كيف يحدث النَّفَس فعلًا: دورانا الرئة والمضخّة التي تملؤها

الانقلاب: أنت تُفسِح المكان، والسماء تفعل الباقي

الهواء لا يُسحَب إلى الرئة. بل يُدفَع إليها — من الغلاف الجوّي. ابدأ بالقانون الوحيد المهمّ هنا: قانون بويل (Boyle's law)، القائل إنك إن وسّعتَ وعاءً مغلقًا دون أن تضيف غازًا، هبط الضغط داخله. الصدرُ هو ذلك الوعاء، وعضلاتُ التنفّس هي ما يوسّعه. فحين ينقبض الحجاب الحاجز وتتأرجح الأضلاع علوًّا وخارجًا، يرتفع حجم الصدر. ولأن الرئة ملصوقةٌ بباطن جدار الصدر بالتوتّر السطحي لغشاءٍ رقيق من السائل في جوف الجنبة، تُجَرّ الرئة معه فتنفتح. فيهبط الضغط السنخي — الضغط داخل الأكياس الهوائية — نحو سنتيمترٍ واحد من الماء تحت الضغط الجوّي، فيجري الهواء نازلًا في ذلك التدرّج، عبر الأنف والحنجرة وكل جيلٍ متفرّع من الشجرة القصبية، حتى يتساوى الضغطان. هذا هو الشهيقُ كلّه. لا شيء شُفِط؛ بل صُنِع مكانٌ فملأته السماء.

الأرقام تستحقّ أن تحملها في رأسك، لأن كل طارئٍ تنفّسي حكايةٌ عنها. في نهاية زفيرٍ هادئ يسكن كل شيء: الضغط السنخي يساوي الجوّي (سمّه صفرًا)، والضغط داخل الجنبة عند نحو ناقص خمسة سنتيمترات من الماء — سلبيٌّ على الدوام، لأن الرئة المرنة تحاول أبدًا أن تنكمش إلى الداخل بينما جدار الصدر النابض يحاول أبدًا أن ينفلت إلى الخارج، والإحكام السائلي بينهما يبقيهما مقترنين. وفي الشهيق الهادئ يهبط الضغط داخل الجنبة أكثر، إلى نحو ناقص ثمانية، ويهبط الضغط السنخي إلى ناقص واحد. ذلك السنتيمتر الواحد من الماء هو ما يحرّك نصف لترٍ من الهواء. اخرِقِ الإحكام — سكّينٌ، أو طرفُ ضلعٍ مكسور، أو فقاعةٌ منفجرة — فيتلاشى الضغط السلبي، وترتدّ الرئة إلى الداخل كبالونٍ أُفلِت، ويصير عند المريض استرواحُ صدر (Pneumothorax). الرئة لم تنفخ نفسها قطّ؛ كانت فقط مُمسَكةً مفتوحة.

دورانان في عضوٍ واحد

الرئة العضو الوحيد في الجسم بتَرويتَين دمويّتَين منفصلتين تمامًا — تؤدّيان عملين مختلفين كلّ الاختلاف. الأول هو الدوران الرئوي (Pulmonary circulation)، وهو لا يغذّي الرئة إطلاقًا — بل يستخدمها. يغادر الدمُ البطينَ الأيمن عبر الجذع الرئوي (Pulmonary trunk)، الذي يصعد ويتراجع خلفًا نحو خمسة سنتيمترات ثم ينقسم تحت قوس الأبهر، عند مستوى زاوية القصّ، إلى الشريانين الرئويّين الأيمن والأيسر. الشريان الرئوي الأيمن أطول وأقرب إلى الأفق، يمرّ خلف الأبهر الصاعد والوريد الأجوف العلوي ليبلغ السُّرّة الرئوية اليمنى؛ والأيسرُ الأقصر مربوطٌ إلى تقعّر القوس بالرباط الشرياني (Ligamentum arteriosum)، بقيّةِ القناة الجنينية الليفية. وداخل الرئة ينقسم كل شريانٍ إلى شرايين فصّية ثم قِطعية تسير بمحاذاة القصبات، شريانٌ يظلّل كل قطعةٍ قصبية رئوية، نزولًا إلى شبكةٍ شعرية من الكثافة بحيث تلفّ كلَّ سِنخٍ بصفيحةٍ من الدم تكاد تكون متّصلة. ثم يقلب التصريفُ القاعدة: فالأوردة الرئوية لا تتبع القصبات إطلاقًا — بل تجري في الحواجز بين القِطَع، ولهذا بعينه يستطيع الجرّاح أن يقشّر قطعةً واحدة على امتداد أوردتها. يخرج من كل رئةٍ وريدان، وتسلّم الأوردةُ الرئوية الأربعة — علويٌّ وسفليّ في كل جهة — الدمَ المؤكسَج إلى الأذين الأيسر.

