Что такое газообмен в крови, в легких и тканях? Особенности газообмена. Что такое газообмен
Легкие – самый объемный внутренний орган нашего организма. Они чем-то очень похожи на дерево (этот отдел так и называется − бронхиальное дерево), увешанное пузырьками-плодиками (). Известно, что легкие содержат почти 700 млн. альвеол. И это функционально оправдано – именно они выполняют главную роль в воздухообмене. Стенки альвеол настолько эластичны, что могут растягиваться в несколько раз при вдохе. Если сравнить площадь поверхности альвеол и кожи, то открывается удивительный факт: несмотря на кажущуюся компактность, альвеолы в десятки раз превышают по площади кожные покровы.
Легкие – великие труженики нашего организма. Они находятся в постоянном движении, то сокращаясь, то растягиваясь. Это происходит днем и ночью против нашего желания. Однако, совсем автоматическим этот процесс назвать нельзя. Он скорее полуавтоматический. Мы ведь можем сознательно задержать дыхание или форсировать его. Дыхание – одна из самых необходимых функций организма. Нелишне будет напомнить, что воздух − это смесь газов: кислорода (21%), азота (около 78%), углекислого газа (около 0,03%). Кроме этого, в нем присутствуют инертные газы и водяные пары.
С уроков биологии многие наверняка помнят опыт с известковой водой. Если выдохнуть через трубочку в прозрачную известковую воду − она помутнеет. Это является неопровержимым доказательством, что в воздухе после выдоха углекислого газа содержится гораздо больше: около 4%. Количество кислорода при этом, наоборот, уменьшается и составляет 14%.
Что управляет легкими или механизм дыхания
Механизм газообмена в легких − весьма интересный процесс. Сами по себе легкие не растянутся и не сожмутся без работы мышц. В легочном дыхании участвуют межреберные мышцы и диафрагма (специальная плоская мышца на границе грудной и брюшной полостей). Когда сокращается диафрагма, в легких понижается давление, и воздух, естественно, устремляется в орган. Выдох происходит пассивно: эластичные легкие сами выталкивают воздух наружу. Хотя иногда мышцы могут сокращаться и при выдохе. Так происходит при активном дыхании.
Весь процесс находится под контролем головного мозга. В продолговатом мозге есть специальный центр регуляции дыхания. Реагирует он на наличие углекислого газа в крови. Как только его становится меньше, центр по нервным путям посылает сигнал диафрагме. Происходит процесс ее сокращения, и наступает вдох. При повреждении дыхательного центра больному вентилируют легкие искусственным путем.
Как в легких происходит обмен газов?
Главная задача легких не просто перегонять воздух, а осуществлять процесс газообмена. В легких меняется состав вдыхаемого воздуха. И здесь основная роль принадлежит кровеносной системе. Что же представляет собой кровеносная система нашего организма? Ее можно представить большой рекой с притоками из маленьких речушек, в которые впадают ручейки. Вот такими ручейками-капиллярами пронизаны все альвеолы.
Кислород, поступивший в альвеолы, проникает в стенки капилляров. Это происходит потому, что в крови и воздухе, содержащимся в альвеолах, давление разное. Венозная кровь имеет меньшее давление, чем воздух альвеол. Поэтому кислород из альвеол устремляется в капилляры. Давление же углекислого газа меньше в альвеолах, чем в крови. По этой причине из венозной крови углекислый газ направляется в просвет альвеол.
В крови имеются специальные клетки – эритроциты, содержащие белок гемоглобин. Кислород присоединяется к гемоглобину и путешествует в таком виде по организму. Кровь, обогащенная кислородом, называется артериальной.
