Газообмен в легких и тканях

Делая попеременно вдох и выдох, человек вентилирует легкие, поддерживая в альвеолах относительно устойчивый газовый состав.

Человек дышит атмосферным воздухом с содержанием кислорода 21%, углекислого газа - 0,03%, а выдыхает - 16%, углекислого газа - 4%. В альвеолярном воздухе кислорода - 14,2%, углекислого газа - 5,2%. Альвеолярный воздух отличается от вдыхаемого и выдыхаемого. Это объясняется тем, что при вдохе в альвеолы ​​поступает воздух воздухоносных путей, а при выдохе - наоборот, к выдыхаемому воздуху примешивается атмосферный воздух, который находится в тех же воздухоносных путях.

В легких кислород из альвеолярного воздуха переходит в кровь, а углекислый газ из крови поступает в легкие. Движение газов происходит по законам диффузии, согласно которым газ распространяется из среды с высоким парциальным давлением в среду с меньшим давлением. Парциальным давлением называют часть общего давления, которая приходится на этот газ в газовой смеси.

Альвеолы ​​легких оплетенные густой сетью капилляров. Стенки капилляров очень тонкие, что способствует проникновению газов из легких в кровь и наоборот. Газообмен зависит от поверхности, через которую осуществляется диффузия газов и разницы парциального давления диффундирующих газов. Установлено, что от разницы напряжения кислорода в 1 мм рт.ст. у взрослого человека, находящегося в состоянии покоя, в кровь поступает 25-69 см3 кислорода в минуту. Разница давлений кислорода в 70 мм рт.ст. достаточна для обеспечения организма кислородом при разных условиях его деятельности.

В крови кислород соединяется с гемоглобином, образуя оксигемоглобин. 1 г гемоглобина связывает 1,34 см3 кислорода. В альвеолярном воздухе парциальное давление кислорода 100-110мм рт. ст. В этих условиях 97% гемоглобина крови соединяется с кислородом.

Что касается углекислого газа, то содержание, а следовательно и парциальное давление его в альвеолярном воздухе меньше, чем в венозной крови, которая движется по капиллярам легких. Во всей крови, поступающей в легкие, парциальное давление углекислого газа равен 47 мм рт.ст., а в альвеолярном воздухе - 40 мм. Этой разницы вполне достаточно для обеспечения диффузии углекислого газа из крови в альвеолярный воздух.

Углекислый газ в крови сочетается, главным образом, со щелочами, образуя с ними двууглекислые соли или бикарбонаты. Кроме этих солей, в переносе углекислого газа участвует и гемоглобин. Впервые установил в конце XIX в. И.М. Сеченов.

В тканях непрерывно происходят окислительные процессы, в которых сочетается кислород. Переход кислорода из крови в ткани обусловлено разницей парциальных давлений его в крови и тканях. В артериальной крови парциальное давление кислорода 96 мм рт.ст., в тканевой жидкости - 20-46 мм ст. Разница давления кислорода обеспечивает энергичный переход кислорода из плазмы крови через стенку капилляра в тканевую жидкость.

Газообмен между тканевой жидкостью и клетками происходит благодаря разнице напряжения кислорода: в тканевой жидкости - 20-46 мм рт.ст., а в клетках - близко к нулю. Напряжение углекислого газа составляет 60 мм рт.ст. вследствие образования его в митохондриях. Таким образом, углекислый газ переходит в тканевую жидкость и кровь, а кислород - в клетки. Обедненная кислородом кровь поступает в легкие, где цикл обмена газов повторяется. В клетках разница напряжения газов поддерживается непрерывным процессом биологического окисления.

Кроме разницы парциального давления, на степень отдачи кислорода оксигемоглобином влияет величина давления углекислого газа. Чем больше его в крови, тем слабее связь гемоглобина с кислородом. Кроме концентрации углекислого газа, на прочность связи гемоглобина с кислородом влияет также реакция крови. Даже незначительное нарушение реакции в сторону кислой вызывает усиление отдачи кислорода. Прочность связи гемоглобина с кислородом зависит также и от температуры: при повышении температуры связь слабее, при снижении - сильнее.

Связывания углекислого газа и отдача его кровью зависит от его напряжения в тканях и крови. Важная роль при этом принадлежит фермента карбоангидразы, содержащейся в эритроцитах. Этот фермент в зависимости от содержания углекислого газа, ускоряет во много раз реакцию: СО2 + Н2О = Н2СО3. В капиллярах ткани, где напряжение углекислого газа высокое, происходит образование угольной кислоты. В легких карбоангидразой способствует дегидратации, что приводит к вытеснению углекислого газа из крови.

Газообмен в легких детей тесно связан с особенностями регуляции у них кислотно-щелочного равновесия. Даже при незначительном сдвиге равновесия в сторону подкисления у детей возникает одышка.

Многие вещества, в частности наркотики (эфир, хлороформ, спирты), тормозят процессы дыхания. Опасным ядом является угарный газ, который образуется в результате неполного сгорания дров, угля и т. При вдыхании угарного газа в легкие он диффундирует в кровь и образует устойчивую химическое соединение с гемоглобином, в результате чего гемоглобин теряет способность присоединять кислород и его поступления к тканям затрудняется. Достаточно человеку вдохнуть 1 л угарного газа, как наступает смерть от прекращения тканевого дыхания.

