अध्याय 17 श्वास और गैसों का आदान-प्रदान
जैसा कि आपने पहले पढ़ा है, जीव ऑक्सीजन (O₂) का उपयोग ग्लूकोज, अमीनो अम्ल, फैटी अम्ल आदि जैसे सरल अणुओं को परोक्ष रूप से तोड़ने के लिए करते हैं ताकि विभिन्न क्रियाओं को करने के लिए ऊर्जा प्राप्त की जा सके। उपरोक्त कैटाबोलिक अभिक्रियाओं के दौरान कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) जो हानिकारक है, भी निकलती है। इसलिए यह स्पष्ट है कि O₂ को लगातार कोशिकाओं तक पहुँचाया जाना चाहिए और कोशिकाओं द्वारा बनाई गई CO₂ को बाहर निकालना चाहिए। वायुमंडल से O₂ को लेना और कोशिकाओं द्वारा बनाई गई CO₂ को बाहर छोड़ने की इस प्रक्रिया को श्वसन कहा जाता है, जिसे सामान्यतः साँस लेना भी कहा जाता है। अपने हाथों को अपनी छाती पर रखिए; आप छाती को ऊपर-नीचे हिलते हुए महसूस कर सकते हैं। आप जानते हैं कि यह श्वसन के कारण होता है। हम साँस कैसे लेते हैं? श्वसन अंग और श्वसन की क्रियाविधि इस अध्याय के निम्नलिखित खंडों में वर्णित हैं।
17.1 श्वसन अंग
सांस लेने की क्रियाएँ विभिन्न प्राणी समूहों में भिन्न-भिन्न होती हैं और यह मुख्यतः उनके निवास स्थान तथा संगठन के स्तर पर निर्भर करती हैं। निम्नकोटि अकशेरूकी जैसे स्पंज, सीलेंट्रेट्स, फ्लैटवर्म आदि अपने सम्पूर्ण शरीर सतह पर सरल विसरण द्वारा O2 और CO2 का आदान-प्रदान करते हैं। केंचुए अपनी नम क्यूटिकल का तथा कीट वायुमण्डलीय वायु को शरीर के भीतर पहुँचाने के लिए नलिकाओं (ट्रेकीय नलिकाओं) के जाल का उपयोग करते हैं। विशिष्ट संवहनीकृत संरचनाएँ जिन्हें गिल्स (ब्रैंकियल श्वसन) कहा जाता है, अधिकांश जलीय आर्थ्रोपोड्स तथा मॉलस्क्स द्वारा प्रयुक्त होती हैं, जबकि संवहनीकृत थैलियों जिन्हें फेफड़े (पल्मोनरी श्वसन) कहा जाता है, स्थलीय रूपों द्वारा गैसों के आदान-प्रदान के लिए उपयोग की जाती हैं। कशेरूकियों में, मछलियाँ गिल्स का उपयोग करती हैं जबकि उभयचर, सरीसृप, पक्षी तथा स्तनधारी फेफड़ों द्वारा श्वसन करते हैं। मेंढक जैसे उभयचर अपनी नम त्वचा (त्वचीय श्वसन) द्वारा भी श्वसन कर सकते हैं।
17.1.1 मानव श्वसन तंत्र
हमारे पास ऊपरी होंठों के ऊपर बाहर की ओर खुलने वाले बाहरी नथुने होते हैं। यह नाक के मार्ग के माध्यम से नासिका कक्ष में जाता है। नासिका कक्ष ग्रसनी में खुलता है, जिसका एक भाग भोजन और वायु दोनों के लिए उभयनिष्ठ मार्ग है। ग्रसनी कंठ क्षेत्र के माध्यम से श्वासनालिका में खुलती है। कंठ एक उपास्थीय डिब्बा है जो ध्वनि उत्पादन में सहायता करता है और इसलिए इसे ध्वनि बॉक्स कहा जाता है। निगलने के समय ग्लॉटिस को उपास्थीय पतली लचीली झिल्ली एपिग्लॉटिस द्वारा ढककर भोजन को कंठ में प्रवेश करने से रोका जा सकता है। श्वासनालिका एक सीधी नली है जो मध्य वक्ष गुहा तक फैली रहती है, जो 5वें वक्ष कशेरूका के स्तर पर दाएँ और बाएँ प्राथमिक ब्रॉन्काई में विभाजित होती है। प्रत्येक ब्रॉन्कस बार-बार विभाजित होकर द्वितीयक और तृतीयक ब्रॉन्काई और ब्रॉन्कियोल बनाता है जो अत्यंत पतले अंतिम ब्रॉन्कियोल में समाप्त होते हैं। श्वासनालिका, प्राथमिक, द्वितीयक और तृतीयक ब्रॉन्काई और प्रारंभिक ब्रॉन्कियोल अपूर्ण उपास्थीय वलयों द्वारा समर्थित होते हैं। प्रत्येक अंतिम ब्रॉन्कियोल कई अत्यंत पतली, अनियमित दीवारों वाली और रक्तवाही थैलीनुमा संरचनाओं एल्वियोली को जन्म देता है। ब्रॉन्काई, ब्रॉन्कियोल और एल्वियोली की शाखित जालिका फेफड़ों का निर्माण करती है (चित्र 17.1)। हमारे दो फेफड़े होते हैं जो द्विस्तरीय प्लूरा से ढके होते हैं, जिनके बीच प्लूरा द्रव होता है। यह फेफड़ों की सतह पर घर्षण को कम करता है। बाहरी प्लूरा झिल्ली वक्षीय आस्तीन के साथ घनिष्ठ संपर्क में रहती है जबकि आंतरिक प्लूरा झिल्ली फेफड़ों की सतह के संपर्क में रहती है।
आकृति 17.1 मानव श्वसन तंत्र का आरेखीय दृश्य (बाएँ फेफड़े का अनुप्रस्थ दृश्य भी दिखाया गया है)
बाहरी नथुने से आरंभ होकर टर्मिनल ब्रॉन्कियोल तक का भाग संवहन भाग बनाता है जबकि एल्वियोली और उनकी नलिकाएँ श्वसन तंत्र के श्वसन या विनिमय भाग का निर्माण करती हैं। संवहन भाग वायुमंडलीय वायु को एल्वियोली तक पहुँचाता है, इसे विदेशी कणों से मुक्त करता है, इसे आर्द्र बनाता है और वायु को शरीर के तापमान पर भी लाता है। विनिमय भाग रक्त और वायुमंडलीय वायु के बीच O2 और CO2 के वास्तविक विसरण का स्थल है।
