การแลกเปลี่ยนก๊าซ (gas exchange) คือ การนำออกซิเจนเข้ามาเพื่อใช้ในกระบวนการหายใจระดับเซลล์ (cellular respiration) และนำเอาคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นออกนอกเซลล์ โดยการแลกเปลี่ยนก๊าซจะเกิดขึ้นผ่านพื้นผิวที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนก๊าซ (respiratory surface)

โดยพื้นผิวที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนก๊าซ ต้องมีลักษณะสำคัญ ดังนี้

1. บาง 
2. มีความชุ่มชื้นสูง 
3. พื้นที่ผิวมาก

การแลกเปลี่ยนแก๊สของสัตว์มี 2 แบบคือ การแลกเปลี่ยนแก๊สในสัตว์น้ำ และการแลกเปลี่ยนแก๊สในสัตว์บก ซึ่งมีลักษณะต่างๆ ดังนี้

1.การแลกเปลี่ยนแก๊สในสัตว์น้ำ

สิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่ในน้ำจะได้รับแก๊สออกซิเจนซึ่งละลายอยู่ในน้ำ แพร่เข้าสู่โครงสร้างที่ใช้แลกเปลี่ยนแก๊สได้โดยตรง แก๊สออกซิเจนในน้ำมีปริมาณ 0.446% เท่านั้น ซึ่งน้อยกว่าในอากาศมาก เพราะในอากาศมีถึง 21% นอกจากนี้ การแพร่ของออกซิเจนในน้ำก็ช้ากว่าในอากาศมาก ดังนั้น สัตว์ที่อาศัยอยู่ในน้ำจึงต้องทำให้น้ำไหลผ่านบริเวณที่มีการแลกเปลี่ยนแก๊สอย่างรวดเร็ว เพื่อให้ได้แก๊สมากและเพียงพอแก่การดำรงชีวิต ดังนั้น โครงสร้างที่ใช้แลกเปลี่ยนก๊าซของสิ่งมีชีวิตที่อยู่ในน้ำต้องเป็นโครงสร้างที่สัมผัสน้ำโดยตรง ได้แก่ เยื่อหุ้มเซลล์ เหงือก 

       1.1 โพรโทซัว (protozoa) ใช้ผิวลำตัวในการแลกเปลี่ยนแก๊ส โดยการแพร่ (diffusion) ของแก๊สโดยตรง
       1.2 ฟองน้ำ ใช้ผิวร่างกาย โดยน้ำจะไหลผ่านเข้าทาง ostia และไหลออกทาง osculum ขณะที่เกิดการไหลเวียนของน้ำผ่านเซลล์จะเกิดการแลกเปลี่ยนแก๊สได้ทันที
       1.3 ไฮดรา ใช้ผิวร่างกาย โดยน้ำไหลเข้าออกทางช่องปากผ่าน gastrovascular cavity ทำให้เกิดการไหลเวียนและเกิดการแลกเปลี่ยนแก๊ส
       1.4 พลานาเรีย ใช้วิธีการแพร่ของแก๊สเข้าและออกทางผิวลำตัวเช่นเดียวกับไฮดรา พลานาเรียมีผิวลำตัวแบน ทำให้มีพื้นที่ผิวที่สัมผัสกับน้ำมากยิ่งขึ้น
       1.5 หอย หอยฝาเดี่ยวในขั้นการเจริญเติบโต จะมีการบิดตัวโดยหันเหงือกจากด้านหลังมาไว้ด้านหน้าเพื่อรับน้ำสะอาด เพื่อใช้ในการแลกเปลี่ยนแก๊ส หอยสองฝา ใช้เหงือกซึ่งอยู่ในช่องแมนเทิลช่วยในการหายใจ โดยที่หอยสองฝาจะมีเหงือก 1 หรือ 2 คู่ ที่เหงือกจะมีเส้นเลือดฝอยจำนวนมากทำหน้าที่รับแก๊สออกซิเจน
       1.6 หมึก มีเหงือก 1 คู่ (dibranchiate) อยู่ภายในช่องตัว น้ำที่ไหลผ่านลำตัวจะถูกดันออกทางช่องไซฟอน (siphon) ซึ่งมีประโยชน์ในการแลกเปลี่ยนแก๊สและการเคลื่อนที่ หอยงวงช้าง (nautilus) ซึ่งเป็นพวกที่มีเปลือก มีเหงือก 2 คู่หรือ 4 อัน (tetrabranchiate) อยู่ในช่องแมนเทิล
       1.7 กุ้ง แลกเปลี่ยนแก๊สโดยใช้เหงือก ซึ่งอยู่ในส่วนเซฟาโรทอแรกซ์ (cephalothorax) โดยน้ำไหลเวียนและผ่านเข้าสู่ช่องเล็กๆ ใกล้ๆ รยางค์ขา เพื่อให้น้ำไหลเข้าสู่ช่องเหงือก และเกิดการแลกเปลี่ยนแก๊สต่อไป
       1.8 ปลา แลกเปลี่ยนแก๊สโดยใช้เหงือก เหงือกของปลามีลักษณะเป็นแผง เรียกแต่ละแผงว่า gill arch แต่ละ gill arch มีแขนงแยกออกมาเป็นซี่เรียกว่า gill filament แต่ละ gill filament มีส่วนที่นูนขึ้นมาเรียกว่า gill lamella ภายใน gill lamella จะมีร่างแหของเส้นเลือดฝอยอยู่ และเป็นบริเวณที่มีการแลกเปลี่ยนแก๊ส ปลาจะว่ายน้ำอยู่เสมอ ทำให้น้ำที่มีออกซิเจนผ่านเข้าทางปากและผ่านออกทางเหงือกตลอดเวลา ช่วยให้แลกเปลี่ยนแก๊สได้ดีขึ้น โดยกระดูกปิดเหงือก (operculum) ของปลาจะขยับอยู่ตลอดเวลา ซึ่งจะทำให้เกิดการหมุนเวียนของน้ำที่เหงือก และเพื่อให้เกิดการแลกเปลี่ยนแก๊สได้ดียิ่งขึ้น

