Газообмен в белите дробове и физиология на тъканите. Как протича обмяната на газ в белите дробове?

Дишането е важно и жизненоважно важен процесза всеки жив организъм. За насищане на органи и тъкани с кислород е необходимо оптимален съставвъздух и правилна работачовешкото тяло. В такъв случай здраво тялочувства се бодър и активен, без патологични признацихипоксия.

Физиологично дишане

Газообменните процеси в белите дробове и тъканите са сложна верига биохимични реакциии връзки. Въздухът навлиза през горните дихателни пътища в долните им части. Бронхиално дървопровежда газовата смес до крайните й точки – алвеолите. Алвеолите се състоят от алвеолоцити, които са облицовани отвътре със сърфактант и покрити отвън с основен слой.

Цялата повърхност на белите дробове изглежда е обвита в мрежа от плътно прилепнали капиляри, през съдова стенакоято прониква така необходими за тялотокислород. Границата между стената на алвеолата и стената на капиляра е много малка - 1 микрон, което осигурява цялостен процес, при който протича газообмен.

Актът на вдишване се извършва чрез мускулна контракция гърдите, включително диафрагми - голям мускул, разположен на границата на гръдната и коремна кухина. Когато се свива, въздушната смес се изпомпва поради разликата в атмосферното и интраторакалното налягане. Издишването, напротив, се извършва пасивно, благодарение на еластичността на белите дробове. Изключението е активно физическа активност, когато човек засилва работата на гладките и скелетните мускули, принудително ги свива.

Център за управление

Процесът на газообмен в белите дробове се осъществява чрез регулиране на централната нервна система. В стволовата част на мозъка, която се намира на границата с гръбначния мозък, има конгломерати нервни клетки– допринасят за фазата на вдишване и изход, давайки специални импулси.

Тази част се нарича дихателен център. Неговата особеност се състои в неговата автономност - импулсите се генерират автоматично, което обяснява дишането на човек по време на сън. При изравняване въглероден диоксидв кръвта дихателен центърнасърчава вдишването, където, докато белите дробове се разтягат, активен обменгазове между кръвта и клетките на алвеолите.

Има клъстери от нервни клетки в мозъчната кора, хипоталамуса, моста, гръбначен мозъкотговорен за доброволно регулиранедишане. Те обаче са непрекъснато свързани нервни влакнаглавният дихателен център в багажника, ако е повреден, дишането спира.

Механизъм

Алвеолоцитите и съдовата стена служат като мост, където се извършва обмен на газ. Кислородът се втурва към капилярната мрежа, а въглеродният диоксид към алвеолите - това се обяснява с разликата в налягането между въздуха и кръвта. Моделът на дифузия на газа се подчинява на законите на физиката.

Входящият кислород се свързва с протеина на червените кръвни клетки - хемоглобина. Това съединение се нарича оксихемоглобин, а наситената с него кръв е артериална. Тя е натикана ляво предсърдиеи вентрикула, откъдето аортата и нейните разклонения го доставят до органите.

След това окислените съединения се събират във венозни шънтове и през празната вена, дясно предсърдиеи вентрикула се доставят до дихателна система. Този процес трябва да стимулира обмена на газ в тъканите, настъпва насищане и обратно поемане на метаболитни продукти.

Газообменът в тъканите е светкавичен процес, завършващ за 0,1 s. Тялото е проектирано по такъв начин, че за толкова кратко време е в състояние да изпълни най-важното жизненоважна функциятяло. Когато напрежението на кислорода в тъканите намалява, се развива патология, наречена хипоксия. Може да е признак за нарушение:

• Вентилационен капацитет на белодробната тъкан.
• Циркулаторна недостатъчност.
• не пълна работаензимна система.

Функции респираторен трактса многостранни и включват не само регулирането на кръвните газове, но и имунния отговор, за които са отговорни буферна системаи киселинно-алкален статус, екскреция токсични вещества, реологични свойствакръв.

Газообмен в белите дробове и тъканите

Ние дишаме атмосферен въздух. Съдържа приблизително 21% кислород, 0,03% въглероден диоксид, почти 79% азот и водна пара. Въздухът, който издишваме, се различава по състав от атмосферния въздух. Той вече съдържа 16% кислород, около 4% въглероден диоксид и има повече водна пара. Количеството на азота не се променя.

Газообмен в белите дробове- това е обмен на газове между алвеоларния въздух и кръвта на белодробните капиляри чрез дифузия. В белите дробове кръвта се освобождава от въглероден диоксид и се насища с кислород.