फेफड़े वक्ष गुहा में स्थित होते हैं जो शारीरिक रूप से एक वायुरोधी गुहा है। वक्ष गुहा पृष्ठभाग पर कशेरूकीय स्तंभ द्वारा, वेंट्रल भाग पर उरोस्थि द्वारा, पार्श्व में पसलियों द्वारा और निचले भाग में गुंबदाकार आंत्रपट द्वारा बनाई जाती है। वक्ष में फेफड़ों की शारीरिक व्यवस्था ऐसी है कि वक्ष गुहा के आयतन में कोई भी परिवर्तन फेफड़े (पल्मोनरी) गुहा में परिलक्षित होगा। इस प्रकार की व्यवस्था श्वसन के लिए आवश्यक है, क्योंकि हम सीधे पल्मोनरी आयतन को नहीं बदल सकते।
श्वसन में निम्नलिखित चरण शामिल होते हैं:
(i) श्वसन या पल्मोनरी वेंटिलेशन जिसके द्वारा वायुमंडलीय वायु को अंदर खींचा जाता है और CO2 से भरी एल्वियोली वायु बाहर छोड़ी जाती है।
(ii) वायुओं (O2 और CO2) का फेफड़ों की झिल्ली पार करना।
(iii) रक्त द्वारा वायुओं का परिवहन।
(iv) रक्त और ऊतकों के बीच O2 और CO2 का विसरण।
(v) कोशिकाओं द्वारा O2 का उपयोग कैटाबोलिक अभिक्रियाओं के लिए और CO2 का परिणामी विमोचन (कोशिकीय श्वसन जैसा कि अध्याय 14 में वर्णित है)।
17.2 श्वसन की क्रियाविधि
सांस लेने में दो चरण होते हैं: श्वास (inspiration) जिसके दौरान वायुमंडलीय हवा अंदर खींची जाती है और निःश्वास (expiration) जिससे एल्वियोलियर हवा बाहर निकलती है। फेफड़ों में हवा का अंदर-बाहर आना फेफड़ों और वातावरण के बीच दबाव अंतर (pressure gradient) बनाकर किया जाता है। श्वास तभी हो सकता है जब फेफड़ों के भीतर का दबाव (intra-pulmonary pressure) वायुमंडलीय दबाव से कम हो, अर्थात् फेफड़ों में वायुमंडलीय दबाव के सापेक्ष ऋणात्मक दबाव हो। इसी प्रकार, निःश्वास तब होता है जब intra-pulmonary pressure वायुमंडलीय दबाव से अधिक हो। डायाफ्राम (diaphragm) और पसलियों के बीच स्थित विशेष स्नायु—बाह्य और आंतरिक अंतरपसली (external व internal intercostals)—इस प्रकार के दबाव अंतर उत्पन्न करने में सहायक होते हैं। श्वास की शुरुआत डायाफ्राम के संकुचन से होती है जो छाती के गुहा (thoracic chamber) के आयतन को antero-posterior अक्ष में बढ़ा देता है। बाह्य अंतरपसली स्नायुओं के संकुचन से पसलियाँ और स्टर्नम (sternum) ऊपर उठते हैं, जिससे thoracic chamber का आयतन dorso-ventral अक्ष में बढ़ता है। thoracic volume में यह कुल वृद्धि pulmonary volume में समान वृद्धि का कारण बनती है। pulmonary volume बढ़ने से intra-pulmonary pressure वायुमंडलीय दबाव से कम हो जाता है, जिससे बाहर की हवा फेफड़ों में अंदर खींची जाती है—अर्थात् श्वास (Figure 17.2a)। डायाफ्राम और अंतरपसली स्नायुओं के शिथिल होने पर डायाफ्राम और स्टर्नम अपनी सामान्य स्थिति में लौट आते हैं, जिससे thoracic volume और इसके द्वारा pulmonary volume घट जाता है। इससे intra-pulmonary pressure थोड़ा-सा वायुमंडलीय दबाव से ऊपर चला जाता है और फेफड़ों से हवा बाहर निकलती है—अर्थात् निःश्वास (Figure 17.2b)। हम पेट के अतिरिक्त स्नायुओं की सहायता से श्वास और निःश्वास की ताकत बढ़ाने में सक्षम होते हैं। औसतन, एक स्वस्थ मनुष्य 12-16 बार प्रति मिनट सांस लेता है। सांस लेने की गतियों में शामिल हवा का आयतन एक स्पायरोमीटर (spirometer) की सहायता से अनुमानित किया जा सकता है, जो फेफड़ों की कार्यात्मक स्थिति के नैदानिक आकलन में मदद करता है।
आकृति 17.2 श्वासन की क्रिया दिखाती है : (a) श्वास लेना (b) श्वास छोड़ना
17.2.1 श्वसन आयतन तथा क्षमताएँ
ज्वारीय आयतन (TV): सामान्य श्वसन के दौरान ली गई या छोड़ी गई वायु की मात्रा। यह लगभग 500 मिली होती है, अर्थात् एक स्वस्थ व्यक्ति प्रति मिनट लगभग 6000 से 8000 मिली वायु ले या छोड़ सकता है।
प्रेरकीय आरक्षित आयतन (IRV): अतिरिक्त वायु की मात्रा, जिसे कोई व्यक्ति जोरदार श्वास लेकर अंदर ले सकता है। यह औसतन 2500 मिली से 3000 मिली होता है।
निष्कासन आरक्षित आयतन (ERV): अतिरिक्त वायु की मात्रा, जिसे कोई व्यक्ति जोरदार श्वास छोड़कर बाहर निकाल सकता है। यह औसतन 1000 मिली से 1100 मिली होता है।
