Дыхание — жизненно необходимый процесс постоянного обмена газами между организмом и окружающей его внешней средой. В процессе дыхания человек поглощает из окружающей среды кислород и выделяет углекислый газ.
Почти все сложные реакции превращения веществ в организме идут с обязательным участием кислорода. Без кислорода невозможен обмен веществ, и для сохранения жизни необходимо постоянное поступление кислорода. В клетках и тканях в результате обмена веществ образуется углекислый газ, который должен быть удален из организма. Накопление значительного количества углекислого газа внутри организма опасно. Углекислый газ выносится кровью к органам дыхания и выдыхается. Кислород, поступающий в органы дыхания при вдохе, диффундирует в кровь и кровью доставляется к органам и тканям.
В организме человека и животных нет запасов кислорода, и поэтому непрерывное поступление его в организм является жизненной необходимостью. Если человек в необходимых случаях может прожить без пищи более месяца, без воды до 10 дней, то при отсутствии кислорода необратимые изменения наступают уже через 5-7 мин.
Состав вдыхаемого, выдыхаемого и альвеолярного воздуха
Производя попеременно вдох и выдох, человек вентилирует легкие, поддерживая в легочных пузырьках (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 кислорода 16,3%, углекислого газа 4% (табл. 8).
Состав альвеолярного воздуха значительно отличается от состава атмосферного, вдыхаемого воздуха. В нем меньше кислорода (14,2%) и большое количество углекислого газа (5,2%).
Азот и инертные газы, входящие в состав воздуха, в дыхании участия не принимают, и их содержание во вдыхаемом, выдыхаемом и альвеолярном воздухе практически одинаково.
Таблица 8. Состав вдыхаемого, выдыхаемого и альвеолярного воздуха
Почему в выдыхаемом воздухе кислорода содержится больше, чем в альвеолярном? Объясняется это тем, что при выдохе к альвеолярному воздуху примешивается воздух, который находится в органах дыхания, в воздухоносных путях.
Парциальное давление и напряжение газов
В легких кислород из альвеолярного воздуха переходит в кровь, а углекислый газ из крови поступает в легкие. Переход газов из воздуха в жидкость и из жидкости в воздух происходит за счет разницы парциального давления этих газов в воздухе и жидкости. Парциальным давлением называют часть общего давления, которая приходится на долю данного газа в газовой смеси. Чем выше процентное содержание газа в смеси, тем соответственно выше его парциальное давление. Атмосферный воздух, как известно, является смесью газов. Давление атмосферного воздуха 760 мм рт. ст. Парциальное давление кислорода в атмосферном воздухе составляет 20,94% от 760 мм, т. е. 159 мм; азота — 79,03% от 760 мм, т. е. около 600 мм; углекислого газа в атмосферном воздухе мало — 0,03%, поэтому и парциальное давление его составляет 0,03% от 760 мм — 0,2 мм рт. ст.
Для газов, растворенных в жидкости, употребляют термин «напряжение», соответствующий термину «парциальное давление», применяемому для свободных газов. Напряжение газов выражается в тех же единицах, что и давление (в мