การแลกเปลี่ยนแก๊สของพืช ภาษาอังกฤษ

พืชจะมีส่วนของแผ่นใบ (blade) ที่แผ่ขยายออกไป และมีก้านใบ (petiole) เชื่อมอยู่กับลำต้นหรือกิ่ง ใบที่แผ่ออกไปเป็นการเพิ่มพื้นที่ในการรับแสง เพื่อนำไปใช้เป็นพลังงานในกระบวนการสังเคราะห์แสง (photosynthesis)

ปากใบของพืช (stomata)  มีหน้าที่สำคัญคือเป็นทางเข้าออกของน้ำและอากาศของพืชโดยตรง ซึ่งปากใบของพืชส่วนใหญ่จะอยู่ทางด้านล่างผิวใบของพืช เพราะเป็นที่รู้จักกันคือพืชต่างๆจะสังเคราะห์แสงได้ดีในช่วงที่มีแสงแดดมาก ปากใบจึงต้องอยู่ด้านล่างของพืช และผิวใบด้านบนของพืชก็จะมีสารคิวทินเคลือบอยู่หนา ซึ่งก็จะช่วยลดการคายน้ำออกทางปากใบพืชได้อีกทางหนึ่ง

ปากใบของพืช (stomata) เป็นเซลล์ชนิดหนึ่งที่มีลักษณะพิเศษเรียกว่าเซลล์คุม (guard cell) มีรูปร่างคล้ายเมล็ดถั่วสองอันประกบกัน และมีเซลล์ประกอบ (subsidiary cell) อยู่โดยรอบปากใบเป็นช่องทางให้น้ำแพร่ออกจากช่องว่างภายในใบสู่อากาศ และขณะเดียวกันก็เป็นช่องทางให้คาร์บอนไดออกไซด์แพร่จากอากาศเข้าสู่ช่องว่างภายในใบได้ ปากใบมีอยู่ทั้งด้านบนและด้านล่างของแผ่นใบ พืชส่วนใหญ่จะมีจำนวนปากใบด้านล่างของแผ่นใบมากกว่าด้านบน ผิวของแผ่นใบจะมีไขมันเคลือบอยู่หนาเพื่อลดการคายน้ำ ใบพืชจะมีจำนวนและขนาดของปากใบกระจายทั่วแผ่นใบไม่สม่ำเสมอกัน ปากใบไม่ได้มีอยู่เฉพาะบนแผ่นใบเท่านั้น ยังพบปากใบอยู่บนผิวของผลได้ด้วยเช่นกัน เช่น ผิวของผลมังคุด การลำเลียงธาตุอาหารที่อาศัยการไหลไปกับกระแสของการคายน้ำ เมื่อปากใบของผิวผลปิดแคบลง ในช่วงที่ฝนตกชุก (ไอน้ำในอากาศมีมาก ไม่มีแรงขับเคลื่อนให้น้ำไหลออกจากต้นพืช) ทำให้ธาตุอาหารไม่สามารถส่งไปได้เพียงพอกับการสร้างผนังเซลล์ของผลที่กำลังขยายขนาด จึงทำให้เซลล์แตกและเกิดอาการเนื้อแก้วยางไหลของผลมังคุด

การคายน้ำของพืช พืชจะคายน้ำสูบรรยากาศโดย 2 ช่องทาง คือ

1. คายน้ำผ่านทางปากใบ
2. คายน้ำผ่านทางรอยแตกที่ผิวของลำต้น

เปรียบเทียบปากใบของปาล์มน้ำมัน (ภาพขยาย x400)
a.) พันธุ์ดูรา
b.) พันธุ์พิสิเฟอรา
c.) พันธุ์เทเนอรา

