Механизм и процесс выдоха: это что такое и какое значение имеет в газовом обмене

Механизм и процесс выдоха: это что такое и какое значение имеет в газовом обмене

ЛЕКЦИЯ № 13. Физиология дыхания. Механизмы внешнего дыхания

1. Сущность и значение процессов дыхания

Дыхание является наиболее древним процессом, с помощью которого осуществляется регенерация газового состава внутренней среды организма. В результате органы и ткани снабжаются кислородом, а отдают углекислый газ. Дыхание используется в окислительных процессах, в ходе которых образуется энергия, расходующаяся на рост, развитие и жизнедеятельность. Процесс дыхания состоит из трех основных звеньев – внешнего дыхания, транспорта газов кровью, внутреннего дыхания.

Внешнее дыхание представляет собой обмен газов между организмом и внешней средой. Оно осуществляется с помощью двух процессов – легочного дыхания и дыхания через кожу.

Легочное дыхание заключается в обмене газов между альвеолярным воздухом и окружающей средой и между альвеолярным воздухом и капиллярами. При газообмене с внешней средой поступает воздух, содержащий 21 % кислорода и 0,03—0,04 % углекислого газа, а выдыхаемый воздух содержит 16 % кислорода и 4 % углекислого газа. Кислород поступает из атмосферного воздуха в альвеолярный, а углекислый газ выделяется в обратном направлении. При обмене с капиллярами малого круга кровообращения в альвеолярном воздухе давление кислорода 102 мм рт. ст., а углекислого газа – 40 мм рт. ст., напряжение в венозной крови кислорода – 40 мм рт. ст., а углекислого газа – 50 мм рт. ст. В результате внешнего дыхания от легких оттекает артериальная кровь, богатая кислородом и бедная углекислым газом.

Транспорт газов кровью осуществляется в основном в виде комплексов:

1) кислород образует соединение с гемоглобином, 1 г гемоглобина связывает 1,345 мл газа;

2) в виде физического растворения транспортируется 15–20 мл кислорода;

3) углекислый газ переносится в форме бикарбонатов Na и K, причем бикарбонат K находится внутри эритроцитов, а бикарбонат Na – в плазме крови;

4) углекислый газ транспортируется вместе с молекулой гемоглобина.

Внутреннее дыхание состоит из обмена газов между капиллярами большого круга кровообращения и тканью и внутритканевого дыхания. В результате происходит утилизация кислорода для окислительных процессов.

2. Аппарат внешнего дыхания. Значение компонентов

У человека внешнее дыхание осуществляется с помощью специального аппарата, основная функция которого заключается в обмене газов между организмом и внешней средой.

Аппарат внешнего дыхания включает три компонента – дыхательные пути, легкие, грудную клетку вместе с мышцами.

Дыхательные пути соединяют легкие с окружающей средой. Они начинаются носовыми ходами, затем продолжаются в гортань, трахею, бронхи. За счет наличия хрящевой основы и периодического изменения тонуса гладкомышечных клеток просвет дыхательных путей всегда находится в открытом состоянии. Его уменьшение происходит под действием парасимпатической нервной системы, а расширение – под действием симпатической. Дыхательные пути имеют хорошо разветвленную систему кровоснабжения, благодаря которой воздух согревается и увлажняется. Эпителий воздухоносных путей выстлан ресничками, которые задерживают пылевые частицы и микроорганизмы. В слизистой оболочке находится большое количество желез, продуцирующих секрет. За сутки вырабатывается примерно 20–80 мл секрета (слизи). В состав слизи входят лимфоциты и гуморальные факторы (лизоцим, интерферон, лактоферрин, протеазы), иммуноглобулины А, обеспечивающие выполнение защитной функции. В дыхательных путях содержится большое количество рецепторов, образующих мощные рефлексогенные зоны. Это механорецепторы, хеморецепторы, рецепторы вкуса. Таким образом, дыхательные пути обеспечивают постоянное взаимодействие организма с окружающей средой и регулируют количество и состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха.

Легкие состоят из альвеол, к которым прилегают капилляры. Общая площадь их взаимодействия составляет примерно 80–90 м 2 . Между тканью легкого и капилляром существует аэрогематический барьер.

Легкие выполняют множество функций:

1) удаляют углекислый газ и воду в виде паров (эксекреторная функция);

2) нормализуют обмен воды в организме;

3) являются депо крови второго порядка;

4) принимают участие в липидном обмене в процессе образования сурфактанта;

5) участвуют в образовании различных факторов свертывания крови;

6) обеспечивают инактивацию различных веществ;

7) принимают участие в синтезе гормонов и биологически активных веществ (серотонина, вазоактивного интестинального полипептида и т. д.).

Грудная клетка вместе с мышцами образует мешок для легких. Существует группа инспираторных и экспираторных мышц. Инспираторные мышцы увеличивают размеры диафрагмы, приподнимают передний отдел ребер, расширяя переднезаднее и боковое отверстие, приводят к активному глубокому вдоху. Экспираторные мышцы уменьшают объем грудной клетки и опускают передний отдел ребер, вызывая выдох.

