Газообмен в легких и тканях физиология. Как происходит газообмен в легких

Дыхание – неотъемлемый и жизненно важный процесс для любого живого организма. Для насыщения кислородом органов и тканей требуется оптимальный состав воздуха и правильная работа тела человека. В таком случае здоровый организм чувствует себя бодро и активно, без патологических признаков гипоксии.

Физиологический вдох

Процессы газообмена в легких и тканях представляют собой сложную цепь биохимических реакций и соединений. Воздух поступает через верхние дыхательные пути в нижние его отделы. Бронхиальное дерево проводит газовую смесь к конечным своим пунктам – альвеолам. Альвеолы состоят из альвеолоцитов, которые изнутри выстланы поверхностно-активным веществом – сурфактантом, а снаружи покрывает базальный слой.

Вся поверхность легких как будто окутана сетью плотно прилегающих капилляров, через сосудистую стенку которых проникает так необходимый организму кислород. Граница альвеолярной стенки и стенки капилляра очень мала – составляет 1 мкм, что обеспечивает полноценный процесс, где происходит газообмен.

Акт вдоха выполняется за счет сокращения мышц грудной клетки, в том числе и диафрагмы – большой мышцы, находящейся на границе грудной и брюшной полости. При ее сокращении происходит нагнетание воздушной смеси за счет разницы атмосферного и внутригрудного давления. Выдох же, наоборот, делается пассивно, благодаря эластичности легких. Исключением является активная физическая нагрузка, когда человек усиливает работу гладкой и скелетной мускулатуры, принудительно сокращая ее.

Центр управления

Процесс газообмена в легких происходит путем регуляции центральной нервной системой. В стволовой части головного мозга, которая находится на границе со спинным мозгом, есть конгломераты нервных клеток – они способствуют фазе вдоха и выхода, отдавая специальные импульсы.

Такой отдел называется дыхательным центром. Его особенность заключается в автономности – импульсы вырабатываются автоматически, что объясняет дыхание человека во время сна. При повышении уровня углекислого газа в крови дыхательный центр побуждает к выполнению вдоха, где при растяжении в легких происходит активный обмен газами между кровью и клетками альвеол.

Существуют скопления нервных клеток в коре головного мозга, гипоталамусе, варолиевом мосту, спинном мозге, отвечающие за произвольную регуляцию дыхания. Однако они непрерывно связаны нервными волокнами основного центра дыхания в стволе, при повреждении которого наступает остановка дыхания.

Механизм

Альвеолоциты и стенка сосудов служат мостиком, где происходит газообмен. Кислород устремляется в сторону капиллярной сети, а углекислый газ в альвеолы – это объясняется разницей давления между воздухом и кровью. Схема диффундирования газов подчиняется законам физики.

Поступивший кислород присоединяется к белку эритроцитов – гемоглобину. Данное соединение именуется оксигемоглобин, а кровь, насыщенная им – артериальная. Она выталкивается в левое предсердие и желудочек, откуда аортой и ее ответвлениями доставляется к органам.

Затем окисленные соединения собираются в венозные шунты и через полые вены, правое предсердие и желудочек доставляются к дыхательной системе. Этот процесс должен способствовать газообмену в тканях, происходит насыщение и обратный захват продуктов метаболизма.

Газообмен в тканях – молниеносный процесс, выполняется за 0,1 с. Организм так устроен, что за такое малое время способен выполнить важнейшую жизненную функцию организма. При снижении напряжения оксигена в тканях происходит развитие патологии, которая называется гипоксия. Она может служить признаком нарушения:

• Вентиляционной способности легочной ткани.
• Недостаточности кровообращения.
• Не полной работы ферментативной системы.

Функции дыхательных путей многогранны и включают в себя не только регуляцию газов крови, но и иммунный ответ, отвечают за буферную систему и кислотно-основное состояние, выведение токсических веществ, реологические свойства крови.

Газообмен в лёгких и тканях

Мы дышим атмосферным воздухом. Он содержит примерно 21% кислорода, 0,03% углекислого газа, почти 79% азота, пары воды. Воздух, который мы выдыхаем, отличается по составу от атмосферного. В нем уже 16% кислорода, около 4% углекислого газа, больше становится и паров воды. Количество азота не изменяется.

Газообмен в лёгких — это обмен газами между альвеолярным воздухом и кровью лёгочных капилляров путём диффузии. В легких кровь освобождается от углекислого газа и насыщается кислородом.