अवशिष्ट आयतन (RV): वायु की वह मात्रा जो जोरदार श्वास छोड़ने के बाद भी फेफड़ों में रह जाती है। यह औसतन 1100 मिली से 1200 मिली होता है। ऊपर वर्णित कुछ श्वसन आयतनों को जोड़कर विभिन्न फुफ्फुसीय क्षमताएँ निकाली जा सकती हैं, जिनका उपयोग नैदानिक निदान में किया जा सकता है।
प्रेरकीय क्षमता (IC): वायु की कुल मात्रा जिसे कोई व्यक्ति सामान्य श्वास छोड़ने के बाद अंदर ले सकता है। इसमें ज्वारीय आयतन और प्रेरकीय आरक्षित आयतन शामिल होते हैं (TV+IRV)।
निष्कासन क्षमता (EC): वायु की कुल मात्रा जिसे कोई व्यक्ति सामान्य श्वास लेने के बाद बाहर निकाल सकता है। इसमें ज्वारीय आयतन और निष्कासन आरक्षित आयतन शामिल होते हैं (TV+ERV)।
फंक्शनल रेसिड्यूअल कैपेसिटी (FRC): सामान्य श्वास छोड़ने के बाद फेफड़ों में शेष रहने वाली हवा की मात्रा। इसमें ERV+RV शामिल होता है।
वाइटल कैपेसिटी (VC): अधिकतम हवा की मात्रा जिसे कोई व्यक्ति जबरदस्त श्वास छोड़ने के बाद अंदर खींच सकता है। इसमें ERV, TV और IRV शामिल होते हैं या अधिकतम हवा की मात्रा जिसे कोई व्यक्ति जबरदस्त श्वास खींचने के बाद बाहर छोड़ सकता है।
टोटल लंग कैपेसिटी (TLC): जबरदस्त श्वास खींचने के अंत में फेफड़ों में समाई कुल हवा की मात्रा। इसमें RV, ERV, TV और IRV शामिल होते हैं या वाइटल कैपेसिटी + रेसिड्यूअल वॉल्यूम।
17.3 गैसों का आदान-प्रदान
एल्वियोली गैसों के आदान-प्रदान के प्राथमिक स्थल होते हैं। गैसों का आदान-प्रदान रक्त और ऊतकों के बीच भी होता है। O2 और CO2 का आदान-प्रदान इन स्थलों पर सरल विसरण द्वारा मुख्यतः दबाव/सांद्रता प्रवाह के आधार पर होता है। गैसों की घुलनशीलता के साथ-साथ विसरण में शामिल झिल्लियों की मोटाई भी कुछ महत्वपूर्ण कारक हैं जो विसरण की दर को प्रभावित कर सकते हैं। गैसों के मिश्रण में किसी व्यक्तिगत गैस द्वारा योगदान किया गया दबाव आंशिक दबाव कहलाता है और इसे ऑक्सीजन के लिए pO2 और कार्बन डाइऑक्साइड के लिए pCO2 के रूप में दर्शाया जाता है। इन दोनों गैसों के आंशिक दबाव वायुमंडलीय हवा में और विसरण के दोनों स्थलों पर टेबल 17.1 और चित्र 17.3 में दिए गए हैं। टेबल में दिए गए आंकड़े स्पष्ट रूप से ऑक्सीजन के लिए एल्वियोली से रक्त और रक्त से ऊतकों तक एक सांद्रता प्रवाह को दर्शाते हैं।
टेबल 14.1 विसरण में शामिल विभिन्न भागों में ऑक्सीजन और कार्बन डाइऑक्साइड के आंशिक दबाव (mm Hg में) वायुमंडल की तुलना में
| श्वसन गैस |
वायुमंडलीय वायु |
एल्वियोलाई | रक्त (अनॉक्सीजनीकृत) |
रक्त (ऑक्सीजनीकृत) |
ऊतक |
|---|---|---|---|---|---|
| $\mathrm{O}_2$ | 159 | 104 | 40 | 95 | 40 |
| $\mathrm{CO}_2$ | 0.3 | 40 | 45 | 40 | 45 |
आकृति 17.3 एल्वियोलाई और शरीर के ऊतकों में गैसों के आदान-प्रदान तथा ऑक्सीजन और कार्बन डाइऑक्साइड के परिवहन का आरेखीय प्रतिनिधित्व
इसी प्रकार, CO2 के लिए विपरीत दिशा में एक ग्रेडिएंट मौजूद होता है, अर्थात् ऊतकों से रक्त और रक्त से वायुकोषिकाओं की ओर। चूँकि CO2 की विलेयता O2 की तुलना में 20-25 गुना अधिक होती है, आंशिक दबाव में प्रति इकाई अंतर के माध्यम से विसरण झिल्ली से विसरित होने वाली CO2 की मात्रा O2 की तुलना में कहीं अधिक होती है। विसरण झिल्ली तीन प्रमुख परतों (चित्र 17.4) से बनी होती है, अर्थात् वायुकोषिकाओं की पतली स्क्वैमस उपकला, वायुकोषिका केशिकाओं की एंडोथेलियम और इन दोनों के बीच की आधारभूत पदार्थ (जिसमें स्क्वैमस उपकला को सहारा देने वाली पतली आधारभूत झिल्ली और केशिकाओं की एकल परत एंडोथेलियल कोशिकाओं को घेरने वाली आधारभूत झिल्ली शामिल होती है)। हालाँकि, इसकी कुल मोटाई एक मिलीमीटर से कहीं कम होती है। इसलिए, हमारे शरीर में सभी कारक वायुकोषिकाओं से ऊतकों तक O2 के विसरण और ऊतकों से वायुकोषिकाओं तक CO2 के विसरण के लिए अनुकूल हैं।
चित्र 17.4 एक वायुकोषिका के अनुप्रस्थ काट का आरेख जिसमें एक फुफ्फुसीय केशिका दिखाई गई है।
17.4 गैसों का परिवहन
रक्त O2 और CO2 के परिवहन का माध्यम है। लगभग 97 प्रतिशत O2 रक्त में RBCs द्वारा परिवहित होता है। शेष 3 प्रतिशत O2 प्लाज्मा के माध्यम से विलयी अवस्था में ले जाया जाता है। लगभग 20-25 प्रतिशत CO2 RBCs द्वारा परिवहित होता है जबकि इसका 70 प्रतिशत बाइकार्बोनेट के रूप में ले जाया जाता है। लगभग 7 प्रतिशत CO2 प्लाज्मा के माध्यम से विलयी अवस्था में ले जाया जाता है।
