कक्षा 11 जीव विज्ञान: श्वसन और गैसों का विनिमय NCERT समाधान

जैव क्षमता (Vital Capacity): जैव क्षमता फेफड़ों की वह अधिकतम वायु मात्रा है जिसे एक व्यक्ति पूरी शक्ति से साँस अंदर लेने के बाद पूरी शक्ति से साँस बाहर छोड़ने पर निकाल सकता है। यह अन्त:श्वास आरक्षित आयतन (IRV), प्रवाही आयतन (TV), और उच्छ्वास आरक्षित आयतन (ERV) का योग होती है।

$$जैव\; क्षमता\; =\; IRV\; +\; TV\; +\; ERV$$

सामान्य मान लगभग 4600 मिली होता है (IRV ≈ 3000 मिली, TV ≈ 500 मिली, ERV ≈ 1100 मिली)।

महत्त्व:

• ऊर्जा उत्पादन: जिस व्यक्ति की जैव क्षमता जितनी अधिक होती है, उसके शरीर की जैविक क्रियाओं के लिए उतनी ही अधिक ऊर्जा प्राप्त होती है।
• शारीरिक क्षमता: खिलाड़ियों, पर्वतारोहियों और तैराकों जैसे शारीरिक रूप से सक्रिय व्यक्तियों की जैव क्षमता सामान्य व्यक्ति से अधिक होती है, जो उनकी बेहतर कार्य क्षमता को दर्शाता है।
• आयु और लिंग: सामान्यतः युवकों की जैव क्षमता प्रौढ़ों से अधिक होती है, और पुरुषों की जैव क्षमता स्त्रियों से अधिक होती है।

यह फेफड़ों की कार्यक्षमता का एक महत्वपूर्ण संकेतक है।

सामान्य निःश्वसन (exhalation) के बाद भी फेफड़ों में कुछ वायु शेष रह जाती है। इस शेष वायु के आयतन को कार्यात्मक अवशेष सामर्थ्य (Functional Residual Capacity, FRC) कहते हैं।

यह उच्छ्वास आरक्षित आयतन (ERV) और अवशेष आयतन (Residual Volume, RV) का योग होता है।

$$FRC\; =\; ERV\; +\; RV$$

सामान्यतः, ERV लगभग 1100 मिली और RV लगभग 1200 मिली होता है।

अतः, FRC का सामान्य मान लगभग:

$$FRC\; =\; 1100\; \backslash text\{\; मिली\}\; +\; 1200\; \backslash text\{\; मिली\}\; =\; 2300\; \backslash text\{\; मिली\}$$

इसलिए, सामान्य निःश्वसन के उपरान्त फेफड़ों में लगभग 2300 मिली वायु शेष रहती है।

गैसों का विनिमय (विसरण) फेफड़ों की कूपिकाओं (alveoli) में ही होता है, श्वसन तंत्र के अन्य भागों जैसे श्वासनाल (trachea), श्वसनी (bronchus), श्वसनिका (bronchiole) आदि में नहीं, इसके मुख्य कारण निम्नलिखित हैं:

1. कूपिकाओं की संरचना: मनुष्य के फेफड़ों में लगभग 30 करोड़ कूपिकाएँ होती हैं। इनकी भित्ति अत्यंत पतली (एकल कोशिका स्तर की) होती है और इसके चारों ओर रक्त केशिकाओं (blood capillaries) का एक घना जाल फैला होता है। यह पतली भित्ति और केशिकाओं का जाल मिलकर 'श्वसन कला' (respiratory membrane) बनाते हैं, जो गैसों के विसरण के लिए आदर्श सतह प्रदान करती है।
2. अन्य श्वसन भागों की संरचना: श्वासनाल, श्वसनी और श्वसनिकाओं की भित्ति कूपिकाओं की तुलना में मोटी होती है और इनमें रक्त केशिकाओं का घना जाल नहीं होता। इसलिए, ये भाग गैस विनिमय के लिए उपयुक्त नहीं होते।
3. वायु का आयतन: सामान्यतः हम लगभग 500 मिली वायु (प्रवाही वायु) साँस के साथ अंदर लेते हैं, जिसमें से केवल लगभग 350 मिली ही कूपिकाओं तक पहुँच पाती है। शेष वायु श्वसन मार्ग (जैसे श्वासनाल, श्वसनी) में ही रह जाती है और गैस विनिमय में भाग नहीं लेती।
4. विसरण का सिद्धांत: गैसों का विसरण उच्च आंशिक दबाव वाले क्षेत्र से निम्न आंशिक दबाव वाले क्षेत्र की ओर होता है। कूपिकाओं में ऑक्सीजन (O2) का आंशिक दबाव (लगभग 104 mm Hg) रक्त केशिकाओं में मौजूद अशुद्ध रुधिर की तुलना में अधिक होता है, जबकि कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) का आंशिक दबाव (लगभग 40 mm Hg) रक्त केशिकाओं में अधिक होता है। यह अंतर गैसों के कुशल विनिमय को सुनिश्चित करता है।

इन संरचनात्मक और कार्यात्मक अनुकूलनों के कारण, गैसों का विनिमय विशेष रूप से कूपकीय क्षेत्र में ही प्रभावी ढंग से होता है।

ऊतकों में उपापचय क्रियाओं के फलस्वरूप उत्पन्न कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) विसरण द्वारा रुधिर केशिकाओं में पहुँचती है। रुधिर द्वारा CO2 का परिवहन श्वसनांगों (फेफड़ों) तक मुख्य रूप से तीन विधियों द्वारा होता है:

1. प्लाज्मा में घुलकर (Dissolved in Plasma): लगभग 7% CO2 रुधिर प्लाज्मा में घुलकर परिवहन करती है। यह मुख्य रूप से कार्बोनिक अम्ल (H2CO3) के रूप में होती है।
2. बाइकार्बोनेट आयनों के रूप में (As Bicarbonate Ions): लगभग 70% CO2 का परिवहन बाइकार्बोनेट आयनों (HCO3-) के रूप में होता है। यह प्रक्रिया लाल रुधिराणुओं (RBCs) के अंदर होती है। CO2 लाल रुधिराणुओं में प्रवेश करती है और वहाँ कार्बोनिक एनहाइड्रेज (Carbonic Anhydrase) नामक एंजाइम की उपस्थिति में जल के साथ क्रिया करके कार्बोनिक अम्ल बनाती है। यह कार्बोनिक अम्ल फिर हाइड्रोजन आयन (H+) और बाइकार्बोनेट आयन (HCO3-) में वियोजित हो जाता है। बाइकार्बोनेट आयन फिर प्लाज्मा में चले जाते हैं, जबकि H+ आयन हीमोग्लोबिन से जुड़ जाते हैं।

$$CO\_2\; +\; H\_2O\; \backslash xrightarrow\{\backslash text\{कार्बोनिक\; एनहाइड्रेज\}\}\; H\_2CO\_3\; \backslash longrightarrow\; H^+\; +\; HCO\_3^-$$

यह प्रक्रिया फेफड़ों में विपरीत दिशा में होती है, जहाँ बाइकार्बोनेट आयन वापस लाल रुधिराणुओं में आते हैं, H+ आयन मुक्त होते हैं, और CO2 जल से मिलकर पुनः CO2 बनाती है जो फेफड़ों में विसरित हो जाती है।

3. कार्बनॉक्सीहीमोग्लोबिन के रूप में (As Carbaminohemoglobin): लगभग 20-23% CO2 लाल रुधिराणुओं के हीमोग्लोबिन (Hb) के अमीनो समूहों (-NH2) से सीधे जुड़कर कार्बनॉक्सीहीमोग्लोबिन बनाती है।

इस प्रकार, रुधिर ऊतकों से CO2 को ग्रहण करके फेफड़ों तक पहुँचाता है, जहाँ यह गैस विनिमय के माध्यम से बाहर निकल जाती है।