По артериям малого круга кровообращения в легкие поступает венозная кровь . В воздухе, который вдыхает человек, кислорода содержится значительно больше, чем в венозной крови. Поэтому он в результате диффузии свободно проходит через стенки альвеол и капилляров в кровь. Здесь кислород соединяется с гемоглобином - красным пигментом эритроцитов. Кровь насыщается кислородом и становится артериальной . Одновременно углекислый газ проникает в альвеолы. Благодаря легочному дыханию соотношение кислорода и углекислого газа в воздухе альвеол поддерживается на постоянном уровне, и газообмен между кровью и альвеолярным воздухом идет непрерывно, независимо от того, вдыхаем мы воздух в данный момент или на некоторое время задерживаем дыхание.

Газообмен в лёгких происходит благодаря существованию разницы парциального давления дыхательных газов. Парциальным (т. е. частичным) давлением называют часть общего давления, которая приходится на долю каждого газа в газовой смеси. Это давление измеряют в мм рт. ст. Парциальное давление зависит от процентного содержания газа в газовой смеси: чем выше процентное содержание, тем выше парциальное давление.

Парциальное давление можно высчитать по формуле Дальтона: р = (Р х а)/100, где р — парциальное давление данного газа, Р — общее давление газовой смеси в мм рт. ст., а — процентное содержание газа в газовой смеси. Например, парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе составляет: (760 х 20,94)/100 = 159 мм рт. ст. Парциальное давление углекислого газа во вдыхаемом воздухе составляет 0,2 мм рт. ст. В лёгочных альвеолах парциальное давление кислорода составляет 106 мм рт. ст., а углекислого газа — 40 мм рт. ст. Поэтому кислород и углекислый газ переходят из области большего давления в область меньшего давления.

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.

Производя попеременно вдох и выдох, человек вентилирует легкие, поддерживая в альвеолах относительно постоянный газовый состав. Человек дышит атмосферным воздухом с большим содержанием кислорода (20,9%) и низким содержанием углекислого газа (0,03%), а выдыхает воздух, в котором количество кислорода снижается, а углекислого газа - увеличивается. Рассмотрим процесс газообмена в легких и тканях человека.

Состав альвеолярного воздуха отличается от вдыхаемого и выдыхаемого. Это объясняется тем, что при вдохе в альвеолы поступает воздух воздухоносных путей (т.е. выдыхаемый), а при выдохе, наоборот, к выдыхаемому (альвеолярному) примешивается атмосферный воздух, находящийся в тех же воздухоносных путях (объем мертвого пространства).

В легких кислород из альвеолярного воздуха переходит в кровь, а углекислый газ из крови поступает в легкие путем диффузии через стенки альвеол и кровеносных капилляров. Общая толщина их составляет около 0,4мкм. Направление и скорость диффузии определяются парциальным давлением газа, или его напряжением.

Парциальное давление и напряжение - по сути синонимы, но о парциальном давлении говорят, если данный газ находится в газовой среде, а о напряжении, если он растворен в жидкости. Парциальным давлением газа называют ту часть общего давления газовой смеси, которая приходится на данный газ.

Разность между напряжением газов в венозной крови и их парциальным давлением в альвеолярном воздухе составляет для кислорода около 70 мм рт. ст., а для углекислого газа - 7 мм рт. ст.

Экспериментальным путем установлено, что при разнице напряжения кислорода в 1 мм рт. ст. у взрослого человека, находящегося в покое, в кровь может поступать 25-60 см 3 кислорода в минуту. Человеку в покое нужно примерно 25-30 см 3 кислорода в минуту. Следовательно, разность движений кислорода в 70 мм рт. ст. достаточна для обеспечения организма кислородом при разных условиях его деятельности: при физической работе, спортивных упражнениях и др.

Скорость диффузии углекислого газа из крови в 25 раз больше, чем кислорода, поэтому за счет разности в 7 мм рт. ст. углекислый газ успевает выделиться из крови.

Переносит кислород от легких к тканям и углекислый газ от тканей к легким - кровь. В крови, как и во всякой жидкости, газы могут находиться в двух состояниях: в физически растворенном и в химически связанном. И кислород, и углекислый газ в очень небольшом количестве растворяются в плазме крови. Основные количества кислорода и углекислого газа переносятся в химически связанном виде. Основной переносчик кислорода - гемоглобин крови, каждый грамм которого связывает 1,34 см 3 кислорода.

Углекислый газ переносится кровью в основном в виде химических соединений - бикарбонатов натрия и калия, но часть его переносится и в связанном с гемоглобином состоянии.

Обогащенная кислородом в легких кровь по большому кругу разносится ко всем тканям организма, где происходит диффузия в ткани в силу разности его напряжения в крови и тканях. В клетках тканей кислород используется в биохимических процессах тканевого (клеточного) дыхания - процессы окисления углеводов, жиров.