17.4.1 ऑक्सीजन का परिवहन
हीमोग्लोबिन एक लाल रंग का लोहा युक्त वर्णक है जो आरबीसी में मौजूद होता है। O2 हीमोग्लोबिन के साथ प्रतिवर्ती तरीके से बंधकर ऑक्सीहीमोग्लोबिन बना सकता है। प्रत्येक हीमोग्लोबिन अणु अधिकतम चार अणु O2 को वहन कर सकता है। हीमोग्लोबिन के साथ ऑक्सीजन का बंधन मुख्यतः O2 के आंशिक दाब से संबंधित होता है। CO2 का आंशिक दाब, हाइड्रोजन आयन सांद्रता और तापमान अन्य कारक हैं जो इस बंधन में हस्तक्षेप कर सकते हैं। जब O2 के साथ हीमोग्लोबिन की प्रतिशत संतृप्ति को pO2 के विरुद्ध प्लॉट किया जाता है तो एक सिग्मॉइड वक्र प्राप्त होता है। इस वक्र को ऑक्सीजन विघटन वक्र (चित्र 17.5) कहा जाता है और यह pCO2, H+ सांद्रता आदि जैसे कारकों के हीमोग्लोबिन के साथ O2 के बंधन पर प्रभाव का अध्ययन करने में अत्यंत उपयोगी है। ऐल्विओली में, जहाँ उच्च pO2, निम्न pCO2, कम H+ सांद्रता और निम्न तापमान होता है, सभी कारक ऑक्सीहीमोग्लोबिन के निर्माण के लिए अनुकूल होते हैं, जबकि ऊतकों में, जहाँ निम्न pO2, उच्च pCO2, उच्च H+ सांद्रता और उच्च तापमान होता है, परिस्थितियाँ ऑक्सीहीमोग्लोबिन से ऑक्सीजन के विघटन के लिए अनुकूल होती हैं। यह स्पष्ट रूप से दर्शाता है कि O2 फेफड़ों की सतह पर हीमोग्लोबिन से बंधता है और ऊतकों में विघटित होता है। प्रत्येक 100 मिली ऑक्सीजनयुक्त रक्त सामान्य शारीरिक परिस्थितियों में ऊतकों को लगभग 5 मिली O2 प्रदान कर सकता है।
आकृति 17.5 ऑक्सीजन विघटन वक्र
17.4.2 कार्बन डाइऑक्साइड का परिवहन
CO2 हीमोग्लोबिन द्वारा कार्बामिनो-हीमोग्लोबिन के रूप में वहन किया जाता है (लगभग 20-25 प्रतिशत)। यह बंधन CO2 के आंशिक दबाव से संबंधित है। pO2 एक प्रमुख कारक है जो इस बंधन को प्रभावित कर सकता है। जब pCO2 अधिक होता है और pO2 कम होता है जैसे कि ऊतकों में, कार्बन डाइऑक्साइड का अधिक बंधन होता है जबकि जब pCO2 कम होता है और pO2 अधिक होता है जैसे कि ऐल्वियोली में, कार्बामिनो-हीमोग्लोबिन से CO2 का विघटन होता है, अर्थात् CO2 जो ऊतकों से हीमोग्लोबिन से बंधा हुआ है, वह ऐल्वियोली में छोड़ा जाता है। RBCs में कार्बोनिक एनहाइड्रेज़ नामक एंजाइम की बहुत अधिक सांद्रता होती है और प्लाज्मा में भी इसकी बहुत कम मात्रा मौजूद होती है। यह एंजाइम निम्नलिखित अभिक्रिया को दोनों दिशाओं में सरल बनाता है।
$\mathrm{CO}_2 + \mathrm{H}_2\mathrm{O} \stackrel{\text{कार्बोनिक एनहाइड्रेज़}}{\underset{\longleftarrow}{\longrightarrow}}\mathrm{H}_2\mathrm{CO}_3 \stackrel{\text{कार्बोनिक एनहाइड्रेज़}}{\underset{\longleftarrow}{\longrightarrow}} \mathrm{HCO}_3^{-} + \mathrm{H}^+$
ऊतक स्थल पर जहाँ कैटाबोलिज्म के कारण CO2 का आंशिक दबाव अधिक होता है, CO2 रक्त में (RBCs और प्लाज्मा में) विसरित होता है और HCO3– और H+ बनाता है। एल्वियोलर स्थल पर जहाँ pCO2 कम होता है, प्रतिक्रिया विपरीत दिशा में आगे बढ़ती है जिससे CO2 और H2O का निर्माण होता है। इस प्रकार, ऊतक स्तर पर बाइकार्बोनेट के रूप में फँसा CO2, एल्वियोलाई तक परिवहित होकर CO2 के रूप में बाहर छोड़ा जाता है (चित्र 17.4)। प्रत्येक 100 मिली डिऑक्सीजनेटेड रक्त लगभग 4 मिली CO2 को एल्वियोलाई में पहुँचाता है।
17.5 श्वसन का नियमन
मनुष्यों में श्वसन लय को शरीर के ऊतकों की मांग के अनुसार बनाए रखने और नियंत्रित करने की उल्लेखनीय क्षमता होती है। यह कार्य तंत्रिका तंत्र द्वारा किया जाता है। मस्तिष्क के मेडुला क्षेत्र में उपस्थित एक विशिष्ट केंद्र, जिसे श्वसन लय केंद्र कहा जाता है, मुख्य रूप से इस नियंत्रण के लिए उत्तरदायी होता है। मस्तिष्क के पॉन्स क्षेत्र में उपस्थित एक अन्य केंद्र, जिसे न्यूमोटैक्सिक केंद्र कहा जाता है, श्वसन लय केंद्र के कार्यों को मॉडरेट कर सकता है। इस केंद्र से आने वाला तंत्रिकीय संकेत प्रेरणा की अवधि को कम कर सकता है और इस प्रकार श्वसन दर को बदल सकता है। रिदम केंद्र के समीप एक रासायनिक संवेदनशील क्षेत्र स्थित होता है जो CO2 और हाइड्रोजन आयनों के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होता है। इन पदार्थों में वृद्धि इस केंद्र को सक्रिय कर सकती है, जो बदले में रिदम केंद्र को इन पदार्थों को समाप्त करने के लिए श्वसन प्रक्रिया में आवश्यक समायोजन करने का संकेत दे सकता है। आर्टिक आर्च और कैरोटिड धमनी से जुड़े रिसेप्टर्स भी CO2 और H+ सांद्रता में परिवर्तन को पहचान सकते हैं और रिदम केंद्र को उपचारात्मक कार्यवाही के लिए आवश्यक संकेत भेज सकते हैं। श्वसन लय के नियंत्रण में ऑक्सीजन की भूमिका काफी हद तक नगण्य होती है।
