Soluk alıp verme mekaniği

Şermin yaz boyunca belediye havuzunda çocuk yüzme kursuna yardımcı eğitmen olarak gidiyor. Isınmada çocuklar havuz kenarındaki minderlere sırtüstü uzanıyor; her birinin göbeğinin üstüne bir yüzme tahtası konuyor ve görev, soluk alırken tahtayı yükseltmek. Dokuz yaşındaki Tanem tahtası kalkınca seviniyor: «Havayı karnıma doldurdum!» Şermin gülümseyip düzeltmeye hazırlanıyor, ama aklındaki açıklama da pek sağlam değil. Kendisi de havayı ağzından içeri çektiğini, ciğerlerini bir pompa gibi kendi gücüyle şişirdiğini düşünüyor. Oysa akciğerler kaburgaların ardında duruyor; tahta ise kaburgaların altında, karnın üstünde. Karna hava girmiyorsa tahtayı ne kaldırıyor? Akciğerin kendisi kasılıp genişleyemiyorsa hava içeri neden doluyor?

• Soluk almada ve soluk vermede kasların, göğüs boşluğu hacminin, akciğer içi basıncın ve hava akışının değişimini doğru sırayla dizersin.
• Sakin soluk vermenin edilgen, zorlu soluk vermenin ise kas kasılmasıyla gerçekleştiğini ayırt edersin.
• Göğüs zarları arasındaki sıvının ve düşük basıncın akciğeri göğüs duvarına nasıl bağladığını kullanarak varsayımsal bir hasarın sonucunu öngörürsün.
• Solunumun omurilik soğanından gelen istemsiz ritmini istemli denetimden ayırır, nefes tutmanın neden sınırlı kaldığını açıklarsın.

Tahtayı kaldıran kas

Göğüs boşluğunun tabanını kubbe biçiminde, kalın bir kas yaprağı kapatır: diyafram. Kubbenin tepesi göğüse doğru kabarıktır; altında karaciğer, mide ve bağırsaklar durur. Diyafram kasıldığında lifleri kısalır ve kubbe düzleşir; düzleşen bir kubbe aşağı inmiş olur. Aşağı inen diyafram karın organlarını önüne katıp iter, karnın ön duvarı da dışa doğru kabarır. Tanem'in tahtasını kaldıran şey buydu: karna giren bir hava değil, yer değiştiren organlar. Aynı anda göğüs boşluğunun dikey boyu uzamıştır.

«Kas çeşitleri» dersinde diyaframın enine bantlı bir iskelet kası olduğunu görmüştük. Bu bilgi bu derste iki kez işe yarayacak: bir kez kasılmanın enerji harcadığını hatırlatırken, bir kez de diyaframa buyruğun hangi sinir yoluyla geldiğini sorarken.

Kaburgaların arasında da iki kat ince kas bulunur. Soluk almada çalışan dış kaburgalar arası kaslar kasıldığında kaburgalar ve göğüs kemiği yukarı ve öne, dışa doğru kalkar; bir kova sapının kaldırılmasına benzeyen bu hareket göğüs kafesini önden arkaya ve yanlara doğru genişletir. Derin katta duran iç kaburgalar arası kaslar ise kaburgaları aşağı ve içe çeker; onlara zorlu soluk vermede döneceğiz.

Akciğer pompa değil, kesedir

Şermin'in pompa benzetmesindeki eksik şu: akciğerin dokusunda onu kendi gücüyle açacak bir kas tabakası yoktur. Akciğer, bol esnek lif taşıyan, süngerimsi bir kesedir; kendi başına bırakılsa büzülür. Havanın içeri girmesi bir itmeye ya da emmeye değil, bir basınç farkına dayanır. Kimyada «Gaz yasaları» dersinde gördüğümüz Boyle ilişkisine göre sıcaklığı değişmeyen, belirli miktardaki bir gazın hacmi büyüdükçe basıncı düşer. Fizikte açık havanın ve kapalı kaptaki gazın basıncını işlediğimiz ders de havanın yüksek basınçlı yerden düşük basınçlı yere aktığını göstermişti. Soluk alıp verme, bu iki ilkenin vücuttaki uygulamasıdır: kaslar kabın hacmini değiştirir, basınç ona uyar, hava da basıncın gösterdiği yöne akar. Hava yolunun burundan alveollere uzanan yapısını «Solunum yolları» dersinde izlemiştik; burada yolun kendisini değil, havayı o yolda yürüten itici farkı izliyoruz.