Количество потребляемого кислорода и выделяемого углекислого газа изменяются у одного и того же человека. Зависит оно не только от состояния здоровья, но и от физической активности, питания, возраста, пола, температуры среды, массы и площади поверхности тела и др.

Например, на холоде газообмен усиливается, чем поддерживается постоянство температуры тела. По состоянию газообмена судят о здоровье человека. Для этого разработаны специальные методы исследований, основанные на анализе состава вдыхаемого и собранного выдыхаемого воздуха.

Кровь, которая течет к легким от сердца (венозная), содержит мало кислорода и много углекислого газа; воздух в альвеолах, наоборот, содержит много кислорода и меньше углекислого газа. Вследствие этого через стенки альвеол и капилляров происходит двусторонняя диффузия -. кислород переходит в кровь, а углекислый газ поступает из крови в альвеолы. В крови кислород проникает в эритроциты и соединяется с гемоглобином. Кровь, насыщенная кислородом, становится артериальной и по легочным венам поступает в левое предсердие.

У человека обмен газами завершается в несколько секунд, пока кровь проходит через альвеолы легких. Это возможно благодаря огромной поверхности легких, сообщающейся с внешней средой. Общая поверхность альвеол составляет свыше 90 м 3 .

Обмен газов в тканях осуществляется в капиллярах. Через их тонкие стенки кислород поступает из крови в тканевую жидкость и затем в клетки, а углекислота из тканей переходит в кровь. Концентрация кислорода в крови больше, чем в клетках, поэтому он легко диффундирует в них.

Концентрация углекислого газа в тканях, где он собирается, выше, чем в крови. Поэтому он переходит в кровь, где связывается химическими соединениями плазмы и отчасти с гемоглобином, транспортируется кровью в легкие и выделяется в атмосферу.

В тканях кровь отдает кислород и поглощает углекислоту. Газообмен в капиллярах тканей большого круга, так же как и в легочных капиллярах, обусловлен диффузией вследствие разности парциальных напряжений газов в крови и в тканях.

Напряжение углекислого газа в клетках может достигать 60 мм, в тканевой жидкости оно весьма изменчиво и в среднем составляет 46 мм, а в притекающей к тканям артериальной крови - 40 мм рт. ст. Диффунтируя по направлению более низкого напряжения, углекислый газ переходит из клеток в тканевую жидкость и далее в кровь, делая ее венозной. Напряжение углекислого газа в крови при прохождении ее по капиллярам становится равным напряжению углекислого газа в тканевой жидкости.

Клетки весьма энергично потребляют кислород, поэтому его парциальное напряжение в протоплазме клеток очень низко, а при усилении их активности может быть равно нулю. В тканевой жидкости напряжение кислорода колеблется между 20 и 40 мм. Вследствие этого кислород непрерывно поступает из артериальной крови, приносимой к капиллярам большого круга кровообращения (здесь напряжение кислорода равно 100 мм рт. ст.), в тканевую жидкость. В результате в оттекающей от тканей венозной крови напряжение кислорода значительно ниже, чем в артериальной, составляя 40 мм.

Кровь, проходя по капиллярам большого круга, отдает не весь свой кислород. Артериальная кровь содержит около 20 об.% кислорода, венозная же кровь - примерно 12 об. % кислорода. Таким образом, из 20 об. % кислорода ткани получают 8 об. %, т. е. 40% всего кислорода, содержащегося в крови.

То количество кислорода в процентах от общего содержания его в артериальной крови, которое получают ткани, носит название коэффициента утилизации кислорода. Его вычисляют путем определения разности содержания кислорода в артериальной и венозной крови. Эту разность делят на содержание кислорода в артериальной крови и умножают на 100.

Коэффициент утилизации кислорода меняется в зависимости от ряда физиологических условий. В покое организма он равен 30-40%. При тяжёлой же мышечной работе содержание кислорода в оттекающей от мышц венозной крови уменьшается до 8-10 об. % и, следовательно, утилизация кислорода повышается до 50-60%.

Более быстрый переход кислорода в ткани обеспечивается раскрытием нефункционировавших капилляров в работающей ткани. Повышению коэффициента утилизации способствует также усиленное образование кислот - молочной и угольной, что понижает сродство гемоглобина к кислороду и обеспечивает более быструю диффузию кислорода из крови. Наконец, увеличению утилизации кислорода содействуют повышение температуры работающих мышц и усиление ферментативных и энергетических процессов, протекающих в клетках. Таким образом, доставка кислорода к тканям регулируется в соответствии с интенсивностью окислительных процессов.