Дальше кровь переносится к сердцу. Сердце − еще один наш неутомимый труженик − перегоняет кровь, обогащенную кислородом, к клеткам тканей. И далее по «реченькам-ручейкам» кровь вместе с кислородом доставляется ко всем клеткам организма. В клетках она отдает кислород, забирает углекислый газ – продукт жизнедеятельности. И начинается обратный процесс: тканевые капилляры – вены – сердце – легкие. В легких обогащенная углекислым газом кровь (венозная) поступает опять в альвеолы и вместе с остатками воздуха выталкивается наружу. Углекислый газ, также как и кислород, переносится с помощью гемоглобина.
Итак, в альвеолах происходит двойной газообмен. Весь этот процесс осуществляется молниеносно, благодаря большой площади поверхности альвеол.
Недыхательные функции легких
Значение легких определяется не только дыханием. К дополнительным функциям этого органа можно отнести:
- защита механическая: в альвеолы поступает стерильный воздух;
- защита иммунная: в крови содержатся антитела к различным патогенным факторам;
- очистительная: кровь выводит газообразные токсические вещества из организма;
- поддержка кислотно-щелочного равновесия крови;
- очищение крови от мелких тромбов.
Но какими бы ни казались они важными, все-таки основная работа легких – дыхание.
Инструкция
В легочном дыхании принимают участие межреберные мышцы и диафрагма - плоская мышца, находящаяся на границе брюшной и грудной полостей. При сокращении диафрагмы давление в легких понижается давление, и в результате в них устремляется воздух. Выдох делается пассивно: легкие самостоятельно выталкивают воздух наружу. Процесс дыхания контролируется частью головного мозга – продолговатым мозгом. В нем находится центр регуляции дыхания, который реагирует на присутствие в крови углекислого газа. Как только его уровень повышается, центр посылает сигнал диафрагме по нервным путям, она сокращается, и происходит вдох. При повреждениях дыхательного центра применяют искусственную вентиляцию легких.
Процесс газообмена осуществляется в альвеолах легких - микроскопических пузырьках, находящихся на концах бронхиол. Они состоят из сквамозных (дыхательных) альвеоцитов, больших альвеоцитов и хеморецепторов. Основная роль в данном случае принадлежит кровеносной системе. Поступивший в альвеолы легких кислород проникает в стенки капилляров. Подобный процесс происходит вследствие разницы в крови и в воздухе, находящемся в альвеолах. Кровь в венах имеет меньшее давление, поэтому из альвеол кислород устремляется в капилляры. Углекислый газ в альвеолах имеет меньшее давление, поэтому из венозной крови он поступает в просвет альвеол.
В крови находятся эритроциты, содержащие белок гемоглобин. К гемоглобину присоединяются молекулы кислорода. Обогащенная кислородом кровь называется артериальной, она переносится к сердцу. Сердце перегоняет ее к клеткам тканей. В клетках кровь отдает кислород, а взамен забирает углекислый газ, который также переносится с помощью гемоглобина. Затем происходит обратный процесс: кровь поступает из тканевых капилляров в вены, в сердце и в легкие. В легких венозная кровь с углекислым газом поступает в альвеолы, углекислый газ вместе с воздухом выталкивается наружу. Двойной газообмен происходит в альвеолах молниеносно.
Жизненная емкость легких включает в себя дыхательный объем, а также резервные объемы вдоха и выдоха. Дыхательный объем – это количество воздуха, поступающее в легкие при 1-ом вдохе. Если после спокойного вдоха сделать усиленный вдох, в легкие поступит дополнительное количество воздуха, которое называется резервом объема вдоха. После спокойного выдоха можно выдохнуть еще некоторое количество воздуха (резервный объем выдоха). В целом, жизненная емкость легких составляет наибольшее количество воздуха, которое человек способен выдохнуть после глубокого вдоха.
Газообмен
Для обеспечения жизнедеятельности между организмом и окружающей средой должен непрерывно происходить газообмен . Аэробные организмы в результате диффузии поглощают кислород (из воды, в которой он растворен, либо из атмосферы) и выделяют углекислоту. Дыхательная поверхность, на которой происходит газообмен, должна быть:
Проницаемой для O 2 и CO 2 ;
Тонкой – диффузия эффективна только на небольших расстояниях;
Влажной – эти газы диффундируют в растворе;
Большой – для поддержания достаточной скорости газообмена.