Soluk alma (inspirasyon)

Bir soluk alma şu zincirle ilerler:

1. Omurilik soğanındaki solunum merkezinden gelen impulslar diyaframa ve dış kaburgalar arası kaslara ulaşır.
2. Diyafram kasılıp düzleşir, dış kaburgalar arası kaslar kaburgaları yukarı ve dışa kaldırır.
3. Göğüs boşluğunun hacmi büyür; göğüs duvarına bağlı akciğerler de onunla birlikte genişler.
4. Akciğerin içindeki hava daha geniş bir alana yayıldığı için akciğer içi basınç, atmosfer basıncının biraz altına iner.
5. Hava, basıncın yüksek olduğu dış ortamdan hava yolu boyunca akciğere akar; iç basınç yeniden atmosfer basıncına eşitlenince akış durur.

İkinci basamak kas kasılması gerektirdiği için soluk alma etkin bir süreçtir: kas hücreleri ATP harcar. Akciğerin içine dışarıdan bir kuvvet havayı tıkıştırmaz; kaslar yalnız kabı büyütür.

Sakin soluk verme (ekspirasyon)

Dinlenirken soluk vermek için bir buyruk gerekmez; buyruğun kesilmesi yeter. Diyafram gevşer ve karın organlarının geri itişiyle eski kubbe biçimine yükselir. Dış kaburgalar arası kaslar gevşeyince kaburgalar kendi ağırlığıyla aşağı iner. Soluk alırken gerilen esnek lifler akciğeri ilk boyuna doğru geri çeker. Göğüs boşluğunun hacmi küçülür, içerideki hava sıkışır ve akciğer içi basınç atmosfer basıncının biraz üstüne çıkar; hava dışarı akar, basınçlar eşitlenince akış yine durur. Bu yüzden sakin soluk verme edilgen sayılır: gevşeyen kaslar ve esneklik işi görür, kasılan bir kas yoktur.

Zorlu soluk verme

Merdiven koşusundan sonra, balon şişirirken ya da bir mumu uzaktan söndürmeye çalışırken esneklik yetmez; havayı daha hızlı ve daha çok boşaltmak gerekir. O zaman soluk vermeye de kaslar katılır. İç kaburgalar arası kaslar kasılıp kaburgaları aşağı ve içe çeker. Karın kasları kasılıp karın organlarını sıkıştırır ve gevşemiş diyaframı göğüs boşluğuna doğru daha yukarı iter. Hacim sakin solukta olduğundan daha çok küçülür, basınç daha çok yükselir ve hava daha hızlı çıkar. Öyleyse «soluk verme her zaman edilgendir» cümlesi de «soluk verme her zaman kasla olur» cümlesi de eksiktir; doğrusu, sakin solukta edilgen, zorlu solukta etkin.

Akciğeri göğüs duvarına bağlayan sıvı

Göğüs kafesi genişlerken akciğerin onu izlemesi bir bağlantı ister. «Solunum yolları» dersinde her akciğerin iki katlı bir göğüs zarı (plevra) ile sarıldığını gördük: iç kat akciğerin yüzeyine, dış kat göğüs duvarının iç yüzüne ve diyaframın üstüne yapışıktır. İki katın arasındaki dar aralıkta ince bir sıvı tabakası bulunur. Islak iki cam levhayı birbirinden kaldırmaya çalışan biri, levhaların yan yana kolayca kaydığını ama zor ayrıldığını fark eder. Zarlar arasındaki sıvı da aynı biçimde çalışır: sürtünmeyi azaltır ve iki yüzeyi birbirine tutturur.

Bu bağı güçlendiren bir basınç farkı da vardır. Esnek akciğer içe doğru büzülmeye, göğüs kafesi ise dışa doğru açılmaya çalışır. Bu iki zıt çekiş arasında kalan zarlar arası boşluğun basıncı, akciğerin içindeki basınçtan düşük kalır. Akciğer bu yüzden göğüs duvarına doğru açık tutulur ve göğüs genişlediğinde onunla birlikte genişler. Soluk almada göğüs duvarı dışa açılırken bu boşluğun basıncı bir miktar daha düşer, akciğer de bu çekişle genişler.

