Pengertian Pernafasan
Pernafasan mempunyai 2 arti yang sangat berbeda :
1). pernafasan oksigen (O2 ) dalam matabolisme karbohidrat dan berbagai molekul organik lainnya,
2). suatu proses yang melibatkan pertukaran O2 dan CO2 di antara berbagai sel suatu organisme dan lingkungan luar.
Sebagian besar sel tubuh memperoleh energi dari reaksi kimia yang melibatkan O2. Sel itu harus mampu melenyapkan CO2 yang merupakan hasil akhir utama dari metabolisme oksidasi. Organisme bersel satu pertukaran O2 dan CO2 terjadi secara langsung dengan lingkungan luar, tetapi hal itu sama sekali tidak mungkin untuk sebagian besar sel organisme yang kompleks seperti manusia maupun hewan/ternak. Oleh karena itu, evaluasi hewan besar memerlukan perkembangan suatu sistem khusus yaitu sistem respirasi (pernafasan) untuk pertukaran O2 dan CO2 bagi hewan tersebut dengan lingkungan sekitarnya meliputi : paru-paru, jalan udara ke paru-paru, dan struktur dada yang bertanggung jawab terhadap gerakan udara keluar dan masuk ke paru-paru.
Mekanisme Ventilasi (Pertukaran Udara) Pulmonalis
Paru-paru dapat membesar dan berkontraksi dengan 2 jalan : 1). dengan gerakan turun naik diafragma akan memanjang dan memperpendek rongga dada, dan 2). dengan pengangkatan dan penekanan tulang rusuk akan mengangkat/memperbesar dan menurunkan/memperkecil diameter anteroposterior rongga dada.
Pernafasan normal dilakukan hampir sempurna oleh gerakan inspirasi (menghirup) diafragma. Selama inspirasi diafragma menarik ke bawah permukaan bagian bawah paru-paru. Selama ekspirasi (menghembus) diafragma berelaksasi dan mendorong paru-paru ke belakang, dinding dada dan struktur perut mendorong paru-paru. Selama bernafas berat, dorongan ke belakang tidak cukup kuat untuk menyebabkan respirasi cepat, hal itu dapat dicapai dengan kontraksi urat perut yang mendorong isi perut ke atas melawan diafragma bagian bawah. Cara kedua untuk memperbesar paru-paru adalah dengan meningkatkan/memperbesar ruangan dada melalui rib cage. Hal itu akan memperbesar paru-paru karena dalam posisi istirahat secara alamiah, tulang rusuk miring ke bawah, sehingga memungkinkan tulang dada bergerak ke belakang di depan kolumnis spinalis. Namun, bila rib cage terangkat, tulang rusuk langsung mengarah ke belakang. Dengan demikian, tulang dada pada waktu itu bergerak ke belakang menjauhi spinosus yang menyebabkan anteroposterior dada menjadi lebih besar kira-kira 20% selama respirasi maksimum dibandingkan selama ekspirasi. Oleh karena itu, berbagai otot tersebut yang mengangkat rongga dada dapat diklasifikasikan sebagai urat daging inspirasi, dan urat daging yang menekan rongga dada adalah urat daging ekspirasi.
Kapasitas dan Volume Paru-paru
Suatu metode sederhana untuk mempelajari pertukaran udara paru-paru adalah mancatat volume udara yang bergerak ke dalam dan ke luar paru-paru disebut spirometer. Sebuah alat spirometer terdiri dari sebuah silinder yang berada dalam sebuah ruangan berisi air yang keseimbangannya dapat diatur melalui suatu pemberat. Dalam selinder terdapat campuran udara pernafasan biasanya udara atau O2 ; suatu tabung yang menghubungkan mulut dengan ruang udara. Karena nafas masuk dan ke luar ruang udara maka silinder terangkat/naik dan turun, dan suatu grafik akan terlihat pada kertas yang terdapat pada silinder yang berputar. Untuk memudahkan menjelaskan berbagai kejadian pertukaran udara paru-paru maka udara dalam paru-paru telah dibagi menjadi 4 volume dan 4 kapasitas.
Volume paru-paru bagian kiri terdiri atas 4 volume yang berbeda dan bila dijumlahkan semuanya sama dengan volume maksimum paru-paru yang masih dapat diharapkan. Arti penting dari masing-masing volume tersebut adalah sebagai berikut.