Таким образом, дыхание – это активный процесс, который осуществляется только при участии всех задействованных в процессе элементов.

3. Механизм вдоха и выдоха

У взрослого человека частота дыхания составляет примерно 16–18 дыхательных движений в минуту. Она зависит от интенсивности обменных процессов и газового состава крови.

Дыхательный цикл складывается из трех фаз:

1) фазы вдоха (продолжается примерно 0,9–4,7 с);

2) фазы выдоха (продолжается 1,2–6,0 с);

3) дыхательной паузы (непостоянный компонент).

Тип дыхания зависит от мышц, поэтому выделяют:

1) грудной. Осуществляется при участии межреберных мышц и мышц 1—3-го дыхательного промежутка, при вдохе обеспечивается хорошая вентиляция верхнего отдела легких, характерен для женщин и детей до 10 лет;

2) брюшной. Вдох происходит за счет сокращений диафрагмы, приводящих к увеличению в вертикальном размере и соответственно лучшей вентиляции нижнего отдела, присущ мужчинам;

3) смешанный. Наблюдается при равномерной работе всех дыхательных мышц, сопровождается пропорциональным увеличением грудной клетки в трех направлениях, отмечается у тренированных людей.

При спокойном состоянии дыхание является активным процессом и состоит из активного вдоха и пассивного выдоха.

Активный вдох начинается под влиянием импульсов, поступающих из дыхательного центра к инспираторным мышцам, вызывая их сокращение. Это приводит к увеличению размеров грудной клетки и соответственно легких. Внутриплевральное давление становится отрицательнее атмосферного и уменьшается на 1,5–3 мм рт. ст. В результате разности давлений воздух поступает в легкие. В конце фазы давления выравниваются.

Пассивный выдох происходит после прекращения импульсов к мышцам, они расслабляются, и размеры грудной клетки уменьшаются.

Если поток импульсов из дыхательного центра направляется к экспираторным мышцам, то происходит активный выдох. При этом внутрилегочное давление становится равным атмосферному.

При увеличении частоты дыхания все фазы укорачиваются.

Отрицательное внутриплевральное давление – это разность давлений между париетальным и висцеральным листками плевры. Оно всегда ниже атмосферного. Факторы, его определяющие:

1) неравномерный рост легких и грудной клетки;

2) наличие эластической тяги легких.

Интенсивность роста грудной клетки выше, чем ткани легких. Это приводит к увеличению объемов плевральной полости, а поскольку она герметична, то давление становится отрицательным.

Эластическая тяга легких – сила, с которой ткань стремится к спаданию. Она возникает за счет двух причин:

1) из-за наличия поверхностного натяжения жидкости в альвеолах;

2) из-за присутствия эластических волокон.

Отрицательное внутриплевральное давление:

1) приводит к расправлению легких;

2) обеспечивает венозный возврат крови к грудной клетки;

3) облегчает движение лимфы по сосудам;

4) способствует легочному кровотоку, так как поддерживает сосуды в отрытом состоянии.

Легочная ткань даже при максимальном выдохе полностью не спадается. Это происходит из-за наличия сурфактанта, который понижает натяжение жидкости. Сурфактант – комплекс фосфолипидов (в основном фосфотидилхолина и глицерина) образуется альвеолоцитами второго типа под влиянием блуждающего нерва.

Таким образом, в плевральной полости создается отрицательное давление, благодаря которому осуществляются процессы вдоха и выдоха.

4. Понятие о паттерне дыхания

Паттерн – совокупность временных и объемных характеристик дыхательного центра, таких как:

1) частота дыхания;

2) продолжительность дыхательного цикла;

3) дыхательный объем;

4) минутный объем;

5) максимальная вентиляция легких, резервный объем вдоха и выдоха;

6) жизненная емкость легких.

О функционировании аппарата внешнего дыхания можно судить по объему воздуха, поступающего в легкие в ходе одного дыхательного цикла. Объем воздуха, проникающего в легкие при максимальном вдохе, образует общую емкость легких. Она составляет примерно 4,5–6 л и состоит из жизненной емкости легких и остаточного объема.

Жизненная емкость легких – то количество воздуха, которое способен выдохнуть человек после глубокого вдоха. Она является одним из показателей физического развития организма и считается патологической, если составляет 70–80 % от должного объема. В течение жизни данная величина может меняться. Это зависит от ряда причин: возраста, роста, положения тела в пространстве, приема пищи, физической активности, наличия или отсутствия беременности.

Жизненная емкость легких состоит из дыхательного и резервного объемов. Дыхательный объем – это то количество воздуха, которое человек вдыхает и выдыхает в спокойном состоянии. Его величина составляет 0,3–0,7 л. Он поддерживает на определенном уровне парциальное давление кислорода и углекислого газа в альвеолярном воздухе. Резервный объем вдоха – количество воздуха, которое может дополнительно вдохнуть человек после спокойного вдоха. Как правило, это 1,5–2,0 л. Он характеризует способность легочной ткани к дополнительному растяжению. Резервный объем выдоха – то количество воздуха, которое можно выдохнуть вслед за нормальным выдохом.