Varsayımsal bir durum düşünelim: göğüs duvarındaki bir delikten zarların arasına hava giriyor. Aralığın basıncı atmosfer basıncına yükselir, akciğeri göğüs duvarına bağlayan fark ortadan kalkar. Esnek lifler serbest kalır ve o taraftaki akciğer büzülüp söner; kaslar göğüsü genişletse de akciğer onu izlemez. İnsanda iki akciğerin göğüs zarı boşlukları birbirinden ayrı olduğundan öteki taraf genellikle çalışmayı sürdürebilir.

Bir soluk boyunca basınç

Bir sakin solukta akciğer içi basıncın atmosfer basıncına göre değişimi bir zaman grafiğine dökülseydi şöyle okunurdu. Yatay eksen zamanı, düşey eksen akciğer içi basınç ile atmosfer basıncı arasındaki farkı gösterir. Soluk alma başlarken eğri sıfırdan aşağı iner, soluk almanın ortasında en derin noktaya varır ve soluk almanın sonunda yeniden sıfıra döner. Soluk verme boyunca eğri sıfırın üstüne çıkar, bir tepe yapar ve sonunda yine sıfıra iner. Eğrinin sıfırı kestiği anlarda iki basınç eşittir ve hava akmaz; bunlar soluk almanın ve soluk vermenin bittiği anlardır. Eğri sıfırın altındayken göğüs hacmi büyümekte ve hava içeri akmakta, üstündeyken hacim küçülmekte ve hava dışarı akmaktadır. Grafik sorularında aranacak ilk şey, eğrinin sıfırın hangi yanında olduğudur.

Bir soluğun hacmi

Dinlenen bir yetişkinin bir solukta alıp verdiği havaya soluk hacmi denir; genel kabul gören değeri yaklaşık 500 mL'dir. Sakin bir soluk almanın ardından zorlanarak alınabilen ek havaya yedek soluk alma hacmi, sakin bir soluk vermenin ardından zorlanarak çıkarılabilen ek havaya yedek soluk verme hacmi adı verilir. Bu üçünün toplamı, bir insanın en derin soluk almadan sonra en zorlu soluk vermeyle dışarı atabildiği havayı, yani vital kapasiteyi verir. En zorlu soluk vermeden sonra bile akciğerden çıkmayan bir hava kalır: artık hava. Akciğer göğüs duvarına bağlı kaldığı ve göğüs kafesi belli bir ölçünün altına küçülemediği için en zorlu soluk vermede bile tümüyle boşalmaz. Hacimler yaşa, boya, cinsiyete ve düzenli egzersize göre kişiden kişiye değişir. Sigara gibi akciğer dokusunu yıpratan alışkanlıklar da esnekliği azaltarak sakin soluk vermenin dayandığı geri çekilmeyi zayıflatabilir.

Ritmi kim tutuyor?

Uykuda da, bir soruya odaklanmışken de soluk alıp verme kesilmez. Bu ritim, «Merkezi sinir sistemi: beyin» başlıklı derste tanıdığımız gibi, beyin sapının en alt ucundaki omurilik soğanında bulunan solunum merkezinden gelir; pons da ritmin düzenlenmesine katkıda bulunur. Merkezden çıkan impulslar omurilikten inerek omurilikten çıkan motor nöronlara aktarılır. Diyaframa giden sinir boyun bölgesinden çıkar, kaburgalar arası kaslara gidenler göğüs bölgesinden. Bu yolların hedefi iskelet kası olduğu için yol somatiktir; «Çevresel sinir sistemi» dersindeki ayrıma göre motor nöron hedefine gangliyonda sinaps yapmadan doğrudan ulaşır. Kalbin aksine solunum kaslarında kendiliğinden uyarı doğuran bir düğüm yoktur; buyruk kesilirse kasılmazlar.

Aynı kaslar istemli buyruğa da uyar. Şarkı söylerken soluğu uzatmak, konuşurken cümle bitene kadar beklemek, suya dalmadan önce derin bir soluk alıp tutmak beyin kabuğundan gelen istemli buyruklarla olur. Bu buyruklar ritmi bir süre değiştirebilir, ama merkezi devre dışı bırakamaz.

