi dãn rộng ra, kéo không khí từ ngoài vào phổi) được gọi là thông khí nhờ áp suất âm. Bò sát, Chim và Thú thông khí nhờ áp suất âm.
Lưu ý: Lưỡng cư thông khí theo cơ chế khác: nhờ sự nâng lên và hạ xuống của thềm miệng (áp suất dương), không phải nhờ cơ liên sườn và cơ hoành.
b) Phổi chim
Phổi chim có cấu tạo và hoạt động khác so với phổi người và Thú.
Đặc điểm cấu tạo phổi chim:
- Phổi chim thông với hệ thống túi khí (gồm nhóm túi khí trước và nhóm túi khí sau)
- Phổi chim không có phế nang
- Ở Chim, phế quản phân nhánh thành các ống khí rất nhỏ, gọi là mao mạch khí
- Không khí trong các mao mạch khí trao đổi khí $O_2$ và $CO_2$ với máu trong các mao mạch máu
Dòng chảy song song và ngược chiều ở phổi chim:
Phổi chim cũng có hiện tượng dòng chảy song song và ngược chiều như Cá xương, đó là chiều máu chảy trong các mao mạch máu song song và ngược chiều với dòng không khí lưu thông trong các mao mạch khí. Đặc điểm này giúp tối ưu hóa trao đổi khí.
Thông khí ở phổi chim:
Thông khí ở phổi chim là nhờ hoạt động của các cơ hô hấp làm thay đổi thể tích khoang thân và thể tích hai nhóm túi khí trước và sau.
| Giai đoạn | Diễn biến |
|---|---|
| Hít vào | Không khí giàu $O_2$ đi vào phổi và vào nhóm túi khí sau |
| Thở ra | Không khí giàu $O_2$ từ nhóm túi khí sau lại đi vào phổi |
Điều này có nghĩa là cả khi hít vào và khi thở ra đều có không khí giàu $O_2$ đi qua phổi theo một chiều, liên tục và không có khí cặn. Đây là lý do phổi chim là cơ quan hô hấp trao đổi khí hiệu quả nhất trong các loài động vật.
So sánh phổi Thú và phổi Chim:
| Tiêu chí | Phổi Thú | Phổi Chim |
|---|---|---|
| Đơn vị trao đổi khí | Phế nang | Mao mạch khí |
| Túi khí | Không có | Có (thông với phổi) |
| Dòng chảy ngược chiều | Không có | Có (máu ↔ mao mạch khí) |
| Khí cặn | Có (khí tồn dư trong phế nang) | Không có |
| Dòng khí qua phổi | Hai chiều (ra vào phế nang) | Một chiều, liên tục |
III. Bệnh về hô hấp
Bệnh hô hấp ở người có rất nhiều và gây ra hậu quả xấu đối với sức khỏe, thậm chí gây tử vong.
Phân loại bệnh hô hấp:
| Vị trí | Ví dụ |
|---|---|
| Bệnh ở đường dẫn khí | Viêm mũi, viêm xoang, viêm phế quản, ung thư khí quản… |
| Bệnh ở phổi | Viêm phổi, lao phổi… |
Bệnh hô hấp do nhiều nguyên nhân khác nhau, trong số đó, ô nhiễm không khí và khói thuốc lá là nguyên nhân hàng đầu.
Ô nhiễm không khí:
Không khí bị ô nhiễm chứa các tác nhân gây bệnh như virus, vi khuẩn, nấm mốc và các khí độc hại như CO, $SO_2$, $NO_2$, $CH_4$, Pb, bụi lớn nhỏ các loại… Các tác nhân gây bệnh này đến từ nhiều nguồn khác nhau như hoạt động công nghiệp, giao thông vận tải, cháy rừng…
Tác hại của khói thuốc lá:
Khói thuốc lá chứa nhiều chất độc hại không chỉ gây ra những hậu quả xấu cho sức khỏe người hút thuốc lá mà còn gây ra những hậu quả tương tự đối với người hít phải khói thuốc lá do người khác hút (hút thuốc thụ động).
| Chất hóa học trong khói thuốc lá | Tác động lên cơ thể |
|---|---|
| Nicotin | Gây nghiện, tăng nhịp tim, tăng huyết áp, tăng nguy cơ hình thành cục máu đông |
| Carbon monoxide (CO) | Kết hợp với hemoglobin, làm giảm khả năng vận chuyển $O_2$ của máu |
| Tar (hỗn hợp chất hóa học) | Gây nguy cơ ung thư phổi, họng, miệng; làm tê liệt lông rung trong đường dẫn khí |
| Các chất gây kích thích (hydrogen cyanide, acrolein…) | Gây tiết nhiều dịch nhày làm tê liệt lông rung trong đường dẫn khí, dịch nhày bám giữ khiến các hạt khói thuốc lá không được đẩy lên hầu → viêm, hẹp đường dẫn khí, gây khó thở và ho |
Ý nghĩa của việc xử phạt hút thuốc lá nơi công cộng và cấm trẻ em dưới 16 tuổi hút thuốc lá:
Xử phạt người hút thuốc lá ở nơi công cộng (cơ quan, trường học, bệnh viện…) nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng, đặc biệt là những người không hút thuốc nhưng phải hít khói thuốc thụ động. Cấm trẻ em dưới 16 tuổi hút thuốc lá vì cơ thể trẻ em đang trong giai đoạn phát triển, hệ hô hấp chưa hoàn thiện nên rất dễ bị tổn thương bởi các chất độc trong khói thuốc, đồng thời trẻ em dễ bị nghiện nicotin hơn người trưởng thành.
IV. Lợi ích của luyện tập thể dục, thể thao đối với hô hấp
Rèn luyện thể dục, thể thao tác động rõ rệt đến hệ hô hấp. Cơ hô hấp phát triển hơn (to hơn, săn chắc hơn, co khỏe hơn), dẫn đến:
| Chỉ số | Thay đổi | Giải thích |
|---|---|---|
| Thể tích khí lưu thông | Tăng | Thể tích khí khi hít vào hoặc khi thở ra bình thường lớn hơn |
| Thông khí phổi/phút | Tăng | = Thể tích khí lưu thông × nhịp thở. Dù nhịp thở giảm nhưng thể tích khí lưu thông tăng nhiều hơn |
| Nhịp thở | Giảm | Mỗi lần hít thở sâu hơn, hiệu quả hơn nên không cần thở nhiều lần |
Cô Nguyễn Ngọc Châu
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Sinh Học THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Sinh học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ AT sinh học, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Trần Phú