Respirasi Eksternal – Pengertian, komponen, mekanisme, contoh

Respirasi eksternal, umumnya dikenal sebagai pernapasan, adalah pertukaran oksigen dan karbon dioksida antara hewan dan lingkungannya. Kebanyakan hewan menggunakan organ khusus atau sistem organ, seperti paru-paru, trakea, atau insang, untuk pernapasan eksternal.

Proses pernapasan atau “respirasi” sering dijelaskan dalam dua bagian: Respirasi Eksternal dan Respirasi internal.

Artikel ini adalah tentang respirasi eksternal, yang merupakan proses supaya udara luar ditarik ke dalam tubuh untuk memasok paru-paru dengan oksigen, dan udara (yang digunakan) dikeluarkan dari paru-paru untuk menghilangkan karbon dioksida dari tubuh. (pelu diingat: Proses respirasi internal adalah pertukaran gas di paru-paru dengan mere dalam jaringan dan dijelaskan pada artikel berikutnya).

Pengertian

Respirasi eksternal adalah istilah formal untuk pertukaran gas. Ini menggambarkan aliran udara ke dan keluar dari paru-paru dan transfer oksigen dan karbon dioksida ke dalam aliran darah melalui difusi. Sementara aliran besar udara dari lingkungan eksternal terjadi karena perubahan tekanan di paru-paru, mekanisme pertukaran gas alveolar lebih rumit. Tiga komponen utama respirasi eksternal adalah luas permukaan membran alveolar, gradien tekanan parsial gas, dan pencocokan perfusi dan ventilasi.

Respirasi eksternal, umumnya dikenal sebagai pernapasan, adalah pertukaran oksigen dan karbon dioksida antara hewan dan lingkungannya. Sebagian besar hewan menggunakan organ khusus atau sistem organ, seperti paru-paru, trakea, atau insang, untuk respirasi eksternal.

Dalam semua kasus, pertukaran gas antara lingkungan dan hewan terjadi melalui difusi melalui permukaan basah pada hewan yang permeabel terhadap oksigen dan karbon dioksida. Difusi adalah pergerakan acak molekul dan menyebabkan pergerakan bersih molekul dari daerah konsentrasi tinggi ke wilayah konsentrasi rendah. Dengan demikian, oksigen bergerak ke dalam suatu organisme karena konsentrasinya di dalam lebih rendah daripada di lingkungan (udara atau air); karbon dioksida keluar dari suatu organisme karena konsentrasinya lebih tinggi di dalam daripada di lingkungan.

Dalam semua kasus, pertukaran gas antara lingkungan dan hewan terjadi dengan difusi melalui permukaan basah pada hewan yang permeabel terhadap oksigen dan karbon dioksida. Difusi adalah pergerakan acak molekul dan menyebabkan gerakan bersih molekul dari daerah konsentrasi tinggi ke daerah konsentrasi rendah. Dengan demikian, oksigen bergerak ke organisme karena konsentrasinya lebih rendah dalam daripada di lingkungan (udara atau air); karbon dioksida bergerak dari suatu organisme karena konsentrasinya lebih tinggi didalam daripada di lingkungan. Organisme yang berbeda memiliki mekanisme yang berbeda untuk mengekstraksi oksigen dari lingkungan mereka. Di bawah, mekanisme pertukaran gas pada hewan- telah diklasifikasikan ke dalam lima kategori.

Komponen Respirasi Eksternal

Luas permukaan

Alveoli memiliki rasio luas permukaan yang sangat tinggi yang memungkinkan pertukaran gas yang efisien. Alveoli ditutupi dengan kepadatan tinggi kapiler yang menyediakan banyak tempat untuk pertukaran gas.

Dinding membran alveolar tipis dan ditutupi dengan cairan, matriks ekstra-seluler yang menyediakan permukaan bagi molekul gas di udara paru-paru untuk berdifusi ke dalam, dari mana mereka kemudian dapat berdifusi ke dalam kapiler.

Gradien Tekanan parsial

Gradien tekanan parsial (perbedaan tekanan parsial) memungkinkan pemuatan oksigen ke dalam aliran darah dan pembongkaran karbon dioksida keluar dari aliran darah. Kedua proses ini terjadi secara bersamaan.

