Bir erişkin her dakika ortalama 15 kez nefes alıp vererek havadaki oksijeni alıp hücrelerimizdeki enerji üretiminin artık ürünü olan karbondioksiti dışarı atar.
Tüm memeli hayvanlar karada veya suda yaşasınlar akciğer solunumu yapar. Peki 400 milyon yıl önce tüm yaşamın suda başladığı varsayımıyla karada rahat nefes almak için nasıl bir değişim gerçekleşmiş olabilir?
İlk ne zaman nefes aldık?
2022 yılında yapılan ‘Omurgalılarda akciğer evrimi ve sudan karaya geçiş’ isimli çalışmada1 paleozoik dönemde bazı omurgalı balıkların karada yaşama ayak uydurabilmek için evrimleşen en önemli özelliğinin elbette su üstünde nefes alma yeteneği veren akciğer gelişimi olduğu belirtilmektedir.
Bu çalışma akciğer evriminin tek bir organ olarak başladığını ve omurgalılar uzuvlar geliştirmeye başladıktan sonra çiftleştiğini göstermektedir. İki akciğere sahip olma, oksijen ve karbondioksit alışverişi için mevcut yüzey alanını artırarak omurgalıların karada daha kolay nefes alabilmesini sağlamıştır.
Nasıl ve Neden Oksijen alıp Karbondioksit veririz?
Canlılığımızı sürdürebilmek için elbette enerjiye ihtiyacımız vardır. Bunun için iç solunumla %97′ si eritrositlerde hemoglobine bağlı olarak hücrelerimize kadar gelen oksijen difüzyonla hücre içine, karbondioksit ise hücre dışına çıkar. Hücresel solunumla da hücrelerimizin mitokondrisinde yediğimiz gıdalar oksijen yardımıyla enerjiye dönüşür, bu krebs döngüsünde karbondioksit ise asıl atık üründür. Enerji üretiminden sorumlu mitokondriler aslında endosimbiyotik olarak mor renkli kükürtsüz bakterilerden evrimleşip zamanla konak hücrelere yerleşen bir çeşit bakteri sayılabilirler 2.
Oksijenli solunum formülü3
Solunum yollarının kısa anatomisi
Burundan başlayıp trakeanın ilk bölümlerine kadar olan kısma üst solunum yolları, trakeadan alveollere olan kısma alt solunum yolları denmektedir. Solunum sisteminin bu genişliğinden dolayı sadece gaz alışverişi yapılmaz; konuşmak için gerekli sesleri üretir, kanın pH’ ını ayarlar, silyar ve fagositoz aktiviteyle mikroplara karşı savunma yapar, kan pıhtısını tutar ve eritir, bazı biyoaktif maddelerin üretilmesini ve metabolizmasını sağlar.
Alt solunum bölgesinde trakeadan respiratuar bronşiollere kadar olan bölüm gaz alışverişine katılmaz ve bu kısımda kalan yaklaşık 150 ml havaya ölü boşluk denir. Böylece normal solukta alınan yaklaşık 500 ml havanın sadece 350 ml kısmı ile gaz alışverişi yapılmaktadır.
Solunumun kaç evresi vardır?
Solunum, akciğerlere hava giriş çıkışını tanımlayan ventilasyon, alveol ve kapiller damarlar arasında oksijen ve karbondioksit değişimini tanımlayan difüzyon, dokular için gerekli oksijenin taşınması ve solunumun düzenlenmesi olarak 4 evrede gerçekleşir.
Solunum Nasıl Kontrol Edilir?
Normal koşullarda solunum bilinçli olarak yapılmaz ve solunum merkezi medulladır. Solunum kaslarındaki yetersizlikte, O2 ve CO2 düzeylerindeki değişikliklerde solunum merkezi uyarılarak solunum düzene sokulmaya çalışılır. Solunumun belli bir düzen içerisinde sistemik olarak devamında ponsun da önemli rolü vardır. Bilinçli ve istekli solunum kontrolü ise serebral kortekstir; bilinçli hiperventilasyon, nefesi tutmak gibi işlevler kortikal etkinlikle olur. Konuşma, yemek yeme, yüzme gibi aktivitelerde solunum bilinçli olarak düzenlenir. Solunum kontrolünde temelde iki unsur vardır; inspiratuar akımı düzenlemek ve inspirasyonun sonlanmasını kontrol etmek.