Интенсивность метаболизма растений невысока, кислорода им требуется сравнительно немного. Газообмен осуществляется путём диффузии газов через всю поверхность; у крупных растений для этих целей служат устьица листьев и трещины в коре. Клетки, содержащие хлорофилл , могут потреблять для дыхания только что выработанный ими кислород.
У одноклеточных животных газообмен происходит через клеточную мембрану. Наиболее примитивные многоклеточные – кишечнополостные , плоские черви – также обеспечивают свои потребности в кислороде, поглощая его каждой клеткой, находящейся в контакте со средой.
У более сложных организмов появляется большое количество клеток, не контактирующих со средой, и простая диффузия становится неэффективной. Необходима специальная дыхательная система , которая будет эффективно поглощать кислород и выделять углекислоту. Как правило, эта система оказывается связанной с кровеносной системой , обеспечивающей доставку кислорода тканям и клеткам. Растворимость кислорода в крови составляет 0,2 мл на 100 мл крови, однако наличие дыхательных пигментов способно в десятки и сотни раз увеличить эффективность этого процесса. Наиболее известным дыхательным пигментом является гемоглобин .
|
|||||||||||||||||||||||||
Некоторые дыхательные пигменты |
Рассмотрим некоторые наиболее типичные дыхательные системы.
В тело насекомых воздух попадает через специальные отверстия – дыхальца . Они открываются в воздушные полости, от которых отходят особые трубочки – трахеи . Трахеи укреплены хитином и всегда остаются открытыми. В каждом сегменте тела они разветвляются на многочисленные мелкие трубочки – трахеолы , через которые кислород поступает прямо к тканям; необходимости в его транспортировки кровью нет. Трахеолы заполнены водянистой жидкостью, через неё диффундируют кислород и углекислота. При активной работе мышц жидкость всасывается в ткани, и кислород попадает непосредственно к клеткам уже в газообразном состоянии. Трахейная система дыхания весьма эффективна, однако наличие в дыхательной цепи процесса диффузии ограничивает размеры насекомого (точнее, его толщину).
Газообмен у рыб происходит при помощи специальных дыхательных органов – жабр . Каждая жабра поддерживается вертикальным хрящём – жаберной дугой . У костных рыб жаберная дуга состоит из костной ткани. От перегородки, лежащей над жаберной дугой, отходит ряд горизонтальных складок – жаберных лепестков , на каждом из которых образуются вертикальные вторичные лепестки. Свободные края жаберных перегородок вытянуты и работают как откидные клапаны. Когда дно ротовой полости и глотки опускается, давление в них уменьшается, и в жабры через рот и брызгальца устремляется вода. Клапан при этом предотвращает попадание в жабры воды с другой стороны. Многочисленные капилляры, пронизывающие жабры, насыщаются здесь кислородом и объединяются в жаберные артерии, выносящие из жабр богатую кислородом кровь. Отметим, что дыхательная система костных рыб более совершенна, чем у рыб хрящевых, так как у костных рыб жабры имеют бóльшую площадь поверхности, а движение крови навстречу току воды обеспечивает более эффективный обмен газов.
Амфибии получают кислород тремя способами: через кожу, рот и лёгкие. При кожном и ротовом дыхании газ поглощается влажным эпителием, выстилающим кожу или ротовую полость. Заметные глазу движения горла лягушки – это именно ротовое дыхание. Поступающий в рот воздух может также через гортань, трахею и бронхи попадать в лёгкие. Лёгкие у лягушки представляют собой пару полых мешков, стенки которых образуют многочисленные складки, пронизанные кровеносными капиллярами. В результате мышечных сокращений происходит вдох и выдох, лёгкие наполняются воздухом, кислород из него поступает в кровь.