Volume tidal (tidal volume = TV) adalah volume udara pada waktu inspirasi atau ekspirasi normal, dan volumenya kira-kira 500 ml.
Volume cadangan inspirasi (inspiratory reserve volume = IRV) adalah volume ekstra udara yang masih dapat dihirup setelah inspirasi normal sebagai volume udara tambahan terhadap volume volume tidal, dan biasanya volume udara itu kira-kira 3000 ml.
Volume cadangan ekspirasi (expiratory reseve volume = ERV) adalah jumlah udara yang masih dapat dikeluarkan dengan berekspirasi sekuat-kuatnya (maksimum) pada saat akhir ekspirasi normal, biasanya volume ini kira-kira 1100 ml.
Volume residu (residual volume = RV) adalah volume udara yang masih tinggal di dalam paru-paru setelah melakukan respirasi maksimum. Volume residu ini rata-rata 1200 ml.
Kapasitas paru-paru dalam siklus paru-paru kadang-kadang perlu mempertimbangkan 2 atau lebih volume udara tersebut di atas secara bersama-sama. Penggabungan ini disebut kapasitas paru-paru. Kapasitas paru-paru berbeda-beda dapat dijelaskan sebagai berikut ini.
Kapasitas inspirasi (inspiratory capacity/IC) = volume tidal (TV) + volume cadangan inspirasi (IRV). Ini adalah sejumlah udara (kira-kira 3500 ml) yang berarti seseorang bernafas mulai dengan tingkat ekspirasi normal dan memperbesar paru-parunya hingga maksimum.
Kapasitas residu fungsional (functional residual capacity/FRC) = volume cadangan ekspirasi (ERV) + volume residu (RV). Ini adalah sejumlah udara yang tinggal dalam paru-paru pada akhir ekspirasi normal (kira-kira 2300 ml).
Kapasitas vital (vital capacity/VC) = volume cadangan inspirasi (IRV) + volume tidal (TV) + volume cadangan ekspirasi (ERV). Ini adalah jumlah udara maksimum yang dapat dikeluarkan dari paru-paru setelah ekspirasi dan dilanjutkan dengan ekspirasi maksimum.
Kapasita total paru-paru (total lung capacity/TLC) adalah volume maksimum paru-paru yang masih dapat diperbesar dengan inspirasi sekuat mungkin (kira-kira 5800 ml). TLC = IRV + TV + ERV + RV.
Sebagai contoh dapat dikemukakan di sini bahwa laki-laki mempunyai VT = 400 ml, VC = 4800 ml, IRV = 3100 ml, IC = 3600 ml, ERV = 1200 ml, RV = 1200 ml, FRC = 2000 ml, TLC = 6000 ml. Sapi betina (dalam keadaan tidur) mempunyai TV = 3100 ml; sedangkan dalam posisi berdiri adalah 3800 ml.
Semua volume dan kapasitas paru-paru wanita 20 – 25% lebih rendah dibandingkan laki-laki, dan volume serta kapasitasnya lebih besar pada orang yang bertubuh besar dan olahragawan dibandingkan dengan orang yang bertubuh kecil dan menderita asma.
Pertanyaan : Bila masing-masing nilai dari IRV, TV, ERV diketahui dapatkah Anda menghitung kapasitas vital (VC) paru-paru? Coba jelaskan cara membuat formulanya!
Difusi Gas Melalui Membrana Respirasi
Unit alat pernafasan terdiri dari bronkhiolus, berbagai saluran alveoli, atrium dan alveoli (kira-kira 300 juta pada kedua paru-paru, masing-masing alveolus mempunyai diameter kira-kira 0,25 mm). Dinding alveoli sangat tipis, dan di antara banyak dinding itu terdapat berbagai kapiler yang cukup kuat. Aliran darah pada dinding kapiler merupakan suatu sheet dari peredaran darah. Jadi jelaslah bahwa gas alveoli hampir sama dengan gas darah kapiler. Konsekwensinya pertukaran gas antara udara alveoli dan darah volmonaris terjadi di seluruh membrana terminal paru-paru. Membrana ini disebut membrana respirasi atau membrana vulmonaris.