17.6 श्वसन तंत्र के विकार
दमा सांस लेने में कठिनाई है जो ब्रॉन्की और ब्रॉन्कियोल्स की सूजन के कारण घरघराहट पैदा करती है।
एम्फीसीमा एक पुराना विकार है जिसमें एल्वियोलर दीवारें क्षतिग्रस्त हो जाती हैं जिससे श्वसन सतह घट जाती है। इसका एक प्रमुख कारण सिगरेट पीना है।
व्यावसायिक श्वसन संबंधी विकार: कुछ उद्योगों में, विशेष रूप से जहाँ पीसने या पत्थर तोड़ने का काम होता है, इतनी अधिक धूल उत्पन्न होती है कि शरीर की रक्षा प्रणाली पूरी तरह से उसका सामना नहीं कर पाती। लंबे समय तक इसके संपर्क में रहने से सूजन हो सकती है जो फाइब्रोसिस (फाइबरयुक्त ऊतकों की अत्यधिक वृद्धि) की ओर ले जाती है और इस प्रकार फेफड़ों को गंभीर नुकसान पहुँचता है। ऐसे उद्योगों में काम करने वाले श्रमिकों को सुरक्षात्मक मास्क पहनने चाहिए।
सारांश
कोशिकाएँ चयापचय के लिए ऑक्सीजन का उपयोग करती हैं और ऊर्जा के साथ-साथ कार्बन डाइऑक्साइड जैसी हानिकारक पदार्थों का उत्पादन करती हैं। जानवरों ने कोशिकाओं तक ऑक्सीजन पहुँचाने और वहाँ से कार्बन डाइऑक्साइड को हटाने के लिए विभिन्न तंत्र विकसित किए हैं। हमारे पास यह कार्य करने के लिए दो फेफड़ों और संबंधित वायुमार्गों से युक्त एक विकसित श्वसन तंत्र है।
स्वसन का प्रथम चरण श्वसन है जिसके द्वारा वायुमंडलीय वायु अंदर ली जाती है (श्वसन) और एल्वियोली वायु बाहर छोड़ी जाती है (निःश्वसन)। ऑक्सीजन और कार्बन डाइऑक्साइड का अनॉक्सीजनेटेड रक्त और एल्वियोली के बीच आदान-प्रदान, इन गैसों का रक्त द्वारा पूरे शरीर में परिवहन, ऑक्सीजनेटेड रक्त और ऊतकों के बीच ऑक्सीजन और कार्बन डाइऑक्साइड का आदान-प्रदान और कोशिकाओं द्वारा ऑक्सीजन का उपयोग (कोशिकीय श्वसन) अन्य शामिल चरण हैं।
श्वसन और निःश्वसन विशेषकृत पेशियों - अंतरपर्शुक और डायाफ्राम की सहायता से वातावरण और एल्वियोली के बीच दाब प्रवणता उत्पन्न करके किए जाते हैं। इन क्रियाओं में शामिल वायु की मात्रा स्पायरोमीटर की सहायता से आकलित की जा सकती है और ये नैदानिक महत्व की होती हैं।
एल्वियोली और ऊतकों पर ऑक्सीजन और कार्बन डाइऑक्साइड का आदान-प्रदान विसरण द्वारा होता है। विसरण की दर ऑक्सीजन (pO2) और कार्बन डाइऑक्साइड (pCO2) के आंशिक दाब प्रवणता, उनकी विलेयता तथा विसरण सतह की मोटाई पर निर्भर करती है। हमारे शरीर में ये कारक एल्वियोली से अनॉक्सीजनेटेड रक्त में तथा ऑक्सीजनेटेड रक्त से ऊतकों में ऑक्सीजन के विसरण की सुविधा प्रदान करते हैं। ये कारक विपरीत दिशा में, अर्थात् ऊतकों से एल्वियोली तक कार्बन डाइऑक्साइड के विसरण के लिए अनुकूल हैं।
ऑक्सीजन मुख्यतः ऑक्सीहीमोग्लोबिन के रूप में परिवहित होती है। एल्वियोली में जहाँ pO₂ अधिक होती है, O₂ हीमोग्लोबिन से बंध जाता है जो ऊतकों में आसानी से विघटित हो जाता है जहाँ pO₂ कम और pCO₂ तथा H⁺ सांद्रता अधिक होती है। लगभग 70 प्रतिशत कार्बन डाइऑक्साइड बाइकार्बोनेट (HCO₃⁻) के रूप में एंजाइम कार्बोनिक एनहाइड्रेज की सहायता से परिवहित होती है। 20-25 प्रतिशत कार्बन डाइऑक्साइड हीमोग्लोबिन द्वारा कार्बामिनो-हीमोग्लोबिन के रूप में वहन की जाती है। ऊतकों में जहाँ pCO₂ अधिक होती है, यह रक्त से बंध जाती है जबकि एल्वियोली में जहाँ pCO₂ कम और pO₂ अधिक होती है, यह रक्त से हटा दी जाती है।
श्वसन ताल मस्तिष्क के मेडुला क्षेत्र में स्थित श्वसन केंद्र द्वारा बनाए रखा जाता है। मस्तिष्क के पोंस क्षेत्र में स्थित एक न्यूमोटैक्सिक केंद्र और मेडुला में स्थित एक रसायन-संवेदनशील क्षेत्र श्वसन तंत्र को बदल सकते हैं।
अभ्यास
1. वायल क्षमता को परिभाषित कीजिए। इसका क्या महत्व है?