Чрез артериите на белодробното кръвообращение белите дробове получават венозна кръв. Въздухът, който човек вдишва, съдържа много повече кислород от венозна кръв. Следователно, в резултат на това той дифузия преминава свободно през стените на алвеолите и капилярите в кръвта. Тук кислородът се свързва с хемоглобин- червен пигмент на еритроцитите. Кръвта се насища с кислород и става артериална. В същото време въглеродният диоксид навлиза в алвеолите. Благодарение на белодробно дишанесъотношението на кислород и въглероден диоксид във въздуха на алвеолите се поддържа на постоянно ниво и обменът на газ между кръвта и алвеоларен въздухпродължава непрекъснато, независимо дали вдишваме въздух в момента или задържаме дъха си за известно време.

Обменът на газ в белите дробове се дължи на съществуването на разлика парциално налягане респираторни газове. Частично (т.е. частично) налягане е частта общо налягане, което отчита дела на всеки газ в газовата смес. Това налягане се измерва в mmHg. Чл. Парциалното налягане зависи от процента газ в газовата смес: толкова по-високо процент, толкова по-високо е парциалното налягане.

Парциалното налягане може да се изчисли с помощта на формулата на Далтон: p = (P x a)/100, където p е парциалното налягане на даден газ, P е общото налягане на газовата смес в mm Hg. Art., a е процентното съдържание на газ в газовата смес. Например, парциалното налягане на кислорода във вдишания въздух е: (760 x 20,94)/100 = 159 mmHg. Чл. Парциалното налягане на въглеродния диоксид във вдишания въздух е 0,2 mmHg. Чл. В белодробните алвеоли парциалното налягане на кислорода е 106 mmHg. Чл., И въглероден диоксид - 40 mm Hg. Чл. Следователно кислородът и въглеродният диоксид се преместват от района повече натисккъм зона с по-ниско налягане.

Газообмен в тъканите- това е обмен на газове между входящата артериална кръв, междуклетъчната течност, клетките и изтичащата венозна кръв. Механизмът на този обмен е същият като в белите дробове. Това е дифузия, свързана с разликата в парциалното налягане на газовете в кръвта, междуклетъчната течност и телесните клетки. В тъканите кръвта отделя кислород и се насища с въглероден диоксид.

Артериална кръвпо съдове голям кръгкръвообращението се изпраща към органите на тялото. Съдържание на кислород в артериална кръвповече отколкото в тъканните клетки. Следователно, кислород благодарение на дифузияпреминава свободно през тънките стени на капилярите в клетките. Кислородът се използва за биологично окисление, а освободеният енергията отивавърху жизнените процеси на клетката. Това произвежда въглероден диоксид, който навлиза в кръвта от тъканните клетки. Артериалната кръв се превръща в венозен. Тя се връща в белите дробове и тук отново става артериална.

Известно е, че газовете са слабо разтворими в топла вода, още по-зле в топла и солена вода. Как можем да обясним, че кислородът прониква в кръвта, въпреки че кръвта е топла и солена течност? Отговорът на този въпрос се крие в свойствата хемоглобинчервени кръвни клетки, които пренасят кислород от дихателните органи до тъканите, а от тях - въглероден диоксид до дихателни органи. Неговата молекула взаимодейства химически с кислорода: улавя 8 кислородни атома и ги доставя на тъканите.

Жизнен капацитет на белите дробове

Жизнен капацитет на белите дробове- Това най-голямото числовъздух, който може да се издиша след максимално вдишване. Този капацитет е равен на сумата дихателен обем, резервен обем на вдишване и издишване. Този показателварира от 3500 до 4700 мл. За определяне на различни обеми и капацитети на белите дробове се използват специални устройства: спирометри , спирографии т.н.

Ако поискате от човек да направи най-много дълбоко дъх, и след това издишайте целия въздух, тогава издишаният обем въздух ще бъде жизнен капацитет(VEL). Ясно е, че дори след това издишване в белите дробове ще остане малко въздух - остатъчен въздух- равно на приблизително 1000-1200 cm 3.

Жизненият капацитет на белите дробове зависи от възрастта, пола, височината и накрая от степента на обучение на човека. За да изчислите какъв трябва да бъде жизненият въздушен капацитет, можете да използвате следните формули:

VC (l) мъже = 2,5 x височина (m); VC (l) жени = 1,9 x височина (m).

Жизненият капацитет е жизненият капацитет на белите дробове (в литри), височината трябва да се изрази в метри, а 2,5 и 1,9 са коефициенти, установени експериментално. Ако действителният жизнен капацитет на белите дробове се окаже равен или по-голям от изчислените стойности, резултатите трябва да се считат за добри; ако е по-малък, резултатите трябва да се считат за лоши. Измерва се жизненият капацитет на белите дробове специално устройство- спирометър.

Какви са предимствата на хората с висок жизнен капацитет? За тежки физическа работа, например при бягане вентилацията на белите дробове се постига чрез голяма дълбочинадишане. Човек, чийто жизнен капацитет е малък и чиито дихателни мускули са слаби, трябва да диша често и повърхностно. Това води до факта, че чист въздухостава вътре дихателни пътищаи само малка част от него достига до белите дробове. В резултат на това тъканите получават незначително количество кислород и човек не може да продължи да работи.

Към системата оздравителна гимнастикатрябва да бъдат включени дихателни упражнения. Много от тях са насочени към вентилация на върховете на белите дробове, които по правило са лошо вентилирани при повечето хора. Ако вдигнете ръцете си нагоре, огънете се назад и вдишайте, мускулите се отдръпват горна частгърдите нагоре и върховете на белите дробове се вентилират. Помага за правилното дишане развити мускули коремни. Това означава, че развивайки дихателната мускулатура, можем да увеличим обема гръдна кухина, и следователно жизнения капацитет.

Чрез последователно вдишване и издишване човек вентилира белите дробове, поддържайки относително постоянно въздушно налягане в алвеолите. газов състав. Човек диша атмосферен въздух от високо съдържаниекислород (20,9%) и ниско съдържаниевъглероден диоксид (0,03%) и издишва въздух, в който количеството на кислород намалява, а въглеродният диоксид се увеличава. Нека разгледаме процеса на обмен на газ в белите дробове и човешките тъкани.

Съставът на алвеоларния въздух се различава от този на вдишания и издишвания въздух. Това се обяснява с факта, че при вдишване въздухът от дихателните пътища (т.е. издишаният) навлиза в алвеолите, а при издишване, напротив, той се смесва с издишания (алвеоларен) атмосферен въздух, разположени в същите дихателни пътища (обем на мъртвото пространство).

В белите дробове кислородът от алвеоларния въздух преминава в кръвта, а въглеродният диоксид от кръвта навлиза в белите дробове чрез дифузия през стените на алвеолите и кръвоносни капиляри. Общата им дебелина е около 0,4 микрона. Посоката и скоростта на дифузия се определят от парциалното налягане на газа или неговото напрежение.

Парциалното налягане и напрежението са по същество синоними, но ние говорим за парциално налягане, ако даден газ е в газообразна среда, и за напрежение, ако е разтворен в течност. Парциалното налягане на газ е тази част от общото налягане на газовата смес, която пада върху даден газ.

Разликата между напрежението на газовете във венозната кръв и парциалното им налягане в алвеоларния въздух е около 70 mm Hg за кислорода. чл., а за въглероден диоксид - 7 mm Hg. Чл.

Експериментално е установено, че при разлика в напрежението на кислорода от 1 mm Hg. Чл. при възрастен в покой в ​​кръвта може да влезе 25-60 cm 3 кислород на минута. Човек в покой се нуждае от приблизително 25-30 cm 3 кислород на минута. Следователно разликата в движенията на кислорода е 70 mm Hg. Чл. достатъчно, за да осигури на тялото кислород различни условиянеговите дейности: по време на физическа работа, спортни упражнения и др.

Скоростта на дифузия на въглеродния диоксид от кръвта е 25 пъти по-голяма от тази на кислорода, следователно поради разликата от 7 mm Hg. Чл. въглеродният диоксид има време да излезе от кръвта.

Пренася кислорода от белите дробове до тъканите и въглеродния диоксид от тъканите до белите дробове - кръвта. В кръвта, както във всяка течност, газовете могат да бъдат в две състояния: физически разтворени и химически свързани. И кислородът, и въглеродният диоксид се разтварят в много малки количества в кръвната плазма. Основните количества кислород и въглероден диоксид се пренасят по химичен път подвързана форма. Основният носител на кислород е кръвният хемоглобин, всеки грам от който свързва 1,34 cm 3 кислород.

Въглеродният диоксид се транспортира в кръвта главно под формата на химични съединения - натриев и калиев бикарбонат, но част от него се транспортира и в състояние, свързано с хемоглобина.

Кръвта, обогатена с кислород в белите дробове, се пренася в голям кръг до всички тъкани на тялото, където се получава дифузия в тъканта поради разликата в нейното напрежение в кръвта и тъканите. Кислородът се използва в тъканните клетки биохимични процеситъканно (клетъчно) дишане - процеси на окисление на въглехидрати и мазнини.

Количеството консумиран кислород и отделеният въглероден диоксид варира в рамките на едно и също лице. Това зависи не само от здравословното състояние, но и от физическа активност, хранене, възраст, пол, температура на околната среда, тегло и телесна повърхност и др.