ภาพจาก : plantstomata.wordpress.com

เรามักจะเข้าใจในวิวัฒนาการของพืช stoma ถูกสร้างขึ้นมาเพื่อการคายน้ำ (transpiration) แต่หน้าที่หลักที่แท้จริงของ stomata คือการแลกเปลี่ยนก๊าซ (gas exchange) เนื่องจากพืชบกมีวิวัฒนาการในการสร้างชั้น cuticle (คิวติเคิล) เคลือบปิดผนังเซลล์ด้านนอกของ epidermal cell (เซลล์ผิว) เอาไว้ เพื่อลดอัตราการสูญเสียน้ำจากโครงสร้างภายในออกสู่บรรยากาศภายนอก เพราะพืชบกจำเป็นต้องรักษาระดับปริมาณน้ำภายในเซลล์เอาไว้ให้พอดีที่เซลล์จะรักษาแรงดันเต่งเอาไว้ได้ และทำให้เซลล์ทำงานได้ตามปกติ แต่ cuticle ก็ป้องกันไม่ให้ก๊าซภายนอกแพร่เข้าสู่โครงสร้างภายในของพืชด้วยเช่นกัน ดังนั้นพืชจำเป็นต้องมีช่องทางที่จะแลกเปลี่ยนก๊าซ เพื่อนำก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่จำเป็นต้องใช้ใน photosynthesis (กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง) เข้ามา
stomta คือโครงสร้างที่วิวัฒนาการมาเพื่อหน้าที่นี้แต่เมื่อ stomata เปิดทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนก๊าซ ย่อมเป็นช่องทางที่ทำให้ไอน้ำภายในโครงสร้างระเหยออกมาสู่บรรยากาศภายนอกได้ด้วยเช่นกัน ซึ่งทำให้เกิดกลไกของการคายน้ำทางปากใบ และเป็นสาเหตุทำให้เกิด transpiration pull (แรงดึงจากการคายน้ำ) เกิดขึ้นภายในเนื้อเยื่อท่อลำเลียงน้ำ และดูน้ำจากรากให้ลำเลียงขึ้นมาเป็นสายสู่ด้านบนได้

ปากใบเปิดได้อย่างไร?

ปากใบเปิดโดยแสงแดดกระตุ้นให้เซลล์คุมปั๊มไฮโดรเจนไอออน (H+) ออกจากเซลล์ เมื่อศักย์ไฟฟ้าในเซลล์ลดลงจากเดิม ช่องเปิดเฉพาะของโพแทสเซียมไอออน (K+ inward rectifier) จะเปิดให้โพแทสเซียมไอออน (K+) ที่อยู่ในเซลล์ประกอบไหลเข้าไปในเซลล์คุม นอกจากนี้ภายในเซลล์คุมจะมีการเพิ่มความเข้มข้นของตัวถูกละลายหลายชนิดอีกด้วย เช่น ซูโครส จึงทำให้พลังงานความเข้มข้นของน้ำภายในเซลล์คุมต่ำกว่าเซลล์ข้างเคียง (มีน้ำอยู่น้อยกว่า) K+ ที่เพิ่มขึ้นจะถูกขนส่งแบบใช้พลังงานเข้าสู่แวคูโอล (vacuole) และเซลล์จะสะเทินประจุของ K+ ด้วยสารมาเลท (malate) ความเข้มข้นของตัวละลายที่เพิ่มขึ้นในเซลล์คุม จะดึงให้น้ำไหลเข้าไปในเซลล์คุมด้วยความต่างศักย์ของพลังงานความเข้มข้นน้ำของเซลล์ประกอบที่สูงกว่าภายในเซลล์คุม เมื่อน้ำไหลเข้าไปในเซลล์คุมแล้ว จะทำให้ภายในเซลล์คุมมีพลังงานความดันสูงกว่าเซลล์รอบข้าง เซลล์คุมจึงเต่ง ทำให้ช่องปากใบเปิดกว้างขึ้น

การแลกเปลี่ยนก๊าซ และการหายใจ เป็นหนึ่งในระบบที่สำคัญของสิ่งมีชีวิต ที่ดึงเอาออกซิเจนในอากาศไปใช้ในกระบวนการสร้างพลังงาน และขับก๊าซที่เกิดขึ้นจากกระบวนการเผาผลาญออกจากร่างกาย

สิ่งมีชีวิตทุกชนิดต่างต้องการพลังงาน เพื่อนำมาใช้ในกิจกรรมต่าง ๆ ของการดำรงชีวิต โดยพลังงานส่วนใหญ่ได้มาจากการย่อยสลายโมเลกุลสารอาหารหรือกระบวนการที่เรียกว่า “ การแลกเปลี่ยนก๊าซ ” (Gas Exchange) และ “ระบบหายใจ” (Respiratory Systems) ซึ่งจำเป็นต้องใช้ก๊าซออกซิเจน เพื่อก่อให้เกิดปฏิกิริยาเคมีต่าง ๆ โดยสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีกลไกและอวัยวะที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนก๊าซแตกต่างกันออกไปตามความซับซ้อนทางโครงสร้างร่างกาย และสภาพแวดล้อมหรือถิ่นที่อยู่อาศัย