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उत्तर
वायल क्षमता अधिकतम श्वास लेने के बाद बाहर निकाली जा सकने वाली वायु का अधिकतम आयतन है। यह मानव शरीर में लगभग 3.5 - 4.5 लीटर होता है। यह ताजी वायु की आपूर्ति और दूषित वायु के निष्कासन की क्रिया को बढ़ावा देती है, जिससे ऊतकों और पर्यावरण के बीच गैसीय विनिमय बढ़ता है।
2. सामान्य श्वास लेने के बाद फेफड़ों में शेष वायु की मात्रा बताइए।
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उत्तर
सामान्य श्वास छोड़ने के बाद फेफड़ों में शेष वायु की मात्रा को कार्यात्मक अवशेष क्षमता (FRC) कहा जाता है। इसमें श्वास छोड़ने का आरक्षित आयतन (ERV) और अवशेष आयतन (RV) शामिल होते हैं। ERV सामान्य श्वास छोड़ने के बाद बाहर निकाली जा सकने वाली वायु का अधिकतम आयतन है। यह लगभग $1000 mL$ से $1500 mL$ होता है। RV अधिकतम श्वास छोड़ने के बाद फेफड़ों में शेष वायु की मात्रा है। यह लगभग $1100 mL$ से $1500 mL$ होता है।
$\therefore FRC=ERV+RV$
$\cong 1500+1500$
$\cong 3000 mL$
मानव फेफड़ों की कार्यात्मक अवशेष क्षमता लगभग 2500 - $3000 mL$ होती है।
3. गैसों का विसरण केवल एल्वियोली क्षेत्र में होता है और श्वसन तंत्र के अन्य भागों में नहीं। क्यों?
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उत्तर
प्रत्येक वायुकोष अत्यधिक पारगम्य और पतली स्क्वैमस उपकला कोशिकाओं की परतों से बना होता है। इसी प्रकार, रक्त केशिकाओं में भी स्क्वैमस उपकला कोशिकाओं की परतें होती हैं। ऑक्सीजन-समृद्ध वायु नाक के माध्यम से शरीर में प्रवेश करती है और वायुकोषों तक पहुँचती है। शरीर से डिऑक्सीजनेटेड (कार्बन डाइऑक्साइड-समृद्ध) रक्त शिराओं द्वारा हृदय तक लाया जाता है। हृदय इसे ऑक्सीजनेशन के लिए फेफड़ों में पंप करता है। वायुकोषों को घेरने वाली रक्त केशिकाओं और वायुकोषों में मौजूद गैसों के बीच $O_2$ और $CO_2$ का आदान-प्रदान होता है।
इस प्रकार, वायुकोष गैसीय आदान-प्रदान के स्थल होते हैं। गैसों का आदान-प्रदान सरल विसरण द्वारा दबाव या सांद्रता में अंतर के कारण होता है। वायुकोष और केशिकाओं के बीच की बाधा पतली होती है और गैसों का विसरण उच्चतर आंशिक दबाव से निम्नतर आंशिक दबाव की ओर होता है। वायुकोषों तक पहुँचने वाले शिरीय रक्त में $O_2$ का आंशिक दबाव वायुकोषीय वायु की तुलना में कम और $CO_2$ का आंशिक दबाव अधिक होता है। इसलिए, ऑक्सीजन रक्त में विसरित होती है। साथ ही, कार्बन डाइऑक्साइड रक्त से बाहर निकलकर वायुकोषों में विसरित होती है।
4. $CO_2$ के प्रमुख परिवहन तंत्र क्या हैं? समझाइए।
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उत्तर
प्लाज्मा और लाल रक्त कोशिकाएँ कार्बन डाइऑक्साइड का परिवहन करती हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि ये जल में आसानी से घुलनशील होते हैं।
(1) प्लाज्मा के माध्यम से:
लगभग $7 %$ $CO_2$ प्लाज्मा के माध्यम से विलयित अवस्था में वहन की जाती है। कार्बन डाइऑक्साइड जल के साथ मिलकर कार्बोनिक अम्ल बनाती है।
$ CO_2+H_2 O \longrightarrow \underset{\text{(कार्बोनिक अम्ल)}}{H_2 CO_3} $
चूँकि कार्बोनिक अम्ल बनने की प्रक्रिया धीमी होती है, इस तरह से केवल थोड़ी मात्रा में कार्बन डाइऑक्साइड ही ले जाया जाता है।
(2) आरबीसी के माध्यम से:
लगभग 20 – $25 %$ $CO_2$ लाल रक्त कोशिकाओं द्वारा कार्बामिनोहीमोग्लोबिन के रूप में परिवहित होता है। कार्बन डाइऑक्साइड हीमोग्लोबिन की पॉलीपेप्टाइड श्रृंखलाओं पर मौजूद अमीनो समूहों से जुड़कर कार्बामिनोहीमोग्लोबिन नामक यौगिक बनाती है।
(3) सोडियम बाइकार्बोनेट के माध्यम से:
लगभग $70 %$ कार्बन डाइऑक्साइड सोडियम बाइकार्बोनेट के रूप में परिवहित होती है। जैसे ही $CO_2$ रक्त प्लाज्मा में विसरित होती है, इसका एक बड़ा भाग एंजाइम कार्बोनिक एनहाइड्रेज़ की उपस्थिति में पानी से मिलकर कार्बोनिक अम्ल बनाता है। कार्बोनिक एनहाइड्रेज़ एक जिंक एंजाइम है जो कार्बोनिक अम्ल के निर्माण को तेज करता है। यह कार्बोनिक अम्ल बाइकार्बोनेट $(HCO_3{ }^{-})$ और हाइड्रोजन आयनों $(H^{+})$ में विघटित होता है।
$ CO_2+H_2 O \xrightarrow{\text{ कार्बोनिक एनहाइड्रेज़ }} H_2 CO_3 $
$ \mathrm{H_2CO_3} \xrightarrow[\text{कार्बोनिक}]{\text{एनहाइड्रेज़}} + \mathrm{HCO_3^-} + \mathrm{H^+} $
5. वायुमंडलीय वायु की तुलना में ऐल्वियोलर वायु में $pO_2$ और $pCO_2$ कैसी होंगी?