У высших форм позвоночных кожное дыхание отсутствует, основным дыхательным органом становятся лёгкие. Они имеют гораздо большее количество складок, чем лёгкие амфибий. У птиц появились также воздушные мешки, благодаря которым через лёгкие и во время вдоха, и во время выдоха проходит богатый кислородом воздух; это увеличивает эффективность газообмена.
У млекопитающих воздух поступает внутрь через ноздри; небольшие волоски задерживают посторонние частицы, а ресничный эпителий, которым выстланы носовые ходы, увлажняет воздух, прогревает его, а также улавливает частички, которым удалось проскользнуть через волоски. Из носа воздух попадает в глотку , а затем в гортань . Хрящевой клапан ( надгортанник ) защищает дыхательные пути от попадания в них пищи. В полости гортани находятся голосовые связки ; когда выдыхаемый воздух проходит сквозь голосовую щель, возникают звуковые волны. С изменением натяжения связок меняется высота издаваемого звука.
Из гортани воздух попадает в трубковидную трахею . Её стенки покрыты ресничным эпителием, собирающим попавшие в трахею пылинки и микробы. Стенки трахеи (так же, как и гортани) выполнены из хрящевой ткани, за счёт этого она не опадает при вдохе. На нижнем конце трахея разветвляется на два бронха. Бронхи разделяются на более тонкие бронхиолы ; у самых маленьких из них (диаметром 1 мм и меньше) хрящевая ткань отсутствует. Бронхиолы разветвляются, в свою очередь, на многочисленные альвеолярные ходы, заканчивающиеся мешочками, выстланными соединительной тканью, – альвеолами . В лёгких млекопитающего могут быть сотни миллионов альвеол, общая площадь их поверхности такова, что ими можно покрыть целое футбольное поле. Толщина стенки альвеолы составляет всего 0,0001 мм. Наружная сторона альвеол покрыта густой сетью кровеносных капилляров. Поглощаясь влажным эпителием, кислород диффундирует в плазму крови и там соединяется с гемоглобином. Углекислый газ диффундирует в обратном направлении. Диаметр капилляров меньше диаметра эритроцитов; это обеспечивает тесное соприкосновение эритроцитов с поверхностью альвеол.
Лёгкие отделены от стенок грудной клетки плевральной полостью . Она непроницаема для воздуха; давление в ней на 3–4 мм рт. ст. ниже, чем в лёгких, за счёт чего последние заполняют почти всю грудную клетку. Вентиляция лёгких осуществляется благодаря одновременному сокращению диафрагмы и наружных межрёберных мышц. Объём грудной клетки увеличивается, давление уменьшается, и воздух поступает внутрь. В процессе выдоха диафрагма и наружные мышцы возвращаются в прежнее положение, а внутренние межрёберные мышцы сокращаются. Грудная клетка становится меньше и воздух выталкивается из лёгких. При больших физических нагрузках выдох становится более активным и требует дополнительных затрат энергии.
При недостаточной насыщенности воздуха кислородом (например, высоко в горах) начинается гипоксия , проявляющаяся в недомогании и чувстве сильной усталости. Со временем дыхательная система может приспособиться к небольшому содержанию кислорода – в таких случаях говорят, что организм акклиматизировался в новых условиях.
Млекопитающие, способные долгое время оставаться под водой (киты , тюлени), при нырянии рефлекторно уменьшают частоту сердечных сокращений, их кровеносные каналы сужаются, и кровью снабжаются только самые важные для жизни органы. Первый вдох после выныривания служит сигналом для увеличения частоты сердечных сокращений.
Газообмен (в биологии; далее по тексту - «Г.») - это обмен газов между организмом и внешней средой. Из окружающей среды в организм непрерывно поступает кислород, который потребляется всеми , органами и тканями; из организма выделяются образующийся в нём углекислый газ и незначительное количество других газообразных продуктов . Г. необходим почти для всех организмов, без него невозможен нормальный обмен веществ и энергии, а следовательно и .
Газообмен у человека происходит в альвеолах легких и в тканях тела.
Рис. 1: Дыхательная система человека (здесь и далее нажмите на картинку для увеличения)
Кислород, поступающий в ткани живого организма, используется для окисления продуктов, образующихся в итоге длинной цепи химических превращений углеводов, жиров и . При этом образуются СО 2 , вода, азотистые соединения и освобождается энергия, используемая для поддержания и выполнения работы. Количество образующегося в организме и в конечном итоге выделяющегося из него СО 2 зависит не только от количества потребляемого О 2 , но и от того, что преимущественно окисляется: углеводы, жиры или белки. Отношение удаляемого из организма СО 2 к поглощённому за то же время О 2 называется коэффициентом, который равен примерно 0,7 при окислении жиров, 0,8 при окислении белков и 1,0 при окислении углеводов. Количество энергии, освобождающееся на 1 литр потребленного О 2 (калорический эквивалент кислорода), равно 20,9 кдж (5 ккал) при окислении углеводов и 19,7 кдж (4,7 ккал) при окислении жиров. Таким образом, по потреблению О 2 в единицу времени и по дыхательному коэффициенту можно рассчитать количество освободившейся в организме энергии.
Рис. 2: Легочное дыхание (газообмен в легких): газообмен между воздухом и происходит путем диффузии по разности концентраций газов. В пространстве газообмен не идет. Венозная превращается в артериальную.
Газообмен (соответственно и расход энергии) у пойкилотермных животных (холоднокровных) понижается с понижением температуры тела. Такая же зависимость обнаружена и у гомойотермных животных (теплокровных) при выключении терморегуляции (в условиях естественной или искусственной гипотермии); при повышении температуры тела (при , различных ) Г. увеличивается.
При понижении температуры окружающей среды Г. у теплокровных животных (особенно у мелких) увеличивается в результате увеличения теплопродукции. Г. увеличивается также после приёма , особенно богатой белками (т. н. специфически-динамическое действие ). Наибольших величин Г. достигает при мышечной деятельности. У человека при работе умеренной мощности Г. увеличивается, через 3 - 6 мин после её начала достигает определённого уровня и затем удерживается в течение всего времени работы на этом уровне. При работе большой мощности Г. непрерывно возрастает; вскоре после достижения максимального для данного человека уровня (максимальная аэробная работа) работу приходится прекращать, т. к. потребность организма в О 2 превышает этот уровень. В первое время после окончания работы сохраняется повышенное потребление О 2 , используемого для покрытия кислородного долга, т. е. для окисления продуктов обмена веществ, образовавшихся во время работы. Потребление О 2 может увеличиваться с 200 - 300 мл / мин в состоянии покоя до 2000 - 3000 при работе, а у хорошо тренированных спортсменов - до 5000 мл / мин. Соответственно увеличиваются выделение СО 2 и расход энергии; одновременно происходят сдвиги дыхательного коэффициента, связанные с изменениями обмена веществ, кислотно-щелочного равновесия и лёгочной вентиляции.
Рис.3: Обмена газа в легких и тканях
Расчёт общего суточного расхода энергии у людей разных профессий и образа жизни, основанный на определениях Г., важен для нормирования . Исследования изменений Г. при стандартной физической работе применяются в физиологии труда и , в клинике для оценки функционального состояния систем, участвующих в газообмене.
Сравнительное постоянство газообмена при значительных изменениях парциального давления О 2 в окружающей среде, нарушениях работы и т. п. обеспечивается приспособительными (компенсаторными) реакциями систем, участвующих в Г. и регулируемых .