ขั้นตอนของกระบวนการหายใจ สามารถแบ่งออกเป็น 2 ขั้นตอน คือ

• การหายใจภายนอกเซลล์ (External Respiration หรือ Breathing) คือ การนำอากาศเข้าสู่เซลล์หรือร่างกาย ก่อนเกิดการแลกเปลี่ยนก๊าซระหว่างสิ่งแวดล้อมกับอวัยวะที่ใช้หายใจ เช่น ปอด เหงือก ผิวหนัง ท่อลม และปากใบของพืช เป็นต้น
• การหายใจภายในเซลล์ (Internal Respiration หรือ Cellular Respiration) คือ ขั้นตอนของการย่อยสลายสารอาหาร เพื่อให้ได้มาซึ่งพลังงาน เป็นกระบวนการที่ต้องอาศัยออกซิเจนและปฏิกิริยาทางเคมีที่สลับซับซ้อน

ซึ่งสิ่งมีชีวิตบางชนิดไม่จำเป็นต้องมีกระบวนการหายใจครบทั้ง 2 ขั้นตอน ในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว เช่น โพรโทซัว สาหร่ายเซลล์เดียว และจุลินทรีย์ สามารถอาศัยขั้นตอนการหายใจภายในเซลล์เพียงขั้นตอนเดียวในการดำรงชีวิต

ดังนั้น การแลกเปลี่ยนก๊าซ (Gas exchange) คือ การนำก๊าซออกซิเจนจากสิ่งแวดล้อมเข้าสู่เซลล์ต่าง ๆ ของร่างกาย เพื่อให้เกิดกระบวนการหายใจระดับเซลล์และนำของเสียจากการสลายสารอาหารหรือก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกสู่สิ่งแวดล้อมภายนอก เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นโดยอาศัยการแพร่ของสสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์หรือผ่านพื้นผิวที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนก๊าซ (Respiratory Surface) ที่มีลักษณะสำคัญ ดังนี้

• มีความชุ่มชื้นอยู่เสมอ เนื่องจากก๊าซที่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เข้าไปได้จำเป็นต้องอยู่ในรูปของสารละลาย
• มีเยื่อหรือมีผนังบาง เพื่อให้ก๊าซสามารถแพร่ผ่านเข้าและออกได้ง่าย
• มีเส้นเลือดมาหล่อเลี้ยงจำนวนมาก
• มีพื้นที่ผิวสัมผัสมาก

โครงสร้างหรืออวัยวะที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนก๊าซของสิ่งมีชีวิต สามารถจำแนกออกเป็น 4 ประเภท ได้แก่

พื้นผิวของร่างกาย (Body Surface)

มักพบในสิ่งมีชีวิตหรือสัตว์ขนาดเล็กที่มีสัดส่วนของพื้นที่ต่อปริมาตรสูง อย่างเช่น การมีขนาดลำตัวตัวเล็กหรือมีลักษณะลำตัวยาวและแบน เป็นต้น โดยสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ สามารถใช้ผิวหนังทั่วร่างกายเป็นพื้นที่หายใจ จากการมีผิวหนังบางที่ประกอบขึ้นจากเซลล์จำนวนไม่มากนัก ทำให้ก๊าซออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์สามารถแพร่ผ่านเข้าและออกจากร่างกายได้โดยไม่ต้องอาศัยระบบทางเดินหายใจ

ตัวอย่าง โพรโทซัว ฟองน้ำ พยาธิตัวแบน และไส้เดือนดิน

เหงือก (Gill)

เป็นอวัยวะที่ใช้ในการหายใจของสัตว์น้ำหลายชนิด โดยเหงือกทำหน้าที่แลกเปลี่ยนก๊าซออกซิเจนที่ละลายอยู่น้ำ สามารถเปิดและปิดเพื่อเพิ่มพื้นผิวสัมผัสให้น้ำไหลผ่าน อีกทั้ง ในเหงือกของสัตว์ที่มีวิวัฒนาการสูงบางชนิด เช่น ปลากระดูกแข็ง จะมีหลอดเลือดฝอย (Capillaries) มาหล่อเลี้ยงจำนวนมาก และมีเยื่อผิวบางที่ทำให้การแลกเปลี่ยนก๊าซเกิดขึ้นได้ง่าย

ตัวอย่าง ปลา กุ้ง ปลาดาว และหนอนทะเล

ท่อลม (Trachea)

