Échanges gazeux dans la physiologie des poumons et des tissus. Comment se déroulent les échanges gazeux dans les poumons ?

La respiration est essentielle et vitale processus important pour tout organisme vivant. Pour saturer les organes et les tissus en oxygène, il faut composition optimale l'air et travail correct corps humain. Dans ce cas corps sain se sent joyeux et actif, sans signes pathologiques hypoxie.

Respiration physiologique

Les processus d'échange gazeux dans les poumons et les tissus constituent une chaîne complexe réactions biochimiques et les connexions. L'air pénètre par les voies respiratoires supérieures jusqu'à ses parties inférieures. Arbre bronchique conduit le mélange gazeux jusqu'à ses points finaux - les alvéoles. Les alvéoles sont constituées d'alvéolocytes tapissés à l'intérieur d'un tensioactif et recouverts à l'extérieur d'une couche basale.

La surface entière des poumons semble être enveloppée dans un réseau de capillaires étroitement ajustés, à travers paroi vasculaire qui pénètre comme ça nécessaire au corps oxygène. La limite entre la paroi alvéolaire et la paroi capillaire est très petite - 1 micron, ce qui garantit un processus complet où se produit l'échange gazeux.

L'acte d'inhalation s'effectue par contraction musculaire poitrine, y compris les diaphragmes - gros muscle, situé à la frontière du thoracique et cavité abdominale. Lorsqu'il se contracte, le mélange d'air est pompé en raison de la différence de pression atmosphérique et intrathoracique. L'expiration, au contraire, se fait passivement, grâce à l'élasticité des poumons. L'exception est active activité physique, lorsqu'une personne renforce le travail des muscles lisses et squelettiques, en les contractant de force.

Centre de contrôle

Le processus d'échange gazeux dans les poumons se produit par la régulation du système central système nerveux. Dans la partie souche du cerveau, située à la frontière avec la moelle épinière, se trouvent des conglomérats cellules nerveuses– ils contribuent à la phase d’inspiration et de sortie, en donnant des impulsions particulières.

Cette section est appelée le centre respiratoire. Sa particularité réside dans son autonomie : les impulsions sont générées automatiquement, ce qui explique la respiration d'une personne pendant son sommeil. Lors de la mise à niveau dioxyde de carbone dans le sang centre respiratoire favorise l'inhalation, où, lorsque les poumons s'étirent, échange actif gaz entre le sang et les cellules des alvéoles.

Il existe des amas de cellules nerveuses dans le cortex cérébral, l'hypothalamus, le pont, moelle épinière responsable de réglementation volontaire respiration. Cependant, ils sont connectés en permanence fibres nerveuses le centre respiratoire principal du tronc, s'il est endommagé, la respiration s'arrête.

Mécanisme

Les alvéolocytes et la paroi vasculaire servent de pont où se produisent les échanges gazeux. L'oxygène se précipite vers le réseau capillaire, et le dioxyde de carbone vers les alvéoles, cela s'explique par la différence de pression entre l'air et le sang. Le modèle de diffusion des gaz obéit aux lois de la physique.

L’oxygène entrant se fixe à la protéine des globules rouges – l’hémoglobine. Ce composé est appelé oxyhémoglobine et le sang qui en est saturé est artériel. Elle est poussée dans oreillette gauche et le ventricule, d'où l'aorte et ses branches le délivrent aux organes.

Les composés oxydés sont ensuite collectés dans des shunts veineux et par la veine cave, oreillette droite et le ventricule sont délivrés à système respiratoire. Ce processus devrait favoriser les échanges gazeux dans les tissus, la saturation et la recapture des produits métaboliques se produisent.

L'échange gazeux dans les tissus est un processus ultra-rapide, réalisé en 0,1 s. Le corps est conçu de telle manière qu'en si peu de temps, il est capable d'accomplir les tâches les plus importantes. fonction vitale corps. Lorsque la tension en oxygène dans les tissus diminue, une pathologie appelée hypoxie se développe. Cela peut être le signe d'une violation :

• Capacité de ventilation du tissu pulmonaire.
• Insuffisance circulatoire.
• Pas travail complet système enzymatique.

Fonctions voies respiratoires ont de multiples facettes et incluent non seulement la régulation des gaz du sang, mais aussi la réponse immunitaire, sont responsables de système tampon et statut acido-basique, excrétion substances toxiques, propriétés rhéologiques sang.

Échanges gazeux dans les poumons et les tissus

Nous respirons de l'air atmosphérique. Il contient environ 21 % d'oxygène, 0,03 % de dioxyde de carbone, près de 79 % d'azote et de la vapeur d'eau. La composition de l’air que nous expirons diffère de celle de l’air atmosphérique. Il contient déjà 16 % d’oxygène, environ 4 % de dioxyde de carbone et plus de vapeur d’eau. La quantité d'azote ne change pas.

Échange gazeux dans les poumons- c'est l'échange de gaz entre l'air alvéolaire et le sang des capillaires pulmonaires par diffusion. Dans les poumons, le sang est débarrassé du dioxyde de carbone et saturé d’oxygène.

Par les artères de la circulation pulmonaire, les poumons reçoivent sang veineux. L'air qu'une personne inhale contient beaucoup plus d'oxygène que sang veineux. Par conséquent, il diffusion passe librement à travers les parois des alvéoles et des capillaires dans le sang. Ici, l'oxygène se combine avec hémoglobine- pigment rouge des érythrocytes. Le sang se sature en oxygène et devient artériel. Dans le même temps, le dioxyde de carbone pénètre dans les alvéoles. Grâce à respiration pulmonaire le rapport entre l'oxygène et le dioxyde de carbone dans l'air des alvéoles est maintenu à un niveau constant et les échanges gazeux entre le sang et air alvéolaire se poursuit continuellement, que nous inspirions de l'air à ce moment-là ou que nous retenions notre souffle pendant un moment.

Les échanges gazeux dans les poumons se produisent en raison de l'existence d'une différence pression partielle gaz respiratoires. La pression partielle (c'est-à-dire partielle) est la partie pression totale, qui représente la part de chaque gaz dans le mélange gazeux. Cette pression est mesurée en mmHg. Art. La pression partielle dépend du pourcentage de gaz dans le mélange gazeux : plus pourcentage, plus la pression partielle est élevée.

La pression partielle peut être calculée à l'aide de la formule de Dalton : p = (P x a)/100, où p est la pression partielle d'un gaz donné, P est la pression totale du mélange gazeux en mm Hg. Art., a est le pourcentage de gaz dans le mélange gazeux. Par exemple, la pression partielle de l'oxygène dans l'air inspiré est : (760 x 20,94)/100 = 159 mmHg. Art. La pression partielle du dioxyde de carbone dans l'air inspiré est de 0,2 mmHg. Art. Dans les alvéoles pulmonaires, la pression partielle d'oxygène est de 106 mmHg. Art., et dioxyde de carbone - 40 mm Hg. Art. Par conséquent, l’oxygène et le dioxyde de carbone se déplacent de la zone plus de pression vers une zone de pression plus faible.

Échange gazeux dans les tissus- il s'agit de l'échange de gaz entre le sang artériel entrant, le liquide intercellulaire, les cellules et le sang veineux sortant. Le mécanisme de cet échange est le même que dans les poumons. Il s'agit de diffusion associée à la différence de pression partielle des gaz dans le sang, le liquide intercellulaire et les cellules du corps. Dans les tissus, le sang dégage de l'oxygène et est saturé de dioxyde de carbone.

Sang artériel par navires grand cercle la circulation sanguine est envoyée vers les organes du corps. Teneur en oxygène dans sang artériel plus que dans les cellules des tissus. Ainsi, l'oxygène grâce à diffusion passe librement à travers les fines parois des capillaires jusque dans les cellules. L'oxygène est utilisé pour l'oxydation biologique et l'oxygène libéré l'énergie va sur les processus vitaux de la cellule. Cela produit du dioxyde de carbone, qui pénètre dans le sang à partir des cellules des tissus. Le sang artériel se transforme en veineux. Il retourne aux poumons et redevient là encore artériel.