Например, в студа, обменът на газ се увеличава, което поддържа постоянна телесна температура. Състоянието на газообмена се използва за оценка на човешкото здраве. Предназначен за тази цел специални методиизследвания, базирани на анализ на състава на вдишания и събрания издишан въздух.

Кръвта, която тече към белите дробове от сърцето (венозна), съдържа малко кислород и много въглероден диоксид; въздухът в алвеолите, напротив, съдържа много кислород и по-малко въглероден диоксид. В резултат на това се осъществява двупосочна дифузия през стените на алвеолите и капилярите. кислородът преминава в кръвта, а въглеродният диоксид се движи от кръвта в алвеолите. В кръвта кислородът навлиза в червените кръвни клетки и се свързва с хемоглобина. Наситената с кислород кръв става артериална и тече през белодробните вени в лявото предсърдие.

При хората обменът на газове завършва за няколко секунди, докато кръвта преминава през алвеолите на белите дробове. Това е възможно благодарение на огромната повърхност на белите дробове, комуникиращи с външна среда. Общата повърхност на алвеолите е над 90 m3.

Обменът на газове в тъканите се извършва в капилярите. През тънките им стени кислородът преминава от кръвта в тъканната течност и след това в клетките, а въглеродният диоксид преминава от тъканите в кръвта. Концентрацията на кислород в кръвта е по-голяма, отколкото в клетките, така че той лесно дифундира в тях.

Концентрацията на въглероден диоксид в тъканите, където се натрупва, е по-висока, отколкото в кръвта. Следователно той преминава в кръвта, където се свързва химични съединенияплазма и отчасти с хемоглобин, се транспортира от кръвта до белите дробове и се освобождава в атмосферата.

В тъканите кръвта отделя кислород и абсорбира въглероден диоксид. Газообмен в тъканните капиляриголемия кръг, както и в белодробните капиляри, се дължи на дифузия поради разликата в парциалните напрежения на газовете в кръвта и в тъканите.

Напрежението на въглеродния диоксид в клетките може да достигне 60 mmHg, в тъканната течност е много променливо и е средно 46 mmHg, а в артериалната кръв, която тече към тъканите, е 40 mmHg. Чл. Дифундирайки в посока на по-ниско напрежение, въглеродният диоксид преминава от клетките в тъканната течност и след това в кръвта, правейки я венозна. Напрежението на въглеродния диоксид в кръвта, докато преминава през капилярите, става равно на напрежението на въглеродния диоксид в тъканната течност.

Клетките консумират кислород много енергично, така че частичното му напрежение в протоплазмата на клетките е много ниско, а когато тяхната активност се увеличи, то може да бъде равно на нула. В тъканната течност напрежението на кислорода варира между 20 и 40 mm. В резултат на това кислородът непрекъснато тече от артериалната кръв, доведена до капилярите на системното кръвообращение (тук напрежението на кислорода е 100 mm Hg) в тъканната течност. В резултат на това във венозната кръв, изтичаща от тъканите, напрежението на кислорода е значително по-ниско, отколкото в артериалната кръв, възлизащо на 40 mm.

Кръвта, преминавайки през капилярите на голям кръг, не се отказва от целия си кислород. Артериалната кръв съдържа около 20 об.% кислород, докато венозната кръв съдържа приблизително 12 об.%. % кислород. Така от 20 об. % тъканен кислород получава 8 об. %, т.е. 40% от общия кислород, съдържащ се в кръвта.

Количеството кислород като процент от общото съдържание в артериалната кръв, което тъканите получават, се нарича коефициент на използване на кислорода. Изчислява се чрез определяне на разликата в съдържанието на кислород в артериалната и венозната кръв. Тази разлика се разделя на съдържанието на кислород в артериалната кръв и се умножава по 100.

Степента на използване на кислорода варира в зависимост от редица физиологични състояния. В покой тялото е 30-40%. При тежка мускулна работа съдържанието на кислород във венозната кръв, изтичаща от мускулите, намалява до 8-10 об. % и следователно използването на кислород се увеличава до 50-60%.

По-бързият преход на кислород в тъканта се осигурява чрез отваряне на нефункциониращи капиляри в работната тъкан. Увеличаването на степента на използване се улеснява и от повишеното образуване на киселини - млечна и въглеродна, което намалява афинитета на хемоглобина към кислорода и осигурява по-бърза дифузия на кислорода от кръвта. И накрая, увеличаването на използването на кислород се улеснява от повишаване на температурата на работещите мускули и увеличаване на ензимните и енергийни процеси, протичащи в клетките. По този начин доставката на кислород до тъканите се регулира в съответствие с интензивността на окислителните процеси.