Solunum kontrolünde temel hedef ideal arteriyel kan gazı düzeylerini sağlayabilecek kadar solunum yapılmasıdır. Karbondioksit seviyesindeki değişiklikleri ileten en önemli reseptör medulla ventrolateralde bulunan santral kemoreseptördür. Oksijen seviyesindeki değişiklikleri ileten kemoreseptörler ise merkezi sinir sisteminde bulunmazlar, bu kemoreseptörler karotid cisimciği ve aortik cisim kemoreseptörleridir. Aortik cisim reseptörleri pulmoner arter ve aorta arkı arasında bulunur ve vagus siniri ile iletileri merkeze iletir.
Bu reseptörler dışında germe reseptörleri havayolu düz kasında bulunur, inspiryum sonlandırmasında sorun varsa devreye girer. İritan reseptörler havayollarında bulunur ve irritan madde inhalasyonu olursa takipne başlatır. Jukstakapiller reseptörler intestisyumda kapillere komşu yerleşir, takipne ve interstisyel ödemi başlatır. Göğüs duvarı, interkostal kaslar içindeki reseptörler ventilasyon ayarını düzenler.
Solunum mekanizması nasıl çalışmaktadır?
Solunum mekaniği esas olarak akciğer ve göğüs duvarı arasındaki basınç farkı ile gerçekleşen inspirasyon ve ekspirasyonu, yani akciğerlere hava dolmasını ve akciğerlerden hava çıkışını ifade eder. Bu işlem için akciğer ve göğüs duvarının komplians ve elastisitesi önemlidir; komplians akciğerin ve göğüs kafesinin genişleme kabiliyetini ifade eder (amfizemde yüksek komplians, pulmoner fibroziste düşük komplians görülür), elastisite ise akciğerin ve göğüs kafesinin eski haline gelme becerisini ifade eder. Akciğerin elastisite özelliği kollabe olma yani sönme eğilimindeyken, göğüs kafesi genişleme eğilimindedir.
Normal hava basıncı 760 mmHg, plevra içi basınç ise 756 mmHg’dır, aradaki 4 mmHg fark akciğerlerin her zaman açık kalıp kollabe olmamasını sağlayan en önemli faktördür (alveollerin kollabe olmamasını sağlayan bir diğer faktör yüzey gerilimini düşüren sürfaktan etkisidir). Bu fark atmosferden düşük olduğu için -4 mmHg veya -5 cmH2O olarak da ifade edilmektedir. Bu basınç yardımıyla açık kalan akciğerdeki hava miktarı fonksiyonel rezidüel kapasiteyi oluşturur.
İnspirasyonda solunum merkezinden çıkan uyarı diyafram ve eksternal interkostal kasları kasar, toraks genişler, intraplevral basınç düşer, alveoller genişler, alveollerdeki basınç düşer ve alveolar basınç atmosferik basınca eşitlenene kadar hava alveollere dolar.
Ekspirasyonda ise diyafram ve interkostal kaslar gevşer, toraks eski haline döner, intraplevral basınç artar, alveoller eski haline döner, düşen alveolar hacimle alveollerdeki basınç artar ve alveolar basınç atmosferik basınca eşitlenene kadar hava alveollerden dışarı çıkar.4
Akciğerlerimizin kapasitesi ne kadar?
Akciğerlerimizle soluk alıp verme işlemine ventilasyon diyoruz. Akciğer kapasitesi kişiden kişiye değişmekle birlikte erkeklerin akciğer kapasitesi kadınlardan ortalama %20 daha fazladır.
Total akciğer kapasitesi: Erişkin bir erkekte yaklaşık 5800 ml.
Soluk hacmi(Tidal volume): Normal bir nefeste alıp verilen hava miktarı, yaklaşık 500 ml.
İnspirasyon yedek hacmi: Normal solunumdaki inspirasyon sonrası alabildiğimiz maksimum hava miktarı, yaklaşık 3000 ml.