On sait que les gaz sont peu solubles dans eau chaude, encore pire dans l'eau chaude et salée. Comment expliquer que l’oxygène pénètre dans le sang, alors que le sang est un liquide chaud et salé ? La réponse à cette question réside dans les propriétés hémoglobine les globules rouges, qui transportent l'oxygène des organes respiratoires vers les tissus, et d'eux - le dioxyde de carbone vers organes respiratoires. Sa molécule interagit chimiquement avec l'oxygène : elle capte 8 atomes d'oxygène et les délivre aux tissus.

Capacité vitale des poumons

Capacité vitale des poumons- Ce le plus grand nombre air qui peut être expiré après une inspiration maximale. Cette capacité est égale à la somme volume courant, réserve de volume d’inspiration et d’expiration. Cet indicateur varie de 3 500 à 4 700 ml. Pour déterminer les différents volumes et capacités des poumons, des appareils spéciaux sont utilisés : spiromètres , spirographes etc.

Si vous demandez à une personne de faire le maximum respiration profonde, puis expirez tout l'air, le volume d'air expiré sera alors capacité vitale(VÉL). Il est clair que même après cette expiration, il restera encore un peu d'air dans les poumons - air résiduel- égal à environ 1000-1200 cm 3.

La capacité vitale des poumons dépend de l’âge, du sexe, de la taille et enfin du degré d’entraînement d’une personne. Afin de calculer quelle devrait être la capacité vitale de l’air, vous pouvez utiliser les formules suivantes :

VC (l) hommes = 2,5 x taille (m) ; VC (l) femmes = 1,9 x taille (m).

La capacité vitale est la capacité vitale des poumons (en litres), la taille doit être exprimée en mètres et 2,5 et 1,9 sont des coefficients trouvés expérimentalement. Si la capacité vitale réelle des poumons s’avère égale ou supérieure aux valeurs calculées, les résultats doivent être considérés comme bons ; si elle est inférieure, les résultats doivent être considérés comme mauvais ; La capacité vitale des poumons est mesurée appareil spécial- un spiromètre.

Quels sont les avantages des personnes à capacité vitale élevée ? Pour les graves travail physique, par exemple lors de la course, la ventilation des poumons est assurée par grande profondeur respiration. Une personne dont la capacité vitale pulmonaire est faible et dont les muscles respiratoires sont également faibles doit respirer fréquemment et superficiellement. Cela conduit au fait que air frais reste dans voies respiratoires et seule une petite partie atteint les poumons. En conséquence, les tissus reçoivent une quantité insignifiante d’oxygène et la personne ne peut pas continuer à travailler.

Au système gymnastique pour améliorer la santé doit être inclus exercices de respiration. Beaucoup d'entre eux visent à ventiler la partie supérieure des poumons, qui, en règle générale, est mal ventilée chez la plupart des gens. Si vous levez les bras, vous penchez en arrière et inspirez, les muscles reculent. partie supérieure la poitrine vers le haut et le dessus des poumons est ventilé. Aide à respirer correctement muscles développés abdominaux. Cela signifie qu'en développant les muscles respiratoires, nous pouvons augmenter le volume cavité thoracique, et donc la capacité vitale.

En inspirant et en expirant alternativement, une personne ventile les poumons, maintenant une pression d'air relativement constante dans les alvéoles. composition du gaz. Une personne respire l'air atmosphérique de contenu élevé oxygène (20,9%) et faible contenu dioxyde de carbone (0,03 %) et expire de l'air dans lequel la quantité d'oxygène diminue et le dioxyde de carbone augmente. Considérons le processus d'échange gazeux dans les poumons et les tissus humains.

La composition de l’air alvéolaire diffère de celle de l’air inhalé et expiré. Cela s'explique par le fait que lorsque vous inspirez, l'air des voies respiratoires pénètre dans les alvéoles (c'est-à-dire expiré), et lorsque vous expirez, au contraire, il se mélange à l'expiration (alvéolaire). air atmosphérique, situés dans les mêmes voies respiratoires (volume d'espace mort).

