Ademhalingsstelsel
Het ademhalingsstelsel, ademhalingssysteem of ademhalingsapparaat is een biologisch systeem dat bestaat uit speciale organen en structuren die worden gebruikt voor gasuitwisseling, zoals zuurstof (O2) en koolzuurgas (CO2), bij dieren en planten.
Inleiding
De anatomie (bouw) en fysiologie (werking) die dit mogelijk maken, is heel erg gevarieerd, en is afhankelijk van de grootte van het organisme (dier of plant). Het hangt ook af van de omgeving waarin het leeft en zijn evolutionaire geschiedenis. Bij landdieren vind je het ademhalingsoppervlak meestal als bekleding van de longen. Gasuitwisseling in de longen vindt plaats in miljoenen kleine luchtzakjes; bij zoogdieren en reptielen worden deze longblaasjes genoemd, en bij vogels staan ze bekend als atria. Deze microscopisch (piep)kleine luchtzakjes hebben een zeer rijke bloedtoevoer, waardoor de lucht via het dunne wandje van het luchtblaasje in nauw contact komt met het bloed. Het zijn zeg maar de 'overlaadstationnetjes' van gassen van de in- en uitgeademde lucht naar het bloed en omgekeerd. De luchtzakjes wisselen gas uit met de buitenomgeving via een systeem van luchtwegen, of holle buizen, waarvan de grootste de luchtpijp is, die zich in het midden van de borstkas vertakt in de twee belangrijkste bronchiën. Deze komen de longen binnen waar ze vertakken in steeds smallere bronchiën die vertakken in talrijke kleinere buizen, de bronchiolen. Hetzelfde dus als een boomstam die takken heeft die steeds kleiner worden tot de twijgen aan toe. Bij vogels worden de bronchiolen parabronchiën genoemd. Het zijn de bronchiolen of parabronchi die over het algemeen uitmonden in de microscopisch kleine longblaasjes bij de zoogdieren en de atria bij vogels. Lucht moet vanuit de omgeving in de longblaasjes of atria worden gepompt door het ademhalingsproces waarbij de ademhalingsspieren aan het werk zijn.
Vissen en waterdieren
Bij de meeste vissen en een aantal andere waterdieren (zowel gewervelde als ongewervelde dieren) bestaat het ademhalingssysteem uit kieuwen, die ofwel gedeeltelijk of volledig uitwendige organen zijn, en die contacht hebben met het water. Dit water stroomt op verschillende manieren over de kieuwen. Gasuitwisseling vindt plaats tussen het water en het bloed in de kieuwen die bestaan uit geplooide en/of zeer platte plaatjes die een zeer groot oppervlak hebben en vol zitten met piepkleine vaatjes die in contact staan met het water waarin de gassen zich bevinden.
Andere dieren
Andere dieren, zoals insecten, hebben ademhalingssystemen met zeer eenvoudige opbouw, en bij amfibieën speelt zelfs de huid een belangrijke rol bij de gasuitwisseling. Je zou kunnen zeggen dat primitievere (lagere) diersoorten ook een eenvoudiger ademhalingssysteem hebben.
Planten
Planten hebben ook ademhalingssystemen, maar de richting van de gasuitwisseling kan tegengesteld zijn aan die bij dieren. Planten ademen een deel van de dag zuurstof uit en nemen koolzuurgas op. Het ademhalingssysteem in planten omvat een opbouw zoals huidmondjes, die in verschillende delen van de plant worden aangetroffen. Bij de grotere planten, struiken en bomen zitten ze in de bladeren. Bomen en planten worden dan ook niet voor niets de longen van de aarde genoemd.
Mens
Bij de ademhaling van een mens in rust (b.v. tijdens TV kijken en slapen) is het met name het middenrif dat de longen als een blaasbalg in beweging houdt. Als deze spier tussen de longen en de buikholte zich aanspant, dan wordt de boog vlakker en zuigen de longen zich vol. Ontspant het middenrif zich, dan duwt deze (gedeeltelijk ook door de terugverende buik en ingewanden) de longen als het ware weer leeg. Ook de ribben bewegen mee naar boven met het middenrif en maken in de borstkas meer ruimte bij de inademing en verkleinen de ruimte weer bij de uitademing. Meestal gaat de luchtstroom dan via de neus.
Het luchtvolume dat tijdens een enkele ademhalingscyclus in of uit beweegt (bij de neus of mond) wordt het ademvolume genoemd. Bij een rustende volwassen mens is het ongeveer 500 ml per ademhaling. Daarvan wordt ongeveer de helft daadwerkelijk uitgewisseld. De andere helft is zeg maar nog onderweg. De ademhalingsbeweging wordt vanuit de hersenstam geregeld en aangestuurd. Dat gaat vrijwel helemaal automatisch, hoewel je het wel bewust kan beïnvloeden (adem inhouden, expres hijgen enzovoorts).
Bij inspanning zoals bij sporten, zijn er naast het middenrif ook nog andere spieren aan het werk om de pompbeweging sterker en sneller te maken. Deze hulpspieren zitten onder andere tussen de ribben en vanaf de sleutelbeenderen. Ook de buikspieren helpen mee om bij elke ademteug de borstkas te vergroten.
Na elke uitademing is er een soort pauze. Dat is met name het moment dat de uitwisseling van gassen in de longblaasjes plaatsvindt. De zeer dunne wanden van de longblaasjes zijn een zogeheten membraan. Alle longblaasjes samen hebben een oppervlakte van 145 m2 (ongeveer 2 x de vloer van een klaslokaal).
Bij de mens kan de zuurstof via het membraan naar binnen het bloed in en kan het koolzuurgas naar buiten. De (eventueel koude) buitenlucht is overigens onderweg opgewarmd door het lichaam. Het zuurstof wat in het bloed terecht komt wordt door de hemoglobine dat in het bloed zit vastgehouden en zo door het lichaam getransporteerd. Het koolzuurgas wordt op een andere manier vervoerd.
In de longen zitten censoren (voelers) die de hoeveelheid koolzuurgas in de gaten kunnen houden en de gegevens als het ware naar de hersenen sturen. Is er teveel koolzuurgaas, dan moet er sneller adem gehaald worden. Ook de buitenluchtdruk speelt hierbij een rol. Bovenop een berg is de lucht ijler en moet je sneller ademhalen, dan dat je op het strand bij de zee staat.
Ook de nieren hebben censoren, maar dan voor het meten van de zuurstof. Is het zuurstofgehalte in het bloed te laag, dan scheiden de niercellen het hormoon erytropoëtine (EPO) af in het bloed. Dit hormoon stimuleert het rode beenmerg om de snelheid van de productie van rode bloedcellen te verhogen, wat leidt tot een toename van de hematocriet van het bloed. Hierdoor stijgt het hemoglobine en kan er meer zuurstof worden vervoerd.
Hoesten
Soms is er te veel vuiligheid in de lucht aanwezig. Deze vuiligheid Irritateert de zenuwuiteinden in de neusholtes of luchtwegen en kan een hoestreflex en niezen veroorzaken. Deze reacties zorgen ervoor dat lucht met kracht uit respectievelijk de luchtpijp of neus wordt verdreven. Op deze manier worden irriterende stoffen gevangen in het slijm dat langs de luchtwegen loopt, uitgestoten of naar de mond verplaatst waar ze kunnen worden ingeslikt of uitgeproest. In de luchtwegen zitten ook beschermende stoffen die ontstekingen (infecties) moeten voorkomen. De uitgehoeste slijmdeeltjes kunnen ziekmakende stoffen bevatten die anderen weer ziek kunnen maken. Vandaar dat hoesten in de elleboog veiliger voor elkaar is.
Ziektes
Uit bovenstaande blijkt al wel dat het ademhalingssysteem kwetsbaar is. Luchtvervuiling, besmettelijke ziektes als griep en Covid-19, ziektes als astma en spierziektes kunnen de ademhaling flink verstoren. Omdat de bloedcirculatie nauw samenhangt met de longfuctie kan het hebben van een hartaandoening ook effect hebben op de longfuctie en omgekeerd. Ook de aanmaak van hematocriet in het beenmerg kan verstoort raken en zorgt voor ontregeling van het ademhalingssysteem. Ook longkanker is een bedreiging.
Andere functies van het ademhalingssysteem
Het ademhalingssysteem is van belang bij meerdere zaken:
Praten, zingen en blaasinstrumenten
De lucht die wordt in- en uitgeademd wordt ook gebruikt bij het praten, zingen en bespelen van blaasinstrumenten. Bij het praten en zingen gaat de lucht langs de stembanden in het strottenhoofd.
Temperatuurregeling
Hijgen bij honden, katten, vogels en sommige andere dieren is een middel om de lichaamstemperatuur te verlagen door speeksel in de mond te verdampen (in plaats van zweet op de huid te verdampen).
Vogels
Hoewel vogels ook longblaasjes (atria) hebben, functioneren hun longen heel anders dan bij zoogdieren. Ten eerste hebben ze stijve longen die niet uitzetten en samentrekken tijdens de ademhalingscyclus. In plaats daarvan werkt een uitgebreid systeem van luchtzakjes. Deze zitten verspreid over hun lichaam als de balg die omgevingslucht in de zakjes trekt en de verbruikte lucht verdrijft nadat het door de longen is gegaan. Vogels hebben ook geen middenrif. De longen bij vogels zijn in verhouding kleiner dan bij zoogdieren. Ze hebben in verhouding wel een groter oppervlak aan longblaasjes. Zowel de longholte als buikholte (die dus niet gescheiden zijn door een middenrif en samen de rompholte vormen) kunnen vergroten en verkleinen door buik- als ribbenspieren. Door het vergroten van de rompholte daalt de luchtdruk in de longen en kan er verse lucht naar binnen gezogen worden. Bij het verkleinen van de rompholte, stroomt de lucht er via de snavel en neusgaten weer uit. De (extra) luchtzakken werken als een soort van drukvat.
Planten nader bekeken
Dieren gebruiken zuurstof en stoten het verbruikte zuurstof in de vorm van koolzuurgas (koolstofdioxide) uit. Planten maken zuurstof en stoten dat uit en nemen koolzuurgas juist op. De zuurstof die planten maken gebeurt door de zogeheten fotosynthese in de bladgroenkorrels. Dit zijn zeg maar de zonnecellen van de plant. Planten nemen koolstofdioxide op via gaten, bekend als huidmondjes, die meestal aan de onderkant van hun bladeren zitten. De fotosynthese is een chemisch proces waarbij de energie van zonlicht wordt gebruikt om het koolzuurgas samen met water uit de wortels om te zetten in zuurstof en glucose (druivensuiker). Dat wat de plant zelf niet aan glucose gebruikt (om te groeien en dergelijke) wordt omgezet en opgeslagen in zetmeel wat meestal zit in de zaden en vruchten. Deze kunnen weer door mens en dier gegeten worden. Zoals gezegd zijn de planten de longen van de aarde. Als we daar niet beter en zuiniger mee omgaan, zal het ook schadelijk zijn voor de mens.