การแลกเปลี่ยนก๊าซของปลา มีทิศทางการไหลของน้ำและเลือดตรงข้ามกัน เรียกว่า การแลกเปลี่ยนแบบสวนทาง (countercurrent) ทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนก๊าซขณะที่ไหลสวนทางกันตลอดแนวเส้นเลือดฝอย น้ำที่อยู่ติดกับหลอดเลือดฝอยมีออกซิเจนสูงกว่าเลือดที่ไหลอยู่ภายในเส้นเลือดฝอย ทำให้ออกซิเจนจากน้ำแพร่เข้าสู่เลือดในเส้นเลือดฝอย ส่งผลให้เลือดมีปริมาณออกซิเจนสูงขึ้น

2. การแลกเปลี่ยนแก๊สในสัตว์บก

       2.1 ไส้เดือนดิน ใช้ผิวลำตัวในการแลกเปลี่ยนแก๊ส โดยผิวลำตัวของไส้เดือนดินจะเปียกชื้นอยู่เสมอ ออกซิเจนในอากาศจะละลายน้ำที่เคลือบอยู่ที่ผิวลำตัวของไส้เดือน แล้วจึงแพร่เข้าสู่เส้นเลือดฝอยที่กระจายอยู่ใต้ผิวหนังของไส้เดือน
       2.2 หอยฝาเดียวที่อาศัยอยู่บนบก เช่น หอยทาก หายใจด้วยปอด ซึ่งเปลี่ยนแปลงมาจากแมนเทิล โดยมีเส้นเลือดฝอยแตกแขนงจำนวนมาก เรียกว่า Pulmonated lung ทำหน้าที่ แลกเปลี่ยนแก๊ส
       2.3 แมงมุม หายใจด้วย ปอดแผง (book lung) ซึ่งติดต่อกับอากาศภายนอกได้ ภายในมีลักษณะเป็นแผ่นบางเรียงซ้อนกันคล้ายหนังสือ แก๊สออกซิเจนจะแพร่เข้าสู่ของเหลวภายใน Book lung และถูกลำเลียงไปยังส่วนต่างๆ
       2.4 แมลง ใช้ระบบท่อลม (tracheal system) ซึ่งประกอบด้วยรูเปิด (spiracle) ที่บริเวณส่วนอกและส่วนท้อง และท่อลม (trachea) แทรกกระจายเข้าสู่ทุกส่วนของร่างกาย ลำตัวของแมลงจะมีการเคลื่อนไหวและขยับอยู่เสมอในขณะหายใจ ทำให้อากาศไหลเข้าทางรูเปิด (spiracle) และเข้าสู่ถุงลม (air sac) แล้วจึงผ่านไปตามท่อลมและท่อลมย่อย ซึ่งมีผนังบางทำหน้าที่แลกเปลี่ยนแก๊ส ดังนั้น ระบบหมุนเวียนเลือดของแมลงจึงไม่ค่อยมีความสำคัญมากนัก เพราะเนื้อเยื่อได้รับแก๊สออกซิเจนจากท่อลมย่อยโดยตรง
       2.5 กบ ลูกอ๊อด หายใจด้วยเหงือก เรียกว่า external gill เมื่อโตเต็มวัยกบจะหายใจด้วยปอด (lung) และผิวหนัง กบมีปอด 1 คู่ ไม่มีกะบังลม ไม่มีซี่โครงและกล้ามเนื้อกระดูกซี่โครง
       2.6 นก ใช้พลังงานสูง ระบบหายใจของนกจึงต้องดีมาก ปอดนกมีขนาดเล็กแต่มีถุงลม (air sac) เจริญดีมาก ในขณะหายใจเข้ากระดูกอกจะลดต่ำลง ถุงลมขยายขนาดขึ้น อากาศจะผ่านเข้าสู่หลอดลมแล้วเข้าสู่ถุงลมที่อยู่ตอนท้าย ส่วนอากาศที่ใช้แล้วจะออกจากปอดเข้าสู่ถุงลมตอนหน้า ในขณะที่หายใจออก อากาศจากถุงลมที่อยู่ตอนท้ายจะเข้าสู่ปอดทำให้ปอดพองออก และอากาศจากถุงลมตอนหน้าถูกขับออกนอกร่างกายต่อไปเป็นอย่างนี้อยู่เสมอ ถุงลมไม่ได้ทำหน้าที่ในการแลกเปลี่ยนแก๊ส แต่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการถ่ายเทอากาศให้แก่ปอดได้เป็นอย่างดี นอกจากนี้ ถุงลมยังอาจแทรกเข้าไปในกระดูกด้วย ทำให้กระดูกของนกกลวงและเบาจึงเหมาะในการบินเป็นอย่างมาก
       2.7 สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม มีระบบหายใจดีมาก โดยประกอบด้วยถุงลมเล็กๆ ที่เรียกว่า แอลวีโอลัส (alveolus) มีกล้ามเนื้อกะบังลม (diaphragm) และกล้ามเนื้อกระดูกซี่โครง ช่วยในการหายใจ ทำให้อากาศเข้าและออกจากปอดได้เป็นอย่างดี

พัดชา วิจิตรวงศ์