وفي ذلك النظام أمران خارقان. الأول أنه الاستثناء الأكبر في التسمية التشريحية: فالشرايين هنا تحمل دمًا غير مؤكسَج والأوردةُ تحمل دمًا مؤكسَجًا، لأن «الشريان» يعني المتّجه بعيدًا عن القلب و«الوريد» يعني المتّجه إليه — لا مضمونَ الأكسجين أبدًا. والثاني أنه نظامٌ منخفض الضغط. فالبطين الأيمن يولّد نحو 25 على 8 ملّيمترات زئبق، بمتوسّطٍ نحو خمسة عشر، مقابل متوسّطٍ جهازي قرابة تسعين — ومع ذلك يدفع النتاجَ القلبي نفسه بالضبط، الخمسةَ لترات في الدقيقة كاملة، عبر الرئتين كما يدفعه الأيسر عبر الجسم كلّه. ويستطيع ذلك لأن الأوعية الرئوية رقيقة الجدران، قليلة العضل، هائلة المطاوعة: فحين يرتفع الجريان في الجهد، تجنّد ببساطة شعيراتٍ منهارة وتوسّع المفتوحة، فلا يكاد الضغط يرتفع. وكما يوضّح مخطّط الجهاز القلبي الوعائي، فالدارة التي لا تعبر إلا عضوًا واحدًا لا تحتاج رأسَ ضغط — وجدارُ البطين الأيمن الرقيق اعترافٌ صادق بأنه لم يتوقّع يومًا عملًا شاقًّا.

الدوران الثاني صغير، عالي الضغط، وهو الذي يغذّي الرئة فعلًا. الشرايين القصبية (Bronchial arteries) أوعيةٌ مغذّية: واحدٌ عادةً في اليمين (كثيرًا ما ينشأ من الشريان الوَربي الخلفي الثالث أو من جذعٍ مشترك) واثنان في اليسار، ينبثقان مباشرةً من الأبهر الصدري النازل. تحمل دمًا مؤكسَجًا بضغطٍ جهازي إلى البُنى التي يمرّ بها الدم الرئوي دون أن يغذّيها — جدران القصبات نزولًا إلى القصيبات التنفّسية، والنسيج الضامّ والحواجز، وجدران الأوعية الرئوية نفسها، والجنبة الحشوية. أما تصريفها فهو النصف الطريف. فالأوردة القصبية الكبرى الأقربُ إلى المركز تصرّف تصريفًا تقليديًّا في جهاز الأزيغوس (Azygos) يمينًا وفي نصف الأزيغوس أو نصفه الملحق يسارًا. لكن الأوردة القصبية العميقة تصرّف في الأوردة الرئوية — أي أن دمًا فقير الأكسجين يُلقى مباشرةً في التيّار الغنيّ به وهو في طريقه إلى الأذين الأيسر. أضِفْ أوردةَ القلب التيبيزية (Thebesian) تفعل الشيء ذاته، فتحصل على التحويلة الفسيولوجية (Physiological shunt): وهي سببُ كون توتّر الأكسجين الشرياني أخفضَ دائمًا ببضعة ملّيمترات زئبق من توتّره السنخي حتى في شخصٍ سليمٍ تمامًا. فالفرق السنخي-الشرياني ليس خطأ قياس. إنه تشريح.

الحاجز الدموي الهوائي: نصف ميكرومتر بينك وبين السماء

يجري تبادل الغازات عبر غشاءٍ من الرقّة بحيث يصعب تصديق أنه ينجو عمرًا كاملًا. ثلاث طبقاتٍ تقف بين الهواء في السِّنخ والخضاب في الكرية الحمراء: السيتوبلازم المسطّح لخليةٍ سنخية من النمط الأول، وغشاءٌ قاعدي واحد مندمج تتشاركه الظهارة والبطانة، وخليةُ البطانة الشعرية نفسها. مجموع السماكة: نحو 0.2 إلى 0.6 ميكرومتر — أقلّ بكثير من جزءٍ من ألفٍ من الملّيمتر. والخلايا السنخية من النمط الأول خلايا حرشفية متمايزة نهائيًّا لا تستطيع الانقسام؛ لا تشكّل إلا نحو أربعين بالمئة من خلايا السِّنخ ومع ذلك تغطّي قرابة خمسةٍ وتسعين بالمئة من السطح، لأن كلًّا منها تفترش نفسها كغلافٍ شفّاف. اضرِبْ ذلك في ثلاثمئة مليون سِنخ فتقترب مساحةُ التبادل الكلّية من سبعين مترًا مربّعًا — ملعبُ تنسٍ مطويٌّ في جوف صدر، يفصله عن مجرى الدم غشاءٌ أرقّ من فقاعة صابون.

ومبعثرةٌ بينها تجلس الخلايا التي تمنع البناء كلّه من الانهيار. الخلايا السنخية من النمط الثاني خلايا ممتلئة مكعّبة — نحو ستّين بالمئة من خلايا السِّنخ لكن خمسةً بالمئة فقط من سطحه — مرصّعةٌ بأجسامٍ صفائحية. وتؤدّي عملين لا غنى عنهما. فهي خلايا السِّنخ الجذعية، تنقسم لتستبدل خلايا النمط الأول بعد الأذيّة. وهي تفرز الفاعل بالسطح (السورفاكتانت، Surfactant)، وهو غشاءٌ من شحوم فسفورية وبروتينات (وجزيؤه المفتاحي هو ثنائي بالميتويل فسفاتيديل كولين) ينتشر على البطانة المائية لكل سِنخ فيخفض توتّره السطحي. وسببُ أهمّية ذلك فيزياءٌ خالصة: يقول قانون لابلاس (Laplace) إن الضغط الذي ينزع إلى إفراغ فقاعةٍ يتناسب طردًا مع توتّرها السطحي وعكسًا مع نصف قطرها، فالسِّنخ الصغير كان سيفرغ نفسه أبدًا في الكبير. والسورفاكتانت يهزم ذلك بأن يتركّز كلّما انكمش السِّنخ، فيُسقِط التوتّر السطحي أسرع ما يكون حيث يكون نصف القطر أصغر ما يكون — فيثبّت الأكياس الصغيرة، ويمنع الانخماص في نهاية الزفير، ويخفض عمل التنفّس خفضًا هائلًا. ويبدأ إنتاجه قرابة الأسبوع الرابع والعشرين من الحمل ولا يكون كافيًا موثوقًا حتى الأسبوع الرابع والثلاثين تقريبًا. والوليدُ قبل ذلك يواجه أسناخًا تنهار مع كل زفيرٍ ويجب إعادة فتحها مع كل شهيق — متلازمةُ الضائقة التنفّسية الوليدية، أقسى حسابٍ في الطبّ. ويحرس ذلك كلَّه ساكنٌ ثالث: البلعمُ السنخي (Alveolar macrophage)، أو خليةُ الغبار، يزحف على السطح مبتلعًا ما يُستنشَق من جسيماتٍ وجراثيم، وفي قصور القلب المزمن يلتهم الكريات الحمراء المتسرّبة حتى يمتلئ بالهيموسيدرين فيستحقّ اسم «خلية قصور القلب».

تضيّق الأوعية الرئوية بنقص الأكسجة: منعكس الرئة الخاصّ

كلُّ عضوٍ آخر في الجسم يستجيب لهبوط الأكسجين بتوسيع شُرَيْيناته — فالنسيج الجائع يصرخ طلبًا لمزيدٍ من الدم فيُعطاه. أما الرئة فتفعل النقيض تمامًا. فحين يهبط توتّر الأكسجين في سِنخٍ ما، تتضيّق الشرايينُ الرئوية الصغيرة المغذّية لتلك المنطقة. يبدو الأمر معاندًا حتى تتذكّر لماذا وُجِدت الرئة. فالدم الواصل إلى سِنخٍ غير مُهوًّى لا يمكن أن يُؤكسَج هناك مهما بلغت كمّيته؛ وإرسالُ المزيد إهدارٌ له. فتُغلِق الرئةُ الصنبور على الحيّ السيّئ وتحوّل الجريان نحو أسناخٍ لا تزال تُهوَّى. فتضيّق الأوعية الرئوية بنقص الأكسجة، بعبارةٍ أخرى، جهازُ مطابقةٍ موضعي — طريقةُ الرئة في إبقاء التهوية والتروية مصوّبتين نحو الأسناخ ذاتها.

لهذه الأناقة ثمن، ويُدفَع حين يكفّ نقصُ الأكسجة عن كونه موضعيًّا. ففي ذات الرئة الفصّية يكون المنعكس صديقًا: قطعةٌ واحدة مغمورة، تنطبق أوعيتها، ويُحوَّل الدم إلى رئةٍ سليمة. أما في الداء الرئوي السادّ المزمن (COPD)، وفي التليّف المنتشر، وفي انقطاع النفس النومي الانسدادي، أو ببساطةٍ على الارتفاعات العالية، فكلُّ سِنخٍ في الرئتين ناقصُ الأكسجة في آنٍ واحد. فينطلق المنعكس في كل مكان. يتضيّق السريرُ الوعائي الرئوي كلّه، ثم يعيد التشكّل عبر السنين — فتثخُن الأوعية الرقيقة الجدران وتكتسب عضلاتٍ على نحوٍ دائم. ترتفع المقاومة الوعائية الرئوية، ويصير على البطين الأيمن الرقيق الجدار — الذي لم يُبنَ يومًا لعمل الضغط — أن يولّده مع كل نبضة. فيتضخّم، ويتوسّع، ثم يفشل أخيرًا: القلبُ الرئوي (Cor pulmonale)، وهو قصورُ قلبٍ أيمن سببُه داءٌ رئوي. ويراجع المريض بارتفاع الضغط الوريدي الوداجي، وكبدٍ متضخّم مؤلم، وكاحلين متورّمين، والتورّمُ في الساقين في نهاية المطاف نتيجةُ ما يجري في الأسناخ.

عضلات النَّفَس الهادئ — وعضلات النَّفَس اليائس

التنفّس الهادئ عملُ عضلةٍ واحدة تقريبًا، والزفير لا يكلّف شيئًا البتّة. في الشهيق الهادئ ينزل الحجاب الحاجز نحو سنتيمترٍ ونصف، وذلك النزول وحده يفسّر قرابة خمسةٍ وسبعين بالمئة من الهواء المتحرّك. وتعصيبه الحركي من العصب الحجابي (Phrenic nerve): C3 وC4 وC5 — «C3، 4، 5 تُبقي الحجاب حيًّا» — ولهذا يوقف أذى النخاع الرقبي العالي التنفّسَ توقيفًا تامًّا بينما لا يفعل الأخفضُ ذلك. وتقوم الوَربيات الخارجية بالباقي، فترفع الأضلاع بحركتين متمايزتين: الأضلاع العليا تتأرجح كمقبض المضخّة فتزيد القطر الأمامي الخلفي للصدر، والأضلاع السفلى تتأرجح كمقبض الدلو فتزيد القطر المستعرض. فيتّسع الصدر بهما في الأبعاد الثلاثة معًا. أما الزفير في الراحة فلا يتطلّب عملًا عضليًّا البتّة: ترتخي العضلات ببساطة، فيدفع الهواءَ خارجًا نسيجُ الرئة المرن المشدود، والتوتّرُ السطحي لبطانة الأسناخ، وارتدادُ جدار الصدر المشوَّه. الزفيرُ مجّاني. وكلُّ سعرةٍ في دورة التنفّس تُنفَق على الشهيق.

اضغطِ النظامَ فتُجنَّد طبقةٌ ثانية من العضلات. ففي الشهيق القسري تتولّى العضلات المساعدة: القصية الترقوية الخشائية تشدّ قبضة القصّ إلى أعلى، والأخمعيات ترفع الضلعين الأول والثاني، و— حين تُثبَّت الذراعان فتصير مناشئها المعتادة مراكزَ ارتكازٍ جديدة — تشدّ الصدريةُ الصغرى الأضلاعَ من الثالث إلى الخامس علوًّا وتجذب المنشاريةُ الأمامية الأضلاعَ من الجانب. أما الزفير القسري، وقد صار حدثًا فعّالًا مكلفًا، فيقوم به جدارُ البطن: تنقبض المستقيمة البطنية والمائلتان الخارجية والداخلية والمستعرضة البطنية، فترفع الضغط داخل البطن وتدفع الحجابَ المرتخي إلى أعلى كالمكبس، بينما تخفض الوَربياتُ الداخلية والباطنة الأضلاع. تلك هي تشريحُ السعلة، والعطسة، والصياح عبر الشارع، وكلِّ نغمةٍ يمدّها مغنٍّ. وهي أيضًا تشريحُ عجزِ مريضٍ مكسور الضلع عن السعال: فالحركة التي تنظّف المجرى هي بعينها الحركة التي تؤلم.

المطاوعة والارتداد: نابضان متعاكسان

المطاوعة (Compliance) ببساطةٍ هي كم من الحجم تحصل عليه لقاء تغيّرٍ معيّن في الضغط — أي مدى سهولة نفخ الرئة. والارتداد المرن (Elastic recoil) توأمُها المضادّ: مدى قوّة ارتداد الرئة راجعةً. والرئة السليمة توازن بينهما، وعلاقة الضغط بالحجم كلُّها منحنًى لطيفٌ على شكل حرف S ليس هو ذاته صعودًا ونزولًا، لأن فتح سِنخٍ منهار يكلّف ضغطًا أكبر من إبقاء المفتوح مفتوحًا. والمرض يمزّق هذا التوازن في اتّجاهين متعاكسين، وكلُّ اتّجاهٍ يولّد ضيقَ نفَسه الخاص. ففي التليّف الرئوي تكون الرئة متيبّسة: المطاوعة منخفضة والارتداد عالٍ، فيكدّ المريض في الشهيق ويفرغ بسهولة — أنفاسٌ صغيرة سريعة سطحية. وفي النُّفاخ الرئوي (Emphysema) يكون سقّالة الإيلاستين قد دُمِّرت: فالمطاوعة عالية على نحوٍ شاذّ، والارتداد مفقود، فتنتفخ الرئة بسهولةٍ مفرطة لكنها لا تستطيع أن تفرغ، لأن الارتداد هو ما يقود الزفير عادةً. تنهار المجاري الهوائية أثناء الزفير، وينحبس الهواء، ويصير الصدر برميليًّا، ويزُمّ المريضُ شفتيه غريزيًّا ليحفظ ضغطًا خلفيًّا يجبّر تلك المجاري مفتوحة. وزَمُّ الشفتين هذا ليس عادة؛ إنه إنسانٌ يمارس الفيزياء بفمه. وكلا المرضين، والأدويةُ الموجّهة إليهما، مبسوطان في الربو مقابل الداء الرئوي السادّ المزمن.

مطابقة الهواء بالدم: لماذا تعمل القواعد أشدَّ عملًا

تبادلُ الغازات ليس رقمًا واحدًا بل نسبةً تتكرّر ملايين المرّات: التهويةُ مقسومةً على التروية، V/Q، في كل سِنخٍ على حدة. والمثاليّ نحو 0.8 إجمالًا، والرئةُ تتكبّد عناءً كبيرًا للدفاع عنه. لكن الجاذبية ترفض التعاون. قِفْ منتصبًا فتكون التهوية والتروية كلتاهما أكبر في القواعد منها في القمم — فالقواعد أفضل تهويةً لأن وزن الرئة فوقها يجعل الضغط داخل الجنبة هناك أقلّ سلبية، فتبدأ الأسناخ القاعدية أصغر حجمًا وتقع على الجزء الحادّ من منحنى المطاوعة، فتتمدّد أكثر لقاء الجهد نفسه؛ وهي أفضل ترويةً لأن ضغط الشريان الرئوي منخفضٌ إلى حدٍّ يجعل عمودًا من الدم بضعةَ سنتيمترات ذا شأن، فتجرّ الجاذبيةُ الدمَ إلى أسفل ببساطة. والمَكْمَن أن التروية تزداد من القمّة إلى القاعدة أشدَّ انحدارًا من التهوية. فتتباين النسبة نفسها: عاليةٌ في القمّة (مهوّاةٌ جيّدًا قياسًا بجريانها الدموي الشحيح، V/Q نحو 3) ومنخفضةٌ في القاعدة (مروّاةٌ بغزارةٍ قياسًا بتهويتها، V/Q نحو 0.6). وتنبثق من هذا حقيقتان كلاسيكيّتان دفعةً واحدة — فالسلُّ القمّي يفضّل القمّة الغنية بالأكسجين الفقيرة بالتروية، بينما يستقرّ الجسم الغريب المستنشَق أو محتوى المعدة المُرتشَف في الفصوص السفلى، كما تشرح مقالة الرئتان بالتفصيل.

ادفعِ النسبة إلى أيٍّ من الطرفين تحصل على الانهيارين الكبيرين لتبادل الغازات. فالتهويةُ بلا تروية — V/Q تقترب من اللانهاية — هي الحيّز الميت (Dead space): يُسلَّم الهواء إلى أسناخٍ لا دم بجانبها، فيضيع النَّفَس هدرًا. والترويةُ بلا تهوية — V/Q يساوي صفرًا — هي التحويلة (Shunt): يُسلَّم الدم إلى أسناخٍ لا هواء فيها، فيعود إلى الأذين الأيسر غيرَ مؤكسَجٍ تمامًا كما غادر. والتمييز السريري بينهما من أنفع ما في الطبّ، لأن التحويلة لا تتصحّح بالأكسجين الإضافي. فرفعُ الأكسجين يُغني الهواء في الأسناخ المُهوّاة، لكن الدم المحوَّل لا يلتقي تلك الأسناخ أصلًا — إنه يتجاوزها. ونقصُ الأكسجة الذي يعاند التحسّن على أكسجينٍ عالي الجريان تحويلةٌ حتى يثبت العكس.