Oksigen memiliki gradien tekanan parsial sekitar 60 mmHg (100 mmHg dalam udara alveolar dan 40 mmHg dalam darah terdeoksigenasi) dan berdifusi dengan cepat dari udara alveolar ke kapiler.

Kesetimbangan antara udara alveolar dan kapiler tercapai dengan cepat, dalam sepertiga pertama dari panjang kapiler dalam sepertiga detik. Tekanan parsial oksigen dalam darah kapiler setelah oksigen dimuat sekitar 100 mmHg.

Prosesnya serupa dengan karbon dioksida. Gradien tekanan parsial untuk karbon dioksida jauh lebih kecil dibandingkan dengan oksigen, karena hanya 5 mmHg (45 mmHg dalam darah terdeoksigenasi dan 40 mmHg di udara alveolar).

Berdasarkan hukum Henry, kelarutan yang lebih besar dari karbon dioksida dalam darah dibandingkan dengan oksigen berarti bahwa difusi masih akan terjadi dengan sangat cepat meskipun gradien tekanan parsial yang lebih rendah. Keseimbangan antara udara alveolar dan kapiler untuk karbon dioksida tercapai dalam setengah pertama dari panjang kapiler dalam setengah detik. Tekanan parsial karbon dioksida dalam darah yang meninggalkan kapiler adalah 40 mmHg.

Ventilasi dan Pencocokan Perfusi

Pertukaran pasokan gas dan darah ke paru-paru harus seimbang untuk memfasilitasi pernapasan eksternal yang efisien. Sementara ketidakcocokan ventilasi-perfusi yang parah menunjukkan penyakit paru-paru yang parah, ketidakseimbangan minor dapat diperbaiki dengan mempertahankan aliran udara yang sebanding dengan aliran darah kapiler, yang menjaga keseimbangan ventilasi dan perfusi.

Perfusi di kapiler menyesuaikan dengan perubahan PAO2. Penyempitan di saluran udara (seperti dari bronkospasme dalam serangan asma) menyebabkan penurunan PAO2 karena aliran udara ke paru-paru melambat.

Sebagai tanggapan, arteri yang disuplai oleh jalan nafas terbatas mengalami vasokontriksi, mengurangi aliran darah ke dalam alveoli tersebut sehingga perfusi tidak menjadi relatif lebih besar dibandingkan dengan penurunan ventilasi (sejenis ketidaksesuaian ventilasi-perfusi yang disebut shunt).

Atau, bernapas dalam konsentrasi oksigen yang lebih tinggi dari tangki oksigen akan menyebabkan vasodilatasi dan peningkatan perfusi darah di kapiler.

Ventilasi menyesuaikan dari perubahan PACO2. Ketika aliran udara menjadi relatif lebih tinggi terhadap perfusi, PACO2 berkurang, sehingga bronkiolus akan mengerut untuk mempertahankan keseimbangan antara aliran udara (ventilasi) dan perfusi. Ketika aliran udara berkurang, PACO2 meningkat, sehingga bronkiolus akan melebar untuk menjaga keseimbangan.

Mekanisme Respirasi Eksternal

Difusi langsung

Spons, ubur-ubur, dan cacing pipih terestrial menggunakan metode primitif ini. Dalam difusi langsung, oksigen berdifusi dari lingkungan melalui sel-sel di permukaan hewan dan kemudian berdifusi ke sel-sel individual dalam. Hewan-hewan primitif yang menggunakan metode ini tidak memiliki organ pernapasan. Jelas, binatang dengan area permukaan kecil dan volume besar tidak bisa mengandalkan difusi langsung, karena sedikit oksigen akan mencapai bagian tubuh. Mikroba, jamur, dan tanaman semua mendapatkan oksigen yang mereka gunakan untuk respirasi seluler dengan difusi langsung melalui permukaan mereka.