(i) $pO_2$ कम, $pCO_2$ अधिक
(ii) $pO_2$ अधिक, $pCO_2$ कम
(iii) $pO_2$ अधिक, $pCO_2$ अधिक
(iv) $pO_2$ कम, $pCO_2$ कम
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उत्तर
(ii) $pO_2$ अधिक, $pCO_2$ कम
वायुमंडलीय वायु में ऑक्सीजन का आंशिक दाब फुफ्फुसीय वायु में ऑक्सीजन के आंशिक दाब से अधिक होता है। वायुमंडलीय वायु में $pO_2$ लगभग $159 mm Hg$ होता है। फुफ्फुसीय वायु में यह लगभग $104 mm Hg$ होता है।
वायुमंडलीय वायु में कार्बन डाइऑक्साइड का आंशिक दाब फुफ्फुसीय वायु में कार्बन डाइऑक्साइड के आंशिक दाब से कम होता है। वायुमंडलीय वायु में $pCO_2$ लगभग $0.3 mmHg$ होता है। फुफ्फुसीय वायु में यह लगभग $40 mm Hg$ होता है।
6. सामान्य परिस्थितियों में श्वसन की प्रक्रिया की व्याख्या कीजिए।
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उत्तर
डायाफ्राम संकुचित होता है
श्वसन या श्वास लेना शरीर के बाहर से वायु को फेफड़ों में लाने की प्रक्रिया है। यह फेफड़ों और वातावरण के बीच दाब विभाजन उत्पन्न करके किया जाता है।
जब वायु फेफड़ों में प्रवेश करती है, तो डायाफ्राम पेट की गुहा की ओर संकुचित होता है, जिससे वक्ष गुहा में श्वसित वायु को समायोजित करने के लिए स्थान बढ़ जाता है।
बाह्य अंतरपसली पेशियों के एक साथ संकुचन के साथ वक्ष चैम्बर का आयतन अग्रपश्च अक्ष में बढ़ता है। इससे पसलियाँ और स्तनबंध बाहर की ओर खिसकते हैं, जिससे वक्ष चैम्बर का आयतन डोर्सोवेंट्रल अक्ष में बढ़ता है।
थोरैसिक आयतन में समग्र वृद्धि से फुफ्फुसीय आयतन में समान वृद्धि होती है। अब, इस वृद्धि के परिणामस्वरूप, अंतःफुफ्फुसीय दाब वायुमंडलीय दाब से कम हो जाता है। इससे शरीर के बाहर की हवा फेफड़ों में प्रवेश करती है।
7. श्वसन का नियमन कैसे होता है?
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उत्तर
मस्तिष्क के मेडुला क्षेत्र में उपस्थित श्वसन ताल केंद्र मुख्य रूप से श्वसन के नियमन के लिए उत्तरदायी है। न्यूमोटैक्सिक केंद्र श्वसन ताल केंद्र द्वारा किए गए कार्य को संकेत देकर परिवर्तित कर सकता है ताकि श्वासन दर को कम किया जा सके।
श्वसन केंद्र के निकट उपस्थित रसायन-संवेदी क्षेत्र कार्बन डाइऑक्साइड और हाइड्रोजन आयनों के प्रति संवेदनशील होता है। यह क्षेत्र फिर यौगिकों को निष्कासित करने के लिए श्वसन दर को बदलने के संकेत भेजता है।
कैरोटिड धमनी और ऑर्टा में उपस्थित ग्राही रक्त में कार्बन डाइऑक्साइड और हाइड्रोजन आयनों के स्तर का पता लगाते हैं। जैसे ही कार्बन डाइऑक्साइड का स्तर बढ़ता है, श्वसन केंद्र आवश्यक परिवर्तनों के लिए तंत्रिका आवेग भेजता है।
8. ऑक्सीजन परिवहन पर $pCO_2$ का प्रभाव क्या है?
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उत्तर
$pCO_2$ ऑक्सीजन के परिवहन में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। एल्वियोलस में, कम $pCO_2$ और उच्च $pO_2$ हीमोग्लोबिन के निर्माण को बढ़ावा देता है। ऊतकों में, उच्च $pCO_2$ और कम $pO_2$ ऑक्सीहीमोग्लोबिन से ऑक्सीजन के विघटन को बढ़ावा देता है। इसलिए, रक्त में $pCO_2$ के घटने से हीमोग्लोबिन की ऑक्सीजन के प्रति आकर्षण क्षमता बढ़ जाती है। इसलिए, ऑक्सीजन रक्त में ऑक्सीहीमोग्लोबिन के रूप में परिवहित होती है और ऊतकों में इससे पृथक हो जाती है।
9. एक पहाड़ पर चढ़ते समय मनुष्य की श्वसन प्रक्रिया में क्या होता है?
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उत्तर
जैसे-जैसे ऊंचाई बढ़ती है, वातावरण में ऑक्सीजन की मात्रा घट जाती है। इसलिए, जब एक मनुष्य पहाड़ पर चढ़ता है, तो वह प्रत्येक सांस के साथ कम ऑक्सीजन प्राप्त करता है। इससे रक्त में ऑक्सीजन की मात्रा घट जाती है। रक्त में ऑक्सीजन की मात्रा में कमी के प्रतिसाद में श्वसन दर बढ़ जाती है। साथ ही, रक्त को ऑक्सीजन की आपूर्ति बढ़ाने के लिए हृदय की धड़कन की दर भी बढ़ जाती है।
10. कीट में गैसीय विनिमय का स्थान क्या है?
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उत्तर
कीटों में, गैसीय विनिमय नलिकाओं के एक जाल के माध्यम से होता है जिसे सामूहिक रूप से ट्रेकियल तंत्र के रूप में जाना जाता है। कीट के शरीर के दोनों ओर स्थित छोटे छिद्र स्पिरेकल्स के रूप में जाने जाते हैं। ऑक्सीजन-समृद्ध वायु स्पिरेकल्स के माध्यम से प्रवेश करती है। स्पिरेकल्स नलिकाओं के जाल से जुड़े होते हैं। स्पिरेकल्स से ऑक्सीजन ट्रेकिया में प्रवेश करती है। यहां से ऑक्सीजन शरीर की कोशिकाओं में विसरित हो जाती है।
कार्बन डाइऑक्साइड की गति उल्टे मार्ग का अनुसरण करती है। शरीर की कोशिकाओं से $CO_2$ पहले ट्रेकी में प्रवेश करता है और फिर स्पाइरेकल्स के माध्यम से शरीर से बाहर निकल जाता है।
11. ऑक्सीजन डिसोसिएशन वक्र को परिभाषित कीजिए। क्या आप इसके सिग्मॉइडल पैटर्न का कोई कारण सुझा सकते हैं?