Регуляция дыхания

Российский физиолог Н.А. Миславский в 1919 году установил, что в продолговатом мозге есть группа клеток, разрушение которых приводит к остановке дыхания. Так было положено начало изучению дыхательного центра, который имеет сложную структуру. Важная роль в регуляции дыхания принадлежит коре головного мозга. Дыхательный центр координирует ритмичную деятельность дыхательных мышц (сокращения и расслабления), вызывая поочередно выдох и вдох, и согласовывает дыхания с функциональным состоянием организма.

Автоматия дыхательного центра обусловлено нервными импульсами, поступающими с нервных окончаний легких, сосудов, мышц, а также тех, которые возникают в высших отделах центральной нервной системы.

Всякое возбуждение дыхательного центра меняет нервные импульсы, идущие от него поступают в дыхательные мышцы, а это приводит к изменению дыхания - увеличение частоты и глубины его или, наоборот, ослабление и увольнения.

Особенно большое значение в регуляции дыхания имеют центростремительные нервные волокна, окончание которых лежат в легких. При падении легких во время выдоха происходит механическое раздражение чувствительных окончаний блуждающего нерва, которые содержатся в стенках альвеол. Нервное возбуждение, возникающее при этом, поступает в дыхательный центр и возбуждает его. От дыхательного центра поступают импульсы к дыхательным мышцам, которые в ответ сокращаются и происходит вдох. Во время вдоха легкие растягиваются, а это влечет механическое раздражение других окончаний блуждающего нерва в легких. Возбуждение, в них возникает, достигает дыхательного центра и вызывает торможение его. В результате из дыхательного центра перестают поступать импульсы к дыхательным мышцам, последние расслабляются и происходит выдох. Большое влияние на состояние дыхательного центра производит химическое состояние крови, в частности ее газовый состав. В стенках кровеносных сосудов есть специальные нервные окончания - хеморецепторы, воспринимающие изменение химического состава крови. Особенно чувствительны эти рецепторы к концентрации углекислого газа в крови. Накопление углекислого газа в крови ведет к раздражению рецепторов в кровеносных сосудах, которые несут кровь к голове, и рефлекторно возбуждают дыхательный центр. Подобным образом действуют также кислые продукты, которые над ходят в кровь, например, молочная кислота, содержание которой увеличивается во время мышечной работы.

Во время внутриутробного развития плод получает кислород и отдает углекислый газ через плаценту организму матери. Однако плод совершает дыхательные движения в виде незначительного расширения грудной клетки. Легкие при этом не расправляются, возникает только небольшое отрицательное давление в плевральной щели. Такие дыхательные движения плода способствуют лучшему движению и улучшению кровоснабжения плода, а также своеобразной тренировкой функции легких. Во время родов, после перевязки пупочного канатика, организм ребенка отделяется от организма матери. При этом в крови новорожденного накапливается углекислый газ и снижается содержание кислорода. Изменение газового состава крови приводит к повышенной возбудимости дыхательного центра как гуморально так и рефлекторно из-за раздражения рецепторов в стойках кровеносных сосудов. Клетки дыхательного центра раздражаются - и в ответ возникает первый вдох. А дальше вдох рефлекторно вызывает выдох. Механические раздражения кожи при прикосновении рук акушера к телу ребенка, ниже температура окружающей среды по сравнению с внутриутробной, подсыхание тела новорожденного на воздухе - все это также способствует рефлекторном возбуждению дыхательного центра и возникновения первого вдоха.

К моменту рождения ребенка его дыхательный центр способен обеспечивать ритмичную смену фаз дыхательного цикла - вдох и выдох, но еще не так совершенно, как у детей старшего возраста. Это связано с тем, что к моменту рождения функциональное формирование дыхательного центра еще не закончилось. Об этом свидетельствует большая изменчивость частоты, глубины, ритма дыхания у детей раннего возраста. Дети первых лет жизни отличаются более высокой устойчивостью к недостатку кислорода (гипоксии), чем дети старшего возраста. Около 11 лет уже хорошо выражена возможность приспособления дыхания к различным условиям жизнедеятельности.

О функциональном состоянии дыхательного аппарата свидетельствует и возможность произвольно изменять дыхание (подавлять дыхательные движения, или делать максимальную вентиляцию). В произвольной регуляции дыхания участвует кора головного мозга, центры, связанные с восприятием речевых раздражителей и ответить на эти раздражители. Произвольная регуляция связана со второй сигнальной системой и возникает лишь с развитием речи.

Большое значение имеют защитные рефлексы слизистых оболочек дыхательных путей. Эти рефлексы препятствуют попаданию в дыхательные пути вредных веществ или способствуют удалению раздражающих веществ, которые уже попали туда. Так, при раздражении чувствительных рецепторов в гортани и трахеи пылью или слизью воздуха судорожно выталкивается из легких при широко раскрытой голосовой щели (кашель). При раздражении слизистой оболочки носа возникает чихание.