Остаточный объем – постоянный объем воздуха, находящийся в легких даже после максимального выдоха. Составляет около 1,0–1,5 л.

Важной характеристикой дыхательного цикла является частота дыхательных движений в минуту. В норме она составляет 16–20 движений в мин.

Читайте также:  Как сделать держатель для соски своими руками

Продолжительность дыхательного цикла подсчитывается при делении 60 с на величину частоты дыхания.

Время входа и выдоха можно определить по спирограмме.

Минутный объем – количество воздуха, обменивающееся с окружающей средой при спокойном дыхании. Определяется произведением дыхательного объема на частоту дыхания и составляет 6–8 л.

Максимальная вентиляция легких – наибольшее количество воздуха, которое может поступить в легкие за 1 мин при усиленном дыхании. В среднем ее величина равняется 70—150 л.

Показатели дыхательного цикла являются важными характеристиками, которые широко используются в медицине.

Биология в лицее

Сайт учителей биологии МБОУ Лицей № 2 г. Воронежа, РФ

Site biology teachers lyceum № 2 Voronezh city, Russian Federation

Газообмен в тканях — это обмен газами между притекающей артериальной кровью, межклеточной жидкостью, клетками и оттекающей венозной кровью. Механизм этого обмена такой же, как и в лёгких. Это диффузия, связанная с разностью парциального давления газов в крови, межклеточной жидкости и клетках организма. В тканях кровь отдает кислород и насыщается углекислым газом.

Артериальная кровь по сосудам большого круга кровообращения направляется к органам тела. Содержание кислорода в артериальной крови больше, чем в клетках тканей. Поэтому кислород благодаря диффузии свободно проходит через тонкие стенки капилляров в клетки. Кислород используется для биологического окисления, а выделившаяся энергия идет на процессы жизнедеятельности клетки. При этом образуется углекислый газ, который поступает из клеток тканей в кровь. Кровь из артериальной превращается в венозную. Она возвращается к легким и здесь снова становится артериальной.

Известно, что газы плохо растворяются в теплой воде, еще хуже в теплой и соленой воде. Чем же объяснить, что кислород проникает в кровь, несмотря на то что кровь – теплая и соленая жидкость? Ответ на этот вопрос кроется в свойствах гемоглобина эритроцитов, которые переносят кислород от органов дыхания к тканям, а от них – углекислый газ к дыхательным органам. Его молекула химически взаимодействует с кислородом: она захватывает 8 атомов кислорода и доставляет их тканям.

Жизненная ёмкость лёгких

Жизненная ёмкость лёгких — это наибольшее количество воздуха, которое можно выдохнуть после максимального вдоха. Эта ёмкость равна сумме дыхательного объёма, резервного объёма вдоха и выдоха. Данный показатель колеблется в пределах от 3 500 до 4 700 мл. Для определения различных объёмов и ёмкостей лёгких применяют специальные приборы: спирометры, спирографы и др.

Если попросить человека сделать самый глубокий вдох, а затем выдохнуть весь воздух, то выдохнутый объем воздуха и составит жизненную емкость легких (ЖЕЛ). Понятно, что и после этого выдоха в легких останется еще некоторое количество воздуха – остаточный воздух – равное примерно 1000-1200 см 3 .

Жизненная емкость легких зависит от возраста, пола, роста, наконец от степени тренированности человека. Для того чтобы рассчитать, какой должна быть жизненная емкость воздуха, можно воспользоваться следующими формулами:

ЖЕЛ (л) мужчин = 2,5 x рост (м); ЖЕЛ (л) женщин = 1,9 x рост (м).

ЖЕЛ – это жизненная емкость легких (в литрах), рост надо выразить в метрах, а 2,5 и 1,9 – это коэффициенты, найденные экспериментальным путем. Если реальная жизненная емкость легких окажется равной или большей, чем вычисленные величины, результаты следует считать хорошими, если меньшей – плохими. Жизненную емкость легких измеряют специальным прибором – спирометром.

В чем преимущества людей с высокой жизненной емкостью легких? При тяжелой физической работе, например при беге, вентиляция легких достигается за счет большой глубины дыхания. Человеку, у которого жизненная емкость легких небольшая, да еще и дыхательные мышцы слабы, приходится дышать часто и поверхностно. Это приводит к тому, что свежий воздух остается в воздухоносных путях и лишь небольшая часть его доходит до легких. В результате ткани получают ничтожное количество кислорода, и человек не может продолжать работу.

В систему оздоровительной гимнастики обязательно входят дыхательные упражнения. Многие из них направлены на то, чтобы проветрить верхушки легких, которые, как правило, у большинства людей проветриваются плохо. Если поднять руки вверх, прогнуться назад и сделать вдох, мышцы оттягивают верхнюю часть грудной клетки вверх, и верхушки легких проветриваются. Осуществлять полноценное дыхание помогают хорошо развитые мышцы брюшного пресса. Значит, развивая дыхательные мышцы, мы можем увеличить объем грудной полости, а следовательно, и жизненную емкость.

Механизм и процесс выдоха: это что такое и какое значение имеет в газовом обмене

Дыхание Кислород – основа жизни не только человеческого организма, но и большинства живых существ на нашей планете. Все клетки организма человека потребляют энергию, получаемую в результате аэробного метаболизма питательных компонентов, поступивших с пищей (белки, жиры, углеводы и др). Для обеспечения аэробного метаболизма необходим кислород. Конечным продуктом метаболизма является углекислый газ, который должен удалятся из организма.

Главная цель дыхательного акта – доставка к тканям кислорода, который находится во вдыхаемом воздухе, и выведение с выдыхаемым воздухом вредного побочного продукта метаболизма – углекислого газа. Низкооксигенированная и насыщенная углекислым газом венозная кровь поступает от тканей в правые отделы миокарда (сердца), откуда через легочную артерию поступает в легкие. В легких происходит обмен углекислого газа на кислород, после чего насыщенная кислородом и с малым содержанием углекислого газа кровь через легочную вену возвращается в сердце, затем через аорту и артериальную систему поступает ко всем органам и тканям, чтобы насытить их кислородом и освободить от углекислого газа…

Основные газовые законы в физиологических системах. Диффузия и единицы измерения

Чтобы определить количество газа в какой-либо системе, в том числе и биологической, необходимо знать давление, оказываемое конкретным газом. Значения показателей давления газов традиционно принято выражать в миллиметрах ртутного столбы (мм рт ст). Так, барометрическое давление (давление атмосферного воздуха) – 760 мм рт ст на уровне моря, – то есть, на уровне моря суммарное давление газов, вдыхаемых человеком, достаточное для поддержания ртутного столбика высотой 760 мм.

Таким образом, общее давление газовой смеси представляет собой сумму парциальных давлений (парциальное давление обозначается символом «P») каждого отдельного компонента. Например, в воздухе содержится 21% кислорода, 78% азота и 0,03% углекислого газа; парциальное давление кислорода – PO2 – во вдыхаемом воздухе на уровне моря составляет 21% от общего атмосферного давления (21/100 х 760 = 150 мм рт ст, а PCO2 = 0,03/100 х 760 = 0,2 мм рт ст.

Для измерения парциального давления в клинико-диагностических лабораториях наряду с «мм рт ст» часто применяют единицы СИ «килопаскали» – кПа. Давление определяется как сила, которая воздействует на единицу площади. В СИ единицей измерения силы является «ньютон» (Н), а площадь – квадратный метр (м 2 ). То есть, в международной системе единица давления «паскаль» (Па) = 1 Н/м 2 ; соответственно 1 кПа = 1000 паскалей (или 1000 Н/м 2 ). Отметим, что в некоторой научной медицинской литературе парциальное давление газов крови выражают в «мм рт ст» – чтобы перевести «мм рт ст» в «кПа», указанное значение в мм рт ст нужно умножить на величину 0,133.

На рисунке 1 продемонстрированы значения парциальных давлений кислорода и углекислого газа во вдыхаемом воздухе, внутри легких (альвеолярном воздухе), в артериальной и венозной крови, а также в тканях организма.

Газовый обмен

Рисунок 1. Содержание газов в легких, тканях и системной циркуляции (артериальной и венозных системах)

Отметим, что скорость диффузии газов через физиологические мембраны зависит непосредственно от парциального давления газов по обе стороны мембраны. Так, диффундация газа происходит из области высокого парциального давления в область низкого. И чем больше разница парциального давления с обеих сторон мембраны, тем быстрее проходит диффузия. Чтобы понять простоту значения этого принципа, следует более подробно рассмотреть процесс газообмена «легкие-кровь» и «кровь-ткани».

Газообмен в легких

Газообмен между кровью и вдыхаемым легкими воздухом происходит альвеолах – структурных единицах легких, представляющих собой тонкие слепые (замкнутые) мешочки, через мембрану которых осуществляется обмен газов. Легкие имеют примерно 600 млн альвеол, что дает возможность обеспечить большую мембранную поверхность для газообмена (у взрослого человека суммарная площадь поверхности мембран на выдохе составляет около 40 м 2 , на вдохе – до 120 м 2 ).

С одной стороны альвеолярной мембраны находится воздух, с другой – мелкие капилляры, структура которых позволяет пропускать только одну клетку крови. Через мембрану диффундируют газы, восстанавливая количественное равновесие для каждого из них по обе стороны мембраны. В результате углекислый газ переносится из крови (PCO2 = 6,1 кПа) в альвеолы (PCO2 = 4,8 кПа), а кислород – из альвеол (PO2 = 13,3 кПа) в кровь (PO2 = 5,3 кПа).

Успешный процесс газообмена в легких между альвеолами и кровью зависит от следующих факторов:

  • Адекватная альвеолярная вентиляция – механический процесс, который зависит от эластической тяги легких, обеспечивающей поступление воздуха в альвеолы и движение воздуха из них.
  • Достаточный кровоток в капиллярах легких.
  • Достаточное количество функционирующих альвеол.
Читайте также:  Муковисцидоз у детей и новорожденных - что это за болезнь, признаки, симптомы и причины

Транспорт кислорода кровью

Кислород, попадая в кровь через альвеолярную мембрану, очень плохо в ней растворяется. В растворенном виде кровью переносится очень мало кислорода (около 3 мл на 1 л крови) – этого количества очень мало, чтобы обеспечить потребности организма. Эритроциты – красные клетки крови, в которых содержится белок гемоглобин. Именно гемоглобин увеличивает способность крови транспортировать до 200 мл/л, что делает этот белок эффективным средством транспорта кислорода. Фактически 98% кислорода транспортируется гемоглобином, находящегося в эритроцитах. Остальные 2% кислорода транспортируется кровью в растворенном виде (эта незначительная фракция определяет измеряемое PO2 (парциальное давление кислорода).

При соединении кислорода с гемоглобином образуется оксигемоглобин. Когда гемоглобин лишается кислорода, образуется дезоксигемоглобин.

Основная функция гемоглобина – транспорт кислорода от легких к тканям. Эта функция осуществляется благодаря обратимой конформационной трансформации четвертичной формы (структуры) молекул гемоглобина, таким образом изменяется их сродство с кислородом. Когда гемоглобин находится в дезоксигенированном состоянии, его аффинность (сила взаимодействия) к кислороду низкая, в отличие от оксигенированного состояния, при котором афинность высокая.

На состояние (дезокси- или оксигенированное) гемоглобина действуют много внешних факторов. Наиболее влиятельный из которых – парциальное давление кислорода (PO2). То есть, если PO2 высокое, сродство гемоглобина с кислородом гораздо выше, чем при низком парциальном давлении (кривые диссоциации кислорода описывают эти взаимосвязи на рисунке 2).

Содержание кислорода в организме

Рисунок 2. Взаимосвязь между содержанием кислорода в крови (PO2) и кислородом, который может объединиться с гемоглобином (% насыщения гемоглобина)

На графике видно, что высокое значение PO2 (в артериальной крови) позволяет объединиться с кислородом почти 100% гемоглобина. И наоборот, при низких значения PO2 (венозная кровь, ткани) гемоглобин меньше насыщается кислородом, так как имеет меньшее сродство с ним. Таким образом определяется максимальная нагрузка кислорода на гемоглобин в артериальной крови в области артериол и высвобождение кислорода в тканях. При повышении PСO2 как основного продукта окисления и понижении pH в тканях, этот процесс активизируется.

Несмотря на то, что PO2 характеризует незначительную часть кислорода в артериальной крови (1-2%), этот показатель важен, поскольку он определяет количество связанного с гемоглобином кислорода (SO2) – общее количество кислорода, транспортируемого кровью в ткани.

В случае снижения PO2 количество связанного с кислородом гемоглобина (SO2) также снижается, в результате ткани получают меньше кислорода. На рисунке 2 показано, что снижение PO2 с 16 до 10 кПа практически не влияют на показатель SO2, то есть на количество кислорода в крови. Но при понижении значения PO2 ниже 10 кПа, SO2 резко снижается. С таким уровнем PO2 к тканям транспортируется недостаточное количество кислорода.

Таким образом, адекватная оксигенация тканей зависит от следующих факторов:

  • Достаточное количество гемоглобина
  • Насыщение гемоглобина артериальной крови кислородом не менее чем на 95%
  • Парциальное давление кислорода (PO2) не должно быть ниже 10 кПа
  • Поддержание необходимого уровня парциального давления зависит от факторов, необходимых для обеспечения полноценного газообмена между легкими и кровью

Обмен газов в легких. Перенос газов кровью. Обмен газов в тканях

Легочный газообмен

Проходя через капилляры малого круга кровообращения, кровь обогащается кислородом, поступающим в них из легочных альвеол, и отдает углекислый газ. Этот процесс называется легочным газообменом. Переход кислорода из альвеолярного воздуха в кровь и углекислого газа из крови в альвеолярный воздух обусловлен разным парциальным* давлением каждого из этих газов в крови и в воздухе, наполняющем альвеолы ( * От лат. «парс» — часть, частично).

Атмосферный воздух представляет собой смесь газов: азота, кислорода, углекислого газа и некоторых других. Парциальным давлением называется та часть общего давления газовой смеси, ко­торая приходится на долю каждого газа. Эта часть зависит от процентного содержания газа в смеси. Чем оно больше, тем выше парциальное давление данного газа. Парциальное давление можно вычислить, зная давление газовой смеси и процентное содержание в ней данного газа. Так, на уровне моря давление воздуха — атмосферное давление — равно 760 мм рт. ст. Поскольку кислорода в воздухе 21%, его парциальное давление —159 мм рт. ст.

Содержание кислорода в альвеолярном воздухе меньше, чем в атмосферном (табл. 4). Объясняется это следующим. Из 500 мл воздуха, которые человек вдыхает при спокойном вдохе, примерно 150 мл остается в трахее и бронхах и только 350 мл попадает в альвеолы.

В альвеолах содержится 1500 мл воздуха, составляющих остаточный объем легких, и еще 1500 мл — резервный объем выдоха, т. е. из 3000 мл воздуха альвеол при спокойном дыхании на каждом вдохе обновляется только 350 мл — (немногим больше одной десятой части). Во время выдоха альвеолярный воздух смешивается с атмосферным, содержащимся в трахее и бронхах. Поэтому в выдыхаемом воздухе больше кислорода и меньше углекислоты, чем в альвеолярном воздухе.

При физической работе вентиляция легких увеличена, но зато повышены потребность в кислороде и выделение углекислоты. Поэтому состав альвеолярного воздуха все время (и в покое, и при работе) поддерживается постоянным.

Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе на уровне моря составляет около 102 мм рт. ст., а парциальное давление кислорода в притекающей к легким венозной крови составляет только 40 мм рт. ст. В связи с этим кислород переходит из альвеолярного воздуха в кровь (рис. 77), т. е. из области большего давления в область меньшего давления. В артериальной крови, оттекающей от легких, парциальное давление кислорода становится равным 100 мм рт. ст. Парциальное давление углекислого газа в венозной крови выше, чем в альвеолярном воздухе, поэтому углекислый газ переходит из крови в альвеолы. В результате этих процессов от легких оттекает артериальная кровь, обогащенная кислородом и освободившаяся от излишка углекислоты.

Переходя из альвеолярного воздуха в кровь, кислород проникает через легочную мембрану – стенку, отделяющую альвеолы от капилляров. Проницаемость ее оценивают по величине диффузионной* способности легких, которая в покое равна 25 условным единицам, а при физической работе — 80 и более. Максимальная величина ее наблюдается при такой работе, при которой частота сердцебиений составляет 120 уд/мин, При дальнейшем увеличении мощности работы диффузионная способность легких уже почти не возрастает. Однако и величина около 80 обеспечивает возможность выполнения тяжелых нагрузок.

Перенос газов кровью

Кровь переносит кислород в химически связанном состоянии-в составе оксигемоглобина. Если весь содержащийся в крови гемоглобин перейдет в окисленную форму, в каждых 100 мл крови будет около 20 мл кислорода. То количество кислорода, которое содержится в 100 мл крови, когда весь гемоглобин находится в окисленной форме, называется кислородной емкостью крови. Однако в естественных условиях при дыхании атмосферным воздухом кровь никогда не насыщается кислородом полностью. В артериальной крови только 96% гемоглобина находится в форме оксигемоглобина, поэтому в 100 мл крови будет содержаться не 20 мл кислорода, а несколько меньше (обычно 18—19 мл).

Углекислый газ в крови проникает внутрь эритроцитов и превращается в угольную кислоту:

Этому превращению способствует содержащийся в эритроцитах фермент угольная ангидраза.

Кроме того, углекислый газ может вступать в химическое соединение с гемоглобином, освободившимся от кислорода при прохождении крови по капиллярам тканей. Это соединение называется карбогемоглобином. Примерно 30% углекислого газа переносится кровью в форме карбогемоглобина.

* От лат. «диффузию» — разлитие, т. е. медленное проникновение одного вещества в другое при их соприкосновении.

Артериальная кровь содержит относительно мало углекислоты. Кровь насыщается углекислым газом в капиллярах тканей. Поэтому венозная, оттекающая от тканей, кровь значительно богаче углекислотой, чем артериальная.

Обмен газов в тканях

Парциальное давление кислорода в тканях значительно меньше, чем в артериальной крови. В связи в этим кислород отщепляется от оксигемоглобина и переходит из крови в ткани. Углекислого газа, наоборот, больше в тканях, так как он является продуктом обмена веществ. Поэтому углекислый газ переходит в кровь. Процесс перехода кислорода из крови в ткани и углекислого газа из тканей в кровь носит название обмена газов в тканях.

При физической работе содержание кислорода в работающих мышцах уменьшается, так как он быстро расходуется на обеспечение мышечных сокращений. Снижение парциального давления кислорода в тканях способствует более быстрому расщеплению оксигемоглобина. Однако чем больше кислорода поглощает мышечная ткань, чем больше падает в мышце его парциальное давление, тем на меньшую глубину проникает поступивший из крови кислород. Он будет израсходован мышечными волокнами, расположенными рядом с капиллярами. Отсюда понятно, какое большое значение имеет раскрытие при работе тех капилляров, которые в покое закрыты. При выполнении физических упражнений в мышцах накапливаются продукты обмена веществ, главным образом различные кислоты. В кислой среде оксигемоглобин расщепляется легче. Следовательно, образование кислых продуктов обмена веществ при работе облегчает поступление кислорода в мышцы. Температура мышц во время работы возрастает, что также благоприятствует расщеплению оксигемоглобина.