Nefes tutmanın sınırı

Havuzdaki çocuklara su altında soluk tutma oyunu oynatıldığında süre ne kadar uzarsa uzasın bir yerde biter. Soluk tutulurken hücreler solunumla karbondioksit üretmeyi sürdürür, ama bu gaz dışarı atılamaz ve kanda birikir. Kandaki karbondioksitin artması omurilik soğanındaki solunum merkezini uyarır; merkezden gelen soluk alma dürtüsü giderek güçlenir ve sonunda istemli buyruğu bastırır. Egzersizde soluğun hızlanıp derinleşmesi de aynı denetimden geçer: çalışan kaslar daha çok karbondioksit üretir, merkez buna soluk hızını ve derinliğini artırarak yanıt verir. Bu ayarın kimyasal ayrıntısı, yani karbondioksitin kanda hangi biçimlerde taşındığı ve merkezi nasıl uyardığı, gazların kendi dersine kalıyor.

Şermin'in tahtası artık açıklanabilir. Kaslar kabı büyütür, basınç düşer, hava kendiliğinden içeri akar. Akciğere varan hava ise yolculuğun yalnız ilk yarısını tamamlamıştır. Alveoldeki oksijen ince duvarı geçip kana nasıl karışıyor, kan onu dokulara hangi molekülün sırtında taşıyor, dokuda biriken karbondioksit hangi yoldan geri dönüyor? Bir sonraki ders, gazların kısmi basınç farkıyla alveolde ve dokuda yer değiştirdiği bu değişimi ve kanda taşınma yollarını işliyor.

Örnek 1 — Gevşeyen diyaframın ardından

Soru: Sakin bir solukta diyafram gevşeyip kubbe biçimine yükseldiğinde göğüste ve hava yolunda bunu izleyen değişimlerin dizisi hangisidir?

• A) Göğüs hacmi artar → akciğer içi basınç düşer → hava içeri akar
• B) Göğüs hacmi azalır → akciğer içi basınç atmosfer basıncını aşar → hava dışarı akar
• C) Göğüs hacmi azalır → akciğer içi basınç düşer → hava içeri akar
• D) Karın kasları kasılır → göğüs hacmi artar → hava dışarı akar
• E) Akciğer içi basınç artar → göğüs hacmi artar → hava içeri akar

Çözüm: Yükselen diyafram göğüs boşluğunu küçültür; esnek akciğer de geri çekilir. Daralan hacimde hava sıkışır, basınç atmosferin üstüne çıkar ve hava yüksek basınçtan düşük basınca, yani dışarı akar. A soluk almanın zinciridir. C hacim azalırken basıncın düştüğünü söyleyerek Boyle ilişkisini ters kurar. D sakin soluğa olmayan bir kası katar ve hacmi yanlış yöne çevirir. E basıncın yükselmesini hacmin büyümesine bağlar, hava yönünü de basınç farkının tersine kurar. Cevap: B.

Örnek 2 — Sözle çizilmiş basınç eğrisi

Soru: Bir sakin soluk boyunca akciğer içi basınçtan atmosfer basıncı çıkarılarak bulunan fark zamana karşı çiziliyor. Eğri t₁ anında sıfırdan aşağı inmeye başlıyor, t₂ anında en düşük değerine varıyor, t₃ anında sıfıra dönüyor, t₄ anında en yüksek değerine çıkıyor ve t₅ anında yeniden sıfır oluyor. Hangi yargı doğrudur?

• A) t₂ anında hava dışarı akmaktadır.
• B) t₃ anında hava en hızlı biçimde içeri akmaktadır.
• C) t₄ anında diyafram kasılmaktadır.
• D) t₃ anında soluk alma bitmiş, hava akışı durmuştur; t₄ anında hava dışarı akmaktadır.
• E) t₁–t₃ aralığında göğüs boşluğu hacmi küçülmektedir.

Çözüm: Fark eksiyken akciğer içi basınç atmosferin altındadır ve hava içeri akar; bu aralık (t₁–t₃) soluk almadır ve hacim büyümektedir. t₃ anında fark sıfırdır; basınçlar eşit olduğu için akış durur, soluk alma bitmiştir. t₃ ile t₅ arasında fark artıdır, hava dışarı akar; t₄ bu aralığın içindedir. A yönü ters okur. B sıfır farkı en hızlı akış sanır. C sakin soluk vermede gevşemekte olan diyaframı kasılıyor sayar. E hacmi ters çevirir. Cevap: D.