เป็นโครงสร้างที่มักพบมากในแมลง โดยเริ่มจากบริเวณกลางลำตัวที่มีท่อลมขนาดใหญ่ซึ่งแตกแขนงเป็นท่อขนาดเล็กที่เรียกว่า “ช่องหายใจ” (Spiracle) แทรกไปตามเซลล์ในเนื้อเยื่อ โดยทั่วไปจะมีทั้งหมด 10 คู่ คือ ปล้องอก 2 คู่และปล้องท้อง 8 คู่ โดยที่ถัดจากช่องหายใจเข้าไปในลำตัวจะเป็นท่อลม (Trachea) ขนาดเล็กที่ยืดหดได้และท่อลมฝอย (Tracheole) ซึ่งปลายทางท่อลมจะมีผนังเนื้อเยื่อบางมากและมีของเหลวอาบอยู่บริเวณปลายท่อ เมื่ออากาศเดินทางมาตามท่อลมจะถูกละลายอยู่ในของเหลวดังกล่าว ก่อนแพร่เข้าสู่เนื้อเยื่อในบริเวณใกล้เคียง แมลงบางชนิดมีถุงลม (Air Sac) ขนาดใหญ่ช่วยเก็บอากาศไว้หายใจและช่วยอัดอากาศให้ผ่านเข้าออกได้เร็วขึ้น อีกทั้ง การเคลื่อนไหวของลำตัวแมลงทำให้ท่อลมเกิดการยืดหดช่วยให้อากาศไหลเวียนเข้าออกจากระบบท่อลมได้ดี ดังนั้น ระบบหมุนเวียนโลหิตของแมลงจึงมีบทบาทไม่มากนัก เนื่องจากเนื้อเยื่อของแมลงสามารถรับก๊าซออกซิเจนจากท่อลมย่อยได้โดยตรง

ตัวอย่าง แมลง จิ้งหรีด ตั๊กแตน

ปอด (Lung)

เป็นอวัยวะที่ใช้ในการหายใจของสัตว์ชั้นสูงที่อาศัยอยู่บนบกโดยทั่วไป เป็นระบบการแลกเปลี่ยนก๊าซที่เซลล์ต่าง ๆ ในร่างกายไม่ได้สัมผัสอากาศภายนอกโดยตรง ดังนั้น อากาศจึงถูกส่งผ่านมาทางรูจมูกและหลอดลมก่อนเดินทางเข้าสู่ปอด ซึ่งภายในปอด อากาศจะถูกส่งเข้าไปยังถุงลม (Alveolus) ขนาดเล็กจำนวนมาก ซึ่งบริเวณโดยรอบของถุงลมเหล่านี้ จะมีเส้นเลือดฝอยจำนวนมากที่ทำหน้าที่แลกเปลี่ยนก๊าซ มีเม็ดเลือดแดงทำหน้าที่ลำเลียงออกซิเจนจากถุงลมที่แพร่ผ่านเข้าไปในกระแสเลือดส่งไปยังเซลล์ต่าง ๆ ทั่วร่างกาย ก่อนลำเลียงคาร์บอนไดออกไซด์ที่เป็นของเสียออกนอกร่างกายในลักษณะเดียวกัน

ตัวอย่าง สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง เช่น แมงมุม แมงป่อง หอยทาก เป็นต้น และในพวกสัตว์มีกระดูกสันหลัง เช่น นก สุนัข มนุษย์ เป็นต้น

เกร็ดความรู้ : การหายใจของนกนั้น แตกต่างไปจากสัตว์ชนิดอื่น ๆ เนื่องจากนกต้องการพลังงานในปริมาณมาก เพื่อใช้ในการลอยตัวและการบิน ดังนั้น กระดูกของนกจึงมีโพรงเพื่อให้มีน้ำหนักเบา โดยตามโพรงดังกล่าว จะมีถุงลมราว 8 ถึง 9 ถุงแทรกอยู่ เพื่อทำหน้าที่เก็บสำรองอากาศ เมื่ออากาศถูกส่งผ่านจากหลอดลมคอเข้าสู่หลอดลมและปอด อากาศบางส่วนจะถูกกักเก็บไว้ตามถุงลมเหล่านี้ หลังการแลกเปลี่ยนก๊าซภายในปอดเสร็จสิ้น อากาศจากถุงลมจะถูกนำเข้ามาแทนที่ ส่งผลให้นกสามารถแลกเปลี่ยนก๊าซได้ถึง 2 ครั้ง จากการหายใจเข้าเพียงครั้งเดียว