Итак, на переход кислорода из крови в ткани влияют три фактора: парциальное давление кислорода в тканях, кислотность среды и температура. Их действие проявляется и в покое, но особенно усиливается при физической работе.

Читайте также:  Гаммаглобулин: что такое и как применяется антистафилококковый и антирезусный гаммаглобулин человеческий

Кислород, поступивший в ткани из крови, используется для окисления различных органических веществ, в результате чего освобождается необходимая для жизнедеятельности тканей энергия. Этот процесс носит название тканевого дыхания.

Артериальная кровь отдает тканям не весь содержащийся в ней кислород. В оттекающей от тканей венозной крови имеется еще довольно много кислорода — около 12—14 мл на 100 мл крови. Разность содержания кислорода в артериальной и венозной крови называется артерио-венозной разностью по кислороду и обозначается АВРО2. В покое она составляет около 6 мл кислорода на 100 мл крови, при мышечной работе —15—17 мл. Увеличение АВР02 при работе происходит потому, что ткани, особенно работающие мышцы, извлекают из артериальной крови больше кислорода, чем в покое. Этому способствуют низкое парциальное давление кислорода в сокращающихся мышцах, накопление в них кислот и относительно высокая температура.

Дыхание как процесс. Механизмы вдоха и выдоха

Дыхание как процесс состоит из трех компонентов:

1. Внешнее дыхание.

2. Транспорт газов кровью.

3. Внутреннее дыхание.

Внешнее дыхание. Вдох и выдох. Механизм вдоха

1. Первым делом при вдохе сокращаются наружные межреберные мышцы, в результате чего ребра приподнимаются.

2. Следом сокращается и уплощается диафрагма. Она решительно давит на органы, расположенные в брюшной полости, толкая их вниз.

3. Объемы грудной и плевральной полости растут.

4. Давление в плевральной полости еще более понижается и падает ниже атмосферного.

5. Давление в альвеолах легких также уменьшается при поднятии ребер и увеличении грудной клетки.

6. Низкое давление в альвеолах и в плевральной полости — залог поступления воздуха в легкие.

7. Грудная клетка поднята, человек вдыхает.

1. Выдох происходит под действием тяжести опускающейся грудной клетки, воздух попросту выдавливается.

2. Сокращаются лишь внутренние межреберные мышцы, а наружные расслабляются.

3. Диафрагма вновь становится выпуклой — она как бы вдается в грудную полость.

4. Давление в легких в этот момент выше атмосферного, поэтому воздух и идет из легких наружу, из области высокого давления в область более низкого.

Дыхательные показатели легких

1. Дыхательный объем — это тот объем воздуха, который человек без усилий, спокойно вдыхает за один дыхательный цикл (у взрослого он составляет около 0,5 литра).

2. Резервный объем вдоха — объем воздуха, который возможно дополнительно, с усилием вдохнуть после обычного вдоха (это еще около 1,5 литра).

3. Резервный объем выдоха — объем воздуха, который человек способен выдохнуть после обычного выдоха (соответственно, около 1,5 литра).

4. ЖЕЛ — объем воздуха, который человек выдыхает после того, как сделал максимально глубокий вдох (он составляет в среднем 3,3–4,8 литра). Измеряют этот объем спирометром.

5. Остаточный объем — объем воздуха, остающийся в легких даже после максимального выдоха (около 1,2 литра). Как мы видим, полный выдох вовсе не означает, что в легких вовсе не осталось воздуха. В них существует невероятный, длиной в три тысячи километров, лабиринт путей, по которым движется воздух.

6. Общая емкость легких — результат сложения остаточного объема и ЖЕЛ (4,2–6 литров).

Транспорт газов кровью

100 миллилитров крови переносят около 21 миллилитра кислорода — это называется кислородной емкостью крови. Ниже мы перечислим, как, из каких мест и куда по кровяному руслу переносятся кислород и углекислый газ.

1. Кислород в альвеолах проникает в капилляры, связывается с гемоглобином эритроцитов, образуется оксигемоглобин.

2. Эритроциты передают молекулы кислорода клеткам и тканям.

3. Из клеток и тканей в обратном направлении движется углекислый газ, связывающийся с гемоглобином — в результате чего образуется карбгемоглобин, а также карбонаты; либо СО2 движется в свободном состоянии (в составе угольной кислоты).

4. Кровь, насыщенная СО2, поступает в легкие.

Тканевое (внутреннее) дыхание

1. Кровеносные капилляры отдают кислород в тканевую жидкость.

2. Газы из капилляров крови идут в тканевую жидкость по закону диффузии.

3. Из тканевой жидкости кислород идет в клетки тела, где используется для окисления.

4. Из клеток в тканевую жидкость диффузно идет углекислый газ.

5. Из тканевой жидкости углекислый газ диффузно достигает капилляра.

Интересные факты о дыхании

1. В воздухе, выдыхаемом человеком, содержится до 10 процентов кислорода и до 4 процентов углекислого газа.