Difusi ke dalam darah

Annelida (cacing tersegmentasi) dan amfibi menggunakan metode ini. Dalam metode ini, oksigen berdifusi melalui lapisan lembab sel epidermis pada permukaan tubuh dan dari sana melalui dinding kapiler dan ke dalam aliran darah. Setelah oksigen dalam darah, bergerak ke seluruh tubuh untuk jaringan yang berbeda dan sel. Meskipun metode ini tidak bergantung pada organ pernapasan dan dengan demikian cukup primitif, agak lebih maju daripada difusi langsung.

Trakea

Serangga dan arthropoda darat menggunakan metode ini. Dalam respirasi trakea, udara bergerak melalui bukaan di permukaan tubuh yang disebut spirakel dan kemudian ke tabung khusus yang disebut tracheae (tunggal, trakea) yang memperpanjang ke dalam tubuh. Para tracheae terbagi menjadi banyak cabang kecil yang menghubungkan otot dan organ. Pada serangga kecil, udara bergerak ke tracheae pasif, sedangkan pada serangga besar, gerakan tubuh memfasilitasi gerakan trakea udara. Keuntungan dari respirasi trakea adalah menyediakan oksigen langsung ke otot. Sel-sel otot menggunakan oksigen ini, bersama-sama dengan karbohidrat dan molekul energik lainnya pada hemolymph (darah serangga), untuk menghasilkan energi yang diperlukan untuk penerbangan.

Insang

Ikan dan hewan air lainnya menggunakan metode ini. Insang adalah jaringan khusus dengan banyak lipatan kedalam, masing-masing ditutupi oleh lapisan tipis sel dan diresapi dengan kapiler darah. Mereka mengambil oksigen terlarut dalam air dan mengusir karbon dioksida terlarut dalam darah. Insang bekerja dengan mekanisme yang disebut pertukaran lawan arus, di mana darah dan aliran air di jalur diskrit dan arah yang berlawanan. Hal ini memungkinkan insang untuk lebih efisien mengekstrak oksigen dari air dan mengusir karbondioksida ke dalam air. Rincian tertentu dari anatomi insang berbeda antara spesies yang berbeda.

Paru-paru

Vertebrata darat menggunakan metode ini. Paru-paru adalah organ khusus dalam rongga tubuh yang terdiri dari banyak kamar kecil diresapi dengan kapiler darah. Setelah udara masuk paru-paru, oksigen berdifusi ke dalam aliran darah melalui dinding kapiler tersebut. Kemudian bergerak dari kapiler paru ke otot-otot dan organ tubuh. Manusia dan mamalia lain memiliki paru-paru di mana udara bergerak masuk dan keluar melalui jalur yang sama. Sebaliknya, burung memiliki paru-paru yang lebih khusus yang menggunakan mekanisme yang disebut pertukaran lintas arus. Seperti mekanisme pertukaran lawan arus dari insang, udara mengalir melalui sistem pertukaran arus silang paru burung dalam satu arah saja, sehingga untuk pertukaran oksigen lebih efisien.

Ringkasan proses repirasi pada manusia

Inspirasi (= inhalasi) Konsentrasi gas Ekspirasi (= menghembuskan nafas)
Otot interkostal berkontraksi. Inspirasi21%

0.04%

78%

0.96%

beragam

oksigen
karbon Dioksida
nitrogen
Gas Inert
uap air
Ekspirasi17%

4.04%

78%

0.96%

beragam

Otot iga (interkostal) rileks.
Sternum bergerak ke atas dan ke arah luar. Sternum bergerak ke bawah dan ke dalam.
Tulang rusuk bergerak ke atas dan ke luar. Tulang rusuk bergerak ke bawah dan ke dalam.
Diafragma menjadi rata. Diafragma rileks – membentuk berbentuk lonceng-.
Peningkatan volume rongga dada. Volume rongga dada mengalami penurunan.
Tekanan dalam rongga dada mengalami penurunan. Tekanan dalam rongga dada meningkat.
Udara ditarik ke rongga dada. Udara dikeluarkan dari rongga dada.

 

Tahapan Metamorfosis semut, kupu kupu dan katak
Contoh Ekologi: Tujuan, jenis, peranan, cabang
10 Ciri-ciri Nematoda yang penting berikut ini
Siklus hidup Bakteriofag: Pengertian, struktur, terapi