Transportasi O2 dan CO2
Gas dapat mengaliri suatu tempat ke tempat lain dengan jalan difusi dan hal ini selalu disebabkan oleh adanya perbedaan tekanan dari satu tempat terhadap tempat lainnya. Jadi, O2 berdifusi dari alveoli ke dalam pembuluh darah kapiler pulmonaris karena perbedaan tekanan yang dalam hal ini tekanan O2 (PO2) di dalam alveoli lebih besar dibandingkan dengan PO2 di dalam darah pulmonaris. Darah pulmonaris diangkut melalui sirkulasi darah menuju berbagai jaringan perifir. Di sana PO2 lebih rendah dalam sel dibandingkan dengan yang di dalam darah arteri yang masuk ke dalam berbagai pembuluh darah kapiler. Di situ lagi PO2 jauh lebih tinggi dalam darah kapiler menyebabkan O2 berdifusi ke luar dari pembuluh kapiler dan seluruh cairan interstisial menuju sel.
Karena O2 dimetabolisasikan dengan makanan dalam sel untuk membentuk CO2 maka tekanan CO2 (PCO2) meningkat mencapai nilai tinggi dalam sel yang menyebabkan CO2 berdifusi dari sel ke dalam jaringan kapiler. CO2 dalam darah diangkut ke kapiler pulmonaris. CO2 itu berdifusi ke luar dari darah dan menuju ke dalam alveoli karena PCO2 di dalam alveoli lebih rendah dibandingkan dengan yang di dalam darah. Hal yang mendasar di sini adalah bahwa angkutan O2 dan CO2 ke dan dari berbagai jaringan tergantung dari difusi dan aliran darah secara berturut-turut.
Faktor yang Mempengaruhi Difusi Gas
Prinsip dan formula terjadinya difusi gas melalui membrana respirasi sama dengan difusi gas melalui air dan berbagai jaringan. Jadi, faktor yang menentukan betapa cepat suatu gas melalui membrana tersebut adalah : 1). ketebalan membrana, 2).luas permukaan membrana, 3).koefisien difusi gas dalam substansi membrana, dan 4). perbedaan tekanan antara kedua sisi membrana.
Sering terjadi kecepatan difusi melalui membrana tidak proporsional terhadap ketebalan membrana sehingga setiap faktor yang meningkatkan ketebalan melebihi 2 – 3 kali dibandingkan dengan yang normal dapat mempengaruhi secara sangat nyata pertukaran gas pernafasan normal. Khusus pada olahragawan, luas permukaan membrana respirasi sangat mempengaruhi prestasi dalam pertandingan maupun latihan. Luas permukaan paru-paru yang berkurang dapat berpengaruh serius terhadap pertukaran gas pernafasan. Dalam hal koefisien difusi masing-masing gas kaitannya dengan perbedaan tekanan ternyata CO2 berdifusi melalui membrana kira-kira 20 kali lebih cepat dari O2, dan O2 dua kali lebih cepat dari N2. Dalam hal perbedaan tekanan gas, tekanan gas parsial menyebabkan gas mengalir melalui membrana respirasi. Dengan demikian, bila tekanan parsial suatu gas dalam alveoli lebih besar dibandingkan dengan tekanan gas dalam darah seperti halnya O2 , difusi terjadi dari alveoli ke arah dalam, tetapi bila tekanan gas dalam darah lebih besar dibandingkan dengan dalam alveoli seperti halnya CO2 maka difusi terjadi dari darah ke dalam alveoli.
Kapasitas Difusi Membrana Respirasi
Kemampuan seluruh membrana respirasi untuk terjadinya pertukaran gas antara alveoli dan darah pulmonaris dapat diekspresikan dengan istilah kapasitas difusinya, yang dapat didefinisikan sebagai volume gas yang berdifusi melalui membrana tadi setiap menit untuk setiap perbedaan tekanan 1 mm Hg. Kapasitas difusi O2 laki-laki muda dewasa pada waktu istirahat rata-rata 21 ml per menit per mm Hg. Rata-rata perbedaan tekanan O2 menembus membrana respirasi selama dalam keadaan normal yaitu dalam keadaan bernafas tenang kira-kira 11 mm Hg. Peningkatan tekanan itu menghasilkan kira-kira 230 ml O2 berdifusi normal melalui membrana respirasi setiap menit; dan itu sama dengan kecepatan tubuh menggunakan O2. Di lain pihak, kapasitas difusi CO2 belum pernah dihitung karena kesukaran teknis. Sebenarnya sangat penting diketahui kapasitas difusi yang tinggi dari CO2 itu. Bila tidak demikian maka membrana respirasi banyak mengalami kerusakan. Akibatnya, kapasitasnya membawa O2 ke dalam darah sering tidak cukup sehingga menyebabkan kematian seseorang jauh lebih cepat daripada ketidakseimbangan yang serius dari difusi CO2.
Mekanisme Respirasi
Selama respirasi, terjadi gerakan dada (thorax) dan perut. Pada inspirasi sternum coracoid , furcula, dan rusuk bergerak ke depan dan ke bawah. Rusuk vertebral ditarik ke depan dan ke dalam. Jadi, pada inspirasi diameter vertikal dada bertambah besar dan diameter melintangnya bertambah kecil. Paru-paru membesar pada saat inspirasi, dan tulang rusuk serta dada tertarik ke arah dalam.
Bahan diskusi : Coba kaitkan hubungan antara volume paru-paru dan aktivitas kerja fisik dan non fisik yang dilakukan. Jelaskan komentar Anda.
PERNAFASAN UNGGAS
Organ Pernafasan dan Fungsinya
Alat pernafasan pada burung (unggas) terbagi atas paru-paru mempunyai bronkhus tertier yang lebih banyak jumlahnya dibandingkan dengan paru-paru ayam. Ayam mempunyai 7 kantong hawa, yaitu sepasang kantong hawa servikalis, sepasang abdominalis, sepasang torakalis, dan sebuah kantong hawa klavikularis. Kalkun mempunyai 8 kantong hawa dan sebuah kantong hawa servikalis (sama dengan klavikularis), 2 pasang kantong torakalis, 2 pasang kantong abdominalis.
Pada umumnya kebanyakan jenis burung kecil hanya sedikit atau tidak memiliki pneumatic bones, sedangkan jenis burung yang besar mempunyai banyak pneumatic bones. Jadi, ternyata bahwa ada tidaknya pneumatic bones hanya berperan kecil dalam kemampuan terbang. Ada pendapat yang menyangkal bahwa humerus pada ayam itu merupakan pneumatic bones, tetapi ada pendapat lain yang menyatakan bahwa pneumatic bones pada ayam meliputi hampir semua vertebre servikalis, 2 tulang rusuk yang pertama, tulang dada, humerus, dan bagian setengah bawah korakoid. Semua pneumatic bones tidak berhubungan dengan kantong hawa, tetapi humerus berhubungan dan beberapa jenis burung dapat bernafas melalui humerus pada kondisi tertentu.
Mekanisme Pernafasan
Selama pernafasan (respirasi), terjadi gerakan dada (thorax = thorak) dan perut. Pada inspirasi, sternum korakoid, furkula, dan rusuk bergerak ke depan dan ke bawah. Rusuk vertebral ditarik ke depan dan ke dalam. Jadi, pada inspirasi diameter vertical thorak bertambah besar dan diameter melintangnya bertambah kecil. Paru-paru membesar pada saat inspirasi, dan tulang rusuk serta dada tertarik ke arah dalam.
Kecepatan Bernafas
Kecepatan bernafas pada bangsa burung tergantung pada ukuran badan, seks, rangsangan, dan berbgai faktor lain. Pada umumnya bangsa burung yang lebih kecil mempunyai kecepatan (frekuensi) pernafasan yang lebih tinggi dibandingkan dengan yang lebih besar, misalnya pada bangsa unggas jantan seperti merpati, itik, angsa, kalkun, dan anak ayam adalah 28, 42, 20, 28, dan 16 kali/menit secara berturut-turut; sedangkan yang betina 16, 110, 40, 49, dan 28 secara berturut-turut. Kecepatan bernafas bertambah bila suhu badan meningkat. Pada anak ayam yang suhu badannya 43,5oC – 44,5oC , kecepatannya bisa mencapai 140 – 170 kali/menit.