Ekspirasyon yedek hacmi: Normal solunumdaki ekspirasyon sonrası çıkarabildiğimiz maksimum hava miktarı, yaklaşık 1100 ml.
Rezidüel hacim: Zorlu bir ekspirasyon sonrası akciğerde hala kalan hava miktarı, yaklaşık 1200 ml.
İnspirasyon kapasitesi: Soluk hacmi ile inspirasyon yedek hacminin toplamına eşittir, yaklaşık 3500 ml.
Fonksiyonel rezidüel kapasite: Ekspirasyon yedek hacmi ile rezidüel hacmin toplamına eşittir, yaklaşık 2300 ml.
Vital kapasite: İnspirasyon yedek hacmi, soluk hacmi ve ekspirasyon yedek hacminin toplamına eşittir, yaklaşık 4600 ml.5
Akciğer kan dolaşımı nasıl gerçekleşir?
Akciğer dolaşımında bir diğer ismiyle küçük dolaşımda sağ ventrikülden çıkan karbondioksitten zengin kan akciğere, akciğerde oksijenlenmiş kan sol atriuma gelerek döngüsünü tamamlar(pulmoner dolaşımı1242 yılında ilk keşfeden ibnü’n Nefis’tir). 1 dakikada 5 lt kan akciğerlerden geçer. Kan akımına karşı düşük direnç gösteren pulmoner arterler sistemik arterlerden farklı olarak daha ince duvarlara sahiptirler.
Ayakta duran bir kişinin akciğerinin apeksi bazalinden yaklaşık 25 cm daha yukarıdadır, yerçekiminden etkilenerek akciğerin apeksinde pulmoner arter basıncı bazalden 25 cmH2O yani 19 mmHg daha düşüktür. Ortalama pulmoner damar basıncı ise 15 mmHg’dir. West bu durumu 3 zon modeli ile açıklar, bu modele göre akciğerin üst zonlarında ventilasyon iyi – perfüzyon zayıf, alt zonlarda ventilasyon zayıf – perfüzyon iyidir6. West’ e göre düşük akciğer hacimlerinde ve pulmoner ödemde 4. zon da görülebilir.
Ventilasyon ve perfüzyon ilişkisini daha iyi anlamak için ise ‘tek alveol modeli’ geliştirilmiştir. Bu modele göre ventilasyon korunuyor ama perfüzyon yok ise V/Q sonsuza gider ve ölü boşluk oluşur, eğer ventilasyon yok ama perfüzyon korunuyorsa V/Q oranı sıfıra yaklaşır ve şant oluşur. Ölü boşlukta alveol içi gaz basınçları atmosferdeki gibi yani pO2 150 mmHg, pCO2 0 mmHg’ dır. Şant oluşmuş ise kapiller gaz basıncı venöz kana eşittir, yani pO2 40 mmHg, pCO2 46 mmHg olur. İdeal V/Q oranındaki kapiller gaz basıncı pO2 100 mmHg, pCO2 40 mmHg olmalıdır.
Oksijen ve Karbondioksit nasıl yer değiştirir?
Oksijen ve karbondioksitin yer değişimi difüzyon ile olur. Bu gazların difüzyon hızı ortamda oluşturdukları basınçla doğru orantılıdır. Oksijenin alveolden kana geçebilmesi için sırası ile alveol duvarı, kapiller duvarı, plazma ve eritrosit membranlarını geçmesi gerekmektedir, karbondioksit de tam tersi yolu kat etmek zorundadır. Bu yer değiştirme eritrositin pulmoner kapillerden geçiş hızı olan 0,75 saniyenin üçte biri hızında, yani 0,25 saniyede gerçekleşmektedir.
Oksijenin hücrelere kadar ulaşma yolculuğu nasıl?
Havanın %78’i azot, %21’i oksijen ve geri kalan %1’lik kısmı diğer gazlardan oluşur, bu oran 25 km irtifaya kadar görece sabittir. Havanın toplam basıncı 760 mmHg’dır ve her gaz kendi oranınca basınç oluşturur, böylece oksijen basıncı 0,21×760 mmHg=160 mmHg’ dır, oysa su basıncı 47 mmHg olduğundan gerçek hava basıncı 713 mmHg ve gerçek oksijen basıncı da 150 mmHg’dır.