2. При минимальных 4–5 процентах углекислого газа в воздухе у человека появляются признаки отравления. При 10–12 процентах человек теряет сознание, возможна смерть.

3. Кессонная болезнь развивается от перепада давления при стремительном подъеме с глубины на поверхность, например, у дайверов или исследователей, опускающихся на глубину в батискафе. В крови при этом образуются пузырьки азота, которые разрушают кровеносные сосуды, перекрывают ток крови. При этом возможны паралич и смерть.

4. Ионы водорода воздействуют на нейроны дыхательных центров головного мозга.

5. Кислород действует только на специфические хеморецепторы сосудов, не влияя на клетки дыхательных центров мозга.

6. Если суммировать общий вес крови, перекачивающейся легкими за сутки, результат нас удивит — это около 7 тонн!

Хочешь сдать экзамен на отлично? Жми сюда – мастер класс по биологии

ПОЖАЛУЙСТА!ответьте на вопросы!СРОЧНО!
1.Обмен какими газами между организмом и средой происходит при дыхании?
2 есть организмы , которым кислород не нужен, более того , он для них губителен.Где они находят условия для своего существования?Выясните , используя дополнительные источники информации , что это за организмы?
3.какие животные имеют кожное дыхание?
4 . Объясните, почему при увеличении физической нагрузки увеличиваются интенсивность дыхания.
5.как устроены лёгкие?
6. Почему лягушка погибает при пересыхании кожи?
7. почему дыхание- важный признак всех живых организмов? Какова их роль?

Ответ

Проверено экспертом

1.Обмен какими газами между организмом и средой происходит при дыхании?

Между организмом и средой происходит обмен кислородом и углекислым газом.

При дыхании кровь в легких насыщается кислородом, а отдает углекислый газ.

2 есть организмы , которым кислород не нужен, более того , он для них губителен.Где они находят условия для своего существования?Выясните , используя дополнительные источники информации , что это за организмы?

Такие организмы называются анаэробы. Для существования им не нужен кислород. Они находят себе среду обитания внутри других организмов или в любой другой бескислородной среде. Среди анаэробов выделяют организмы, которые гибнут от кислорода, которые переносят кислород, но при том часть их жизненных функции перестает работать, которые могут быть в зависимости от условий анаэробами или аэробами и т. д. К анаэробам относят бактерии молочнокислого брожения, спиртового брожения, маслянокислого брожения и т д, дрожжи, червей, и простейших, паразитирующих в кишечнике животных (представители круглых и плоских червей), некоторые грибы, и т. д

3 какие животные имеют кожное дыхание?

Кожное дыхание имеют земноводные. Их кожа содержит много желез, которые увлажняют кожу и растворяют кислород. Этот кислород через кожу проникает в кровеносные сосуды, которыми богата кожа и подлежащие ткани, а из крови удаляется углекислый газ

4 . Объясните, почему при увеличении физической нагрузки увеличиваются интенсивность дыхания.

Работающие мышцы увеличивают потребление кислорода. Накапливающийся углекислый газ заставляет человека при физической нагрузке дышать чаще и усиливает работу сердца

5.как устроены лёгкие?

Легкие состоят из долей. Правое из трех, левое из двух долей. Это связано с тем, что со стороны левого легкого располагается сердце. Внутри легких, входящие в них бронхи, многократно ветвятся, подобно ветвям дерева. На конце каждой веточки находится гроздь альвеол – легочных мельчайших пузырьков в которых происходит газобмен. Это гроздь напоминает гроздь винограда. Каждая альвеола опутанакровеносными сосудами. внутри альвеола смазана особым вещесвом, которое не дает стенкам пузырька склеиваться при выдохе. Сверху легкие покрыты легочной плеврой. Между плеврой и легкими есть плевральная полость, заполненная жидкостью, уменьшающей трение легких.

6. Почему лягушка погибает при пересыхании кожи?

На долю кожного дыхания у амфий приходится значительная часть газообмена. Чтобы газообмен мог совершаться, кожа должна быть все время увлажнена слизью, которую выделяют кожные железы. Эта слизь одновременно увлажняет кожу и растворяет кислород, который только в растворенном вие может проникать сквозь кожу к кровеносным сосудам.

Кожа сухая, кислород не поступает, лягушка просто задыхается.

7. почему дыхание- важный признак всех живых организмов? Какова их роль?

Под понятие дыхание понимают 2 процесса. Первый – поступление кислорода в легкие по дыхательным путям и насыщение в легких крови кислородом. Второй – клеточное дыхание, когда на кислородном этапе энергетического обмена происходит окисление с помощью кислорода органических веществ в митохондриях в клетках с образованием АТФ (высоэнергетического вещества), воды и углекислого газа. Эти два процесса связаны и представляют одну сторону метаболизма (обмена веществ) в организме. А обмен веществ – важный признак отличающй живое от неживого. ,

  • обеспечение организма кислородом
  • Обеспечение организма энергией
  • выведение из организма углекислого газа и излишком воды

Ссылка на основную публикацию