Örnek 3 — Balon şişiren öğrenci

Soru: Doğum günü süsü için arka arkaya balon şişiren Tezcan'ın her üflemesinde havayı hızla ve zorlanarak dışarı vermesini sağlayan kas etkinliği hangisidir?

• A) İç kaburgalar arası kasların ve karın kaslarının kasılması
• B) Dış kaburgalar arası kasların kasılması
• C) Diyaframın kasılıp düzleşmesi
• D) Bütün solunum kaslarının gevşeyip yalnız akciğer esnekliğinin çalışması
• E) Akciğer dokusundaki iskelet kasının kasılması

Çözüm: Balonun direncine karşı hava zorla verilir; esneklik yetmez. İç kaburgalar arası kaslar kaburgaları aşağı ve içe çeker, karın kasları karın organlarını sıkıştırıp diyaframı yukarı iter. B ve C soluk almanın kaslarıdır, hacmi büyütürler. D sakin soluk vermeyi anlatır, zorlu üflemeyi açıklamaz. E akciğere olmayan bir kas yükler. Cevap: A.

Örnek 4 — İki yolun ortak hedefi

Soru: Şengül bir şiiri okurken uzun bir dizeyi bitirmek için soluğunu bilerek uzatıyor; aynı gece uykusunda soluk alıp vermesi düzenli bir ritimle sürüyor. Uyanıkken bilerek yapılanı da uykudaki düzeni de karşılayan açıklama hangisidir?

• A) Uykuda solunumu akciğer kendi ritmiyle sürdürür.
• B) Diyafram düz kas olduğu için yalnız otonom sinirlerle denetlenir.
• C) Soluğu uzatma buyruğu omurilik soğanından, uykudaki ritim beyin kabuğundan gelir.
• D) Diyafram, kalpteki gibi kendi içinde doğan bir uyarıyla kasılır; sinir yalnız hızını ayarlar.
• E) Ritmi omurilik soğanındaki merkez kurar; beyin kabuğundan gelen istemli buyruk onu bir süre değiştirebilir ve iki buyruk da somatik yolla iskelet kası olan solunum kaslarına ulaşır.

Çözüm: Uykudaki kesintisiz ritim bilinç gerektirmeyen bir merkezden, omurilik soğanından gelir. Okurken soluğu uzatmak ise istemlidir ve beyin kabuğundan başlar. Diyafram ve kaburgalar arası kaslar iskelet kası olduğundan iki buyruk da somatik motor nöronlarla iletilir. A akciğere olmayan bir kas ve ritim yükler. B diyaframı düz kasla karıştırır. C iki merkezin yerini değiştirir. D kalp kasının özelliğini diyaframa taşır. Cevap: E.

• Havanın içeri itildiğini ya da akciğerin kendi gücüyle şiştiğini sanmak. Kaslar yalnız göğüs boşluğunu büyütür; hava, akciğer içi basınç atmosferin altına inince kendiliğinden akar.
• Soluk vermeyi her koşulda kas kasılmasına bağlamak. Sakin solukta soluk verme edilgendir; iç kaburgalar arası kaslar ve karın kasları yalnız zorlu soluk vermede kasılır. Tersine «soluk verme hiç kas istemez» genellemesi de yanlıştır.
• Hacim ile basıncı aynı yönde düşünmek. Göğüs hacmi artarken akciğer içi basınç düşer, hacim azalırken yükselir; Boyle ilişkisi tersine kurulursa hava yönü de ters çıkar.
• Diyaframı düz kas sanmak. Diyafram iskelet kasıdır; buyruğu somatik motor nöronla, gangliyonsuz bir yoldan alır ve istemli olarak da yönetilebilir.
• Basınçların eşit olduğu anı en hızlı akış anı sanmak. Akciğer içi basınç atmosfere eşitlendiğinde hava akmaz; bu an soluk almanın ya da soluk vermenin sonudur.
• En zorlu soluk vermeden sonra akciğerin boşaldığını düşünmek. Vital kapasite çıkarılsa da akciğerde artık hava kalır.