Klinikte bir gazın vücut sıvılarında ve kandaki parsiyel basıncını sıvı haldeki gazın oransal basıncı ve gazın erime katsayısı belirler. Oksijenin erime katsayısı 0,024 ve karbondioksitin erime katsayısı 0,57′ dir. Böylece oksijenin parsiyel basıncı karbondioksitin 20 katıdır.
Oksijen kanda %97 hemoglobinin hem bölümüne bağlanarak, %3 oranında kanda çözünmüş olarak taşınır. Plazmada çözünmüş olarak bulunan %3 oranındaki oksijen az gibi görünse de mitokondrilerin fonksiyonunu devam ettirebilmesi için gereken minimum oksijen miktarını karşılamaktadır, pO2 hücre içinde 2mmHg altına inerse mitokondride fonksiyon bozukluğu gelişir.
Parsiyel oksijen basıncı yüksekse oksijen hemoglobine kolayca ama zayıf bir bağla bağlanır, düşükse kolayca hemoglobinden ayrılır. Bu oksijenin kanda taşınmasının temel mekanizmasıdır. Bu mekanizma oksihemoglobin disasiyasyon eğrisi ile gösterilir. Normal koşullarda yani kan pH 7,4, normal vücut ısısında parsiyel oksijen basıncı %60 iken oksijenin %90′ ı hemoglobine bağlanır. Farklı koşullarda oksijenin hemoglobine bağlanması artıp azalabilir. Sıcaklık artışında, 2-3 difosfogliserat artışında, hidrojen iyonu artışında, karbondioksit artışında ve pH düşüklüğünde oksijenin hemoglobine bağlanması güçleşerek eğri sağa kayar. Sıcaklık azalmasında, 2-3 difosfogliserat azalmasında, hidrojen iyon azalmasında, karbondioksit azalmasında ve pH artışında oksijenin hemoglobine bağlanması kolaylaşarak eğri sola kayar.
Oksijenin taşınmasında tek faktör pO2 değildir, hemoglobin düzeyi ve kalp debisi de oksijen taşınmasında önemli faktörlerdir.
Son olarak her nefesin önemini anlatan, 38 yaşındayken beyin cerrahisi ihtisasının son yılında akciğer kanserinden dolayı ölen Paul Kalanithi’nin kendi kalemiyle yazdığı yaşam hikayesini hatırlatmak istiyorum…
Son Nefes Havaya Karışmadan
KAYNAKÇA
- Lung evolution in vertebrates and the water-to-land transition ↩︎
- Origin of mitochondria by intracellular enslavement of a photosynthetic purple bacterium ↩︎
- Oksijenli solunum ↩︎
- Göğüs Duvarının Solunum Fizyolojisindeki Rolü, Dr. Öğr. Üyesi Ezgi Tuna Erdoğan ↩︎
- Solunum Fizyolojisi, Prof. Dr. Füsun Öner Eyüpoğlu ↩︎
- Distribution of blood flow in isolated lung; relation to vascular and alveolar pressures J. B. West, C. T. Dollery, and A. Naimark ↩︎
Dr. Osman Ertürk
2004 Ege Üniversitesi Tıp Fakültesi mezunudur. 8 yıl acil hekimliği sonrası 12 yıl Gazipaşa-Alanya Havalimanı Portclinic Sağlık ünitesinde uçuş tabibi ve iş yeri hekimi olarak çalışmıştır. Şu an ALKÜ Eğitim Araştırma Hastanesi Göğüs Hastalıkları'nda araştırma görevlisi olarak çalışmaktadır. Hastaların ‘özellikle spesifik tedavi gerektiren durumlarında’ tedirginliklerini gidermeyi, belki başka şehirdeki, hatta başka ülkedeki ilgili branş hekimleri ile önceden görüşme sağlayabilmesini amaçlayarak CureAsk.com sitesini kurmuştur.