Dans les poumons, l'oxygène de l'air alvéolaire passe dans le sang et le dioxyde de carbone du sang pénètre dans les poumons par diffusion à travers les parois des alvéoles et capillaires sanguins. Leur épaisseur totale est d'environ 0,4 micron. La direction et la vitesse de diffusion sont déterminées par la pression partielle du gaz, ou sa tension.

Pression partielle et tension sont essentiellement synonymes, mais on parle de pression partielle si un gaz donné est dans un milieu gazeux, et de tension s'il est dissous dans un liquide. La pression partielle d'un gaz est la partie de la pression totale du mélange gazeux qui tombe sur un gaz donné.

La différence entre la tension des gaz dans le sang veineux et leur pression partielle dans l'air alvéolaire est d'environ 70 mm Hg pour l'oxygène. Art., et pour le dioxyde de carbone - 7 mm Hg. Art.

Il a été établi expérimentalement qu'avec une différence de tension d'oxygène de 1 mm Hg. Art. chez un adulte au repos, 25 à 60 cm 3 d'oxygène par minute peuvent pénétrer dans le sang. Une personne au repos a besoin d'environ 25 à 30 cm 3 d'oxygène par minute. Par conséquent, la différence dans les mouvements de l'oxygène est de 70 mm Hg. Art. suffisant pour fournir de l'oxygène au corps conditions différentes ses activités : lors de travaux physiques, d'exercices sportifs, etc.

Le taux de diffusion du dioxyde de carbone du sang est 25 fois supérieur à celui de l'oxygène, donc en raison de la différence de 7 mm Hg. Art. le dioxyde de carbone a le temps de s'échapper du sang.

Transporte l'oxygène des poumons vers les tissus et le dioxyde de carbone des tissus vers les poumons - le sang. Dans le sang, comme dans tout liquide, les gaz peuvent être dans deux états : physiquement dissous et chimiquement liés. L'oxygène et le dioxyde de carbone se dissolvent en très petites quantités dans le plasma sanguin. Les principales quantités d'oxygène et de dioxyde de carbone sont transférées chimiquement forme reliée. Le principal transporteur d'oxygène est l'hémoglobine sanguine, dont chaque gramme lie 1,34 cm 3 d'oxygène.

Le dioxyde de carbone est transporté dans le sang principalement sous forme de composés chimiques - bicarbonates de sodium et de potassium, mais une partie est également transportée sous forme liée à l'hémoglobine.

Le sang enrichi en oxygène dans les poumons est transporté dans un grand cercle vers tous les tissus du corps, où la diffusion dans les tissus se produit en raison de la différence de tension dans le sang et les tissus. L'oxygène est utilisé dans les cellules des tissus processus biochimiques respiration tissulaire (cellulaire) - processus d'oxydation des glucides et des graisses.

La quantité d’oxygène consommée et de dioxyde de carbone libéré varie au sein d’une même personne. Cela dépend non seulement de l'état de santé, mais aussi de activité physique, nutrition, âge, sexe, température ambiante, poids et surface corporelle, etc.

Par exemple, par temps froid, les échanges gazeux augmentent, ce qui maintient une température corporelle constante. L'état des échanges gazeux est utilisé pour juger de la santé humaine. Conçu à cet effet méthodes spécialesétudes basées sur l'analyse de la composition de l'air inhalé et expiré collecté.

Le sang qui circule vers les poumons depuis le cœur (veineux) contient peu d'oxygène et beaucoup de dioxyde de carbone ; l'air des alvéoles, au contraire, contient beaucoup d'oxygène et moins de dioxyde de carbone. En conséquence, une diffusion bidirectionnelle se produit à travers les parois des alvéoles et des capillaires. l'oxygène passe dans le sang et le dioxyde de carbone passe du sang aux alvéoles. Dans le sang, l’oxygène pénètre dans les globules rouges et se combine à l’hémoglobine. Le sang oxygéné devient artériel et circule dans les veines pulmonaires jusqu'à l'oreillette gauche.