Г. у человека и животных принято исследовать в условиях полного покоя, при комфортной температуре среды (18 - 22 °С). Количества потребляемого при этом О 2 и освобождающейся энергии характеризуют основной обмен. Для исследования Г. применяются методы, основанные на принципе открытой либо закрытой системы. В первом случае определяют количество выдыхаемого воздуха и его состав (при помощи химических или физических газоанализаторов), что позволяет вычислять количества потребляемого О 2 и выделяемого СО 2 . Во втором случае происходит в закрытой системе (герметичной камере либо из спирографа, соединённого с дыхательными путями), в которой поглощается выделяемый СО 2 , а количество потребленного из системы О 2 определяют либо измерением равного ему количества автоматически поступающего в систему О 2 , либо по уменьшению объёма системы:
Рис. 4: Схема аппарата для исследования газообмена: У - устройство для автоматической подачи кислорода; Б - сосуд с кислородом; К - камера; Х - холодильник; Щ - сосуд со щёлочью для улавливания углекислого газа; Н - насос; CaCl 2 - сосуд с хлористым кальцием для поглощения водяных паров; Т - термометр; М - манометр
, занимающийся болезнями органов дыхания: трахеи, бронхов, лёгких и плевры - (происходит от латинских слов: пульмоно- (легкие) + логос (учение)). К нему необходиом обращаться при наличии симптомов:
- , особенно с мокротой;
- одышка;
- приступы ;
- боль в грудной клетке, связанная с .
Два губчатых органа, расположенные внутри грудной полости, - сообщаются с внешней средой через дыхательные пути и отвечают за жизненно важную для всего организма функцию, выполняя газообмен крови с окружающей средой. Снаружи орган покрыт плеврой, состоящей из двух листков образующих плевральную полость легких
Легкие - два объемных органа полуконусовидной формы, занимающие большую часть грудной полости. Каждое легкое имеет основание, которое поддерживается диафрагмой - мышцей, разделяющей грудную и брюшную полости; верхние части легких имеют округлую форму. Легкие разделены на доли глубокими щелями. В правом легком две щели, а в левом - всего одна.
Легочный ацинус - это функциональная единица легких, крошечный участок ткани, вентилируемый конечной бронхиолой, от которой отходят дыхательные бронхиолы, образующие далее альвеолярные каналы или альвеолярные ходы . В конце каждого альвеолярного канала находятся альвеолы, микроскопические эластичные шарики с тонкими стенками, наполненные воздухом; альвеолы составляют альвеолярный пучок или мешочек, где и происходит газообмен.
Тонкие стенки альвеол состоят из одного слоя клеток, окруженного слоем ткани, которая поддерживает их и отделяет от альвеол. Вместе с альвеолами тонкой мембраной отделены и кровеносные капилляры, пронизывающие легкие. Расстояние между внутренней стенкой кровеносных капилляров и альвеол составляет 0,5 тысячной доли миллиметра.
Человеческий организм нуждается в постоянном газообмене с окружающей средой: с одной стороны, организму необходим кислород для поддержания клеточной активности - он используется как «топливо», благодаря которому в клетках осуществляется метаболизм; с другой стороны, организму нужно освобождаться от углекислого газа - результата клеточного метаболизма, поскольку его накопление может вызвать интоксикацию. Клетки организма нуждаются в кислороде постоянно - например, нервы головного мозга едва ли могут существовать без кислорода даже несколько минут.
Молекулы кислорода (02) и углекислого газа (С02) циркулируют по крови, присоединяясь к гемоглобину красных кровяных телец, которые переносят их по всему организму. Попадая в легкие, эритроциты отдают молекулы углекислого газа и уносят молекулы кислорода посредством процесса диффузии: кислород присоединяется к гемоглобину, а углекислый газ попадает в капилляры внутри альвеол, и человек его выдыхает.
Кровь, обогащенная кислородом, выйдя из легких, направляется к сердцу, которое выбрасывает ее в аорту, после чего по артериям она достигает капилляров различных тканей. Там вновь происходит процесс диффузии: из крови кислород переходит в клетки, а из клеток в кровь попадает углекислый газ. Затем кровь вновь поступает к легким, чтобы обогатиться кислородом. Подробную информацию о физических и физиологических характеристиках газообмена можно найти в статье: "Газообмен и транспорт газов ".