Pernafasan Selama Terbang
Persediaan dan kecepatan oksigen (O2) berdifusi dalam paru-paru sangat penting artinya bagi bangsa burung pada waktu terbang. Pada waktu terbang konsumsi oksigen bisa 10 – 15 kali lebih banyak dibandingkan dengan pada keadaan istirahat. Konsumsi itu juga tergantung pada kecepatan terbang. Pada kecepatan terbang 35 km/jam, oksigen yang diperlukan rata-rata 21,9 ml/g/jam atau 12,8 kali lebih banyak dibandingkan dengan keadaan tidak terbang, dan pada kecepatan terbang 40 km/jam konsumsi oksigen 23ml/g/jam.
Konsumsi oksigen paling tinggi pada waktu terbang menaik dan paling rendah pada waktu terbang menurun. Beberapa peneliti mengasumsikan bahwa pernafasan (aliran udara paru-paru) ada hubungan (sinkronisasi) dengan berbagai gerakan sayap pada waktu terbang. Pada waktu sayap bergerak ke bawah, terjadi ekspirasi.
Difusi O2 dari Kapiler ke Cairan Interstisial
Pada kapiler jaringan, O2 berdifusi ke dalam jaringan oleh suatu proses penting yang sama dengan yang terjadi dalam paru-paru. Dengan demikian tekanan O2 (PO2) dalam cairan interstisial di luar kapiler rendah dan diperkirakan sangat bervariasi, rata-rata sekitar 40 mm Hg, sedangkan di dalam darah arteri tinggi sekitar 95 mm Hg. Oleh karena itu, pada kapiler tekanannya berbeda sampai 55 mm Hg yang menyebabkan difusi O2. Pada waktu itu, darah yang mengalir melalui kapiler banyak O2 berdifusi ke dalam jaringan dan PO2 kapiler mendekati 40 mm Hg dalam cairan jaringan. Konsekwensinya, darah venous yang meninggalkan jaringan mengandung O2 yang sangat penting untuk berbagai aktivitas.
Pertanyaan : Mengapa kontribusi O2 meningkat bila aktivitas tubuh unggas meningkat?
Difusi O2 dari Cairan Interstisial ke Dalam Sel
Selama O2 masih digunakan oleh sel, tekanan O2 intraseluler tetap lebih rendah dibandingkan dengan tekanan O2 cairan interstisial. O2 berdifusi melalui membrana sel dengan sangat cepat. Oleh karena itu, PO2 intraseluler hampir sama dengan PO2 di dalam cairan interstisial. Namun, dalam banyak hal ada yang perlu dipertimbangkan misalnya jarak antara kapiler dan sel. Dengan demikian, PO2 intraseluler normal berkisar dari yang terendah 5 mm Hg sampai yang tertinggi 60 mm Hg dengan rata-ratanya 23 mm Hg yang merupakan nilai yang diberikan pada sel tersebut. Kira-kira hanya 1 – 3 mm Hg PO2 yang diperlukan untuk mendukung sepenuhnya proses metabolisme sel. Jadi dapat dilihat bahwa walau PO2 rendah namun cukup aktual dan aman untuk metabolisme sel.
Transportasi CO2 ke Paru-paru
Karena pembentukan CO2 dalam sel sangat banyak dan terus-menerus maka PO2 intraseluler berdifusi kira-kira 20 kali lebih mudah dibandingkan O2 yang berdifusi dari sel dengan sangat cepat ke dalam darah kepiler. Darah arteri masuk kapiler jaringan mengandung CO2 pada tekanan kira-kira 40 mm Hg. Mengalirnya darah melalui kapiler, PCO2 meningkat sampai 45 mm Hg.
Untuk mengeluarkan CO2 dari darah pulmonaris, PCO2 vena kira-kira 45 mm Hg. Sedangkan dalam alveoli sekitar 40 mm Hg. Perbedaan tekanan awal untuk difusi hanya 5 mm Hg jauh lebih rendah dari difusi O2 menembus membrana. Walau demikian, karena koefisien difusi 20 kali lebih besar dari koefisien difusi O2 maka kelebihan CO2 dalam darah dengan cepat dikirim ke dalam alveoli.
Bahan dikusi : Coba kaitkan antara ketinggian suatu tempat dari permukaan laut dan kecepatan pernafasan. Bagaimana pendapat Anda, jelaskan!