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उत्तर
ऑक्सीजन डिसोसिएशन वक्र एक ग्राफ है जो ऑक्सीजन के विभिन्न आंशिक दबावों पर ऑक्सीहीमोग्लोबिन के प्रतिशत संतृप्ति को दर्शाता है।
यह वक्र विभिन्न आंशिक दबावों पर ऑक्सीहीमोग्लोबिन और हीमोग्लोबिन के संतुलन को दर्शाता है।
फेफड़ों में ऑक्सीजन का आंशिक दबाव उच्च होता है। इसलिए, हीमोग्लोबिन ऑक्सीजन से जुड़कर ऑक्सीहीमोग्लोबिन बनाता है।
ऊतकों में ऑक्सीजन की सांद्रता कम होती है। इसलिए, ऊतकों पर ऑक्सीहीमोग्लोबिन ऑक्सीजन छोड़कर हीमोग्लोबिन बन जाता है।
डिसोसिएशन वक्र का सिग्मॉइड आकार हीमोग्लोबिन से ऑक्सीजन के बंधन के कारण होता है। जैसे ही पहला ऑक्सीजन अणु हीमोग्लोबिन से बंधता है, यह दूसरे ऑक्सीजन अणु के बंधन के लिए आकर्षण बढ़ा देता है। बाद में, हीमोग्लोबिन और अधिक ऑक्सीजन को आकर्षित करता है।
12. क्या आपने हाइपॉक्सिया के बारे में सुना है? इसके बारे में जानकारी इकट्ठा करने की कोशिश करें और अपने दोस्तों के साथ चर्चा करें।
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उत्तर
हाइपॉक्सिया एक ऐसी स्थिति है जिसमें फेफड़ों में ऑक्सीजन की अपर्याप्त या घटी हुई आपूर्ति होती है। यह कई बाहरी कारकों जैसे $pO_2$ में कमी, अपर्याप्त ऑक्सीजन आदि के कारण होता है। विभिन्न प्रकार की हाइपॉक्सिया नीचे चर्चा की गई हैं।
हाइपॉक्सेमिक हाइपॉक्सिया
इस स्थिति में, धमनी रक्त में ऑक्सीजन के आंशिक दबाव के कम होने के कारण रक्त में ऑक्सीजन की मात्रा में कमी आती है।
अरक्तता-जन्य हाइपॉक्सिया
इस स्थिति में, हीमोग्लोबिन की सांद्रता में कमी आती है।
स्थगनात्मक या इस्कीमिक हाइपॉक्सिया
इस स्थिति में, खराब रक्त परिसंचरण के कारण रक्त में ऑक्सीजन की मात्रा में कमी आती है। यह तब होता है जब व्यक्ति लंबे समय तक ठंडे तापमान के संपर्क में रहता है।
हिस्टोटॉक्सिक हाइपॉक्सिया
इस स्थिति में, ऊतक ऑक्सीजन का उपयोग करने में असमर्थ होते हैं। यह कार्बन मोनोऑक्साइड या सायनाइड विषाक्तता के दौरान होता है।
13. अंतर बताइए
(a) IRV और ERV
(b) श्वासन क्षमता और श्वासोच्छवास क्षमता।
(c) जीवन क्षमता और कुल फेफड़ों की क्षमता।
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उत्तर
(a)
| श्वासन आरक्षित आयतन (IRV) | श्वासोच्छवास आरक्षित आयतन (ERV) |
|---|---|
| 1. यह सामान्य श्वास के बाद श्वास ली जा सकने वाली अधिकतम वायु की मात्रा है। | 1. यह सामान्य श्वासोच्छवास के बाद श्वासोच्छवास की जा सकने वाली अधिकतम वायु की मात्रा है। |
| 2. यह मानव फेफड़ों में लगभग 2500 से 3500 मिलीलीटर होता है। | 2. यह मानव फेफड़ों में लगभग 1000 से 1100 मिलीलीटर होता है। |
(b)
| श्वास क्षमता (IC) | उच्छ्वास क्षमता (EC) |
|---|---|
| 1. यह वायु की वह मात्रा है जो सामान्य उच्छ्वास के बाद श्वास ली जा सकती है। | 1. यह वायु की वह मात्रा है जो सामान्य श्वास के बाद उच्छ्वासित की जा सकती है। |
| 2. इसमें ज्वारीय आयतन और श्वास रिज़र्व आयतन शामिल होते हैं। | 2. इसमें ज्वारीय आयतन और उच्छ्वास रिज़र्व आयतन शामिल होते हैं। |
| $IC=TV+IRV$ | $EC=TV+ERV$ |
(c)
| जीवन क्षमता (VC) | कुल फेफड़ा क्षमता (TLC) |
|---|---|
| 1. यह वायु की अधिकतम मात्रा है जो अधिकतम श्वास के बाद उच्छ्वासित की जा सकती है। इसमें IC और ERV शामिल होते हैं। | 1. यह फेफड़ों में अधिकतम श्वास के बाद वायु की मात्रा है। इसमें IC, ERV और अवशेष आयतन शामिल होते हैं। |
| 2. यह मानव फेफड़ों में लगभग 4000 mL होती है। | 2. यह मानव फेफड़ों में लगभग 5000 से 6000 mL होती है। |
14. ज्वारीय आयतन क्या है? एक स्वस्थ मानव के लिए एक घंटे में ज्वारीय आयतन (अनुमानित मान) ज्ञात कीजिए।
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उत्तर
ज्वारीय आयतन सामान्य श्वसन के दौरान श्वास ली गई या उच्छ्वासित वायु की मात्रा होती है।
यह प्रति मिनट लगभग 6000 से $8000 mL$ वायु होती है।
एक स्वस्थ मानव के लिए एक घंटे में ज्वारीय आयतन की गणना इस प्रकार की जा सकती है:
ज्वारीय आयतन $=6000$ से $8000 mL/$ मिनट
एक घंटे में ज्वारीय आयतन $=6000$ से $8000 mL \times(60 min)$ $=3.6 \times 10^{5} mL$ से $4.8 \times 10^{5} mL$
इसलिए, एक स्वस्थ मानव के लिए एक घंटे में ज्वारीय आयतन लगभग $3.6 \times 10^{5} mL$ से $4.8 \times 10^{5} mL$ होती है।
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