Chez l’humain, l’échange gazeux s’effectue en quelques secondes tandis que le sang traverse les alvéoles des poumons. Ceci est possible grâce à l'immense surface des poumons, communiquant avec environnement externe. La surface totale des alvéoles est supérieure à 90 m3.

L'échange de gaz dans les tissus se produit dans les capillaires. À travers leurs parois minces, l'oxygène circule du sang vers le liquide tissulaire puis dans les cellules, et le dioxyde de carbone passe des tissus vers le sang. La concentration d’oxygène dans le sang est plus élevée que dans les cellules, elle s’y diffuse donc facilement.

La concentration de dioxyde de carbone dans les tissus où il s'accumule est plus élevée que dans le sang. Il passe donc dans le sang, où il se lie composés chimiques Le plasma et en partie avec l'hémoglobine, est transporté par le sang vers les poumons et rejeté dans l'atmosphère.

Dans les tissus, le sang dégage de l’oxygène et absorbe du dioxyde de carbone. Échange gazeux dans les capillaires tissulaires le grand cercle, ainsi que dans les capillaires pulmonaires, est dû à la diffusion due à la différence des tensions partielles des gaz dans le sang et les tissus.

La tension du dioxyde de carbone dans les cellules peut atteindre 60 mmHg, dans le liquide tissulaire, elle est très variable et atteint en moyenne 46 mmHg, et dans le sang artériel circulant vers les tissus, elle est de 40 mmHg. Art. En diffusant dans une direction de tension plus basse, le dioxyde de carbone passe des cellules dans le liquide tissulaire puis dans le sang, le rendant veineux. La tension du dioxyde de carbone dans le sang lors de son passage dans les capillaires devient égale à la tension du dioxyde de carbone dans le liquide tissulaire.

Les cellules consomment de l'oxygène de manière très énergétique, sa tension partielle dans le protoplasme des cellules est donc très faible et lorsque leur activité augmente, elle peut être égale à zéro. Dans le liquide tissulaire, la tension en oxygène oscille entre 20 et 40 mm. En conséquence, l'oxygène circule continuellement du sang artériel amené aux capillaires de la circulation systémique (ici la tension d'oxygène est de 100 mm Hg) dans le liquide tissulaire. En conséquence, dans le sang veineux circulant des tissus, la tension en oxygène est nettement inférieure à celle du sang artériel, s'élevant à 40 mm.

Le sang, passant par les capillaires d'un grand cercle, ne cède pas tout son oxygène. Le sang artériel contient environ 20 vol.% d'oxygène, tandis que le sang veineux en contient environ 12 vol. % d'oxygène. Ainsi, sur 20 vol. % d'oxygène dans les tissus reçoit 8 vol. %, soit 40 % de l’oxygène total contenu dans le sang.

La quantité d'oxygène en pourcentage du contenu total du sang artériel reçu par les tissus est appelée coefficient d'utilisation de l'oxygène. Il est calculé en déterminant la différence de teneur en oxygène dans le sang artériel et veineux. Cette différence est divisée par la teneur en oxygène du sang artériel et multipliée par 100.

Le taux d'utilisation de l'oxygène varie en fonction d'un certain nombre de conditions physiologiques. Au repos, le corps est à 30-40%. Lors d'un travail musculaire intense, la teneur en oxygène du sang veineux circulant des muscles diminue jusqu'à 8-10 vol. % et, par conséquent, l'utilisation de l'oxygène augmente jusqu'à 50-60 %.

Une transition plus rapide de l'oxygène vers les tissus est assurée par l'ouverture de capillaires non fonctionnels dans les tissus en activité. L'augmentation du taux d'utilisation est également facilitée par la formation accrue d'acides lactique et carbonique, ce qui réduit l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène et assure une diffusion plus rapide de l'oxygène du sang. Enfin, une augmentation de l'utilisation de l'oxygène est facilitée par une augmentation de la température des muscles qui travaillent et une augmentation des processus enzymatiques et énergétiques se produisant dans les cellules. Ainsi, l'apport d'oxygène aux tissus est régulé en fonction de l'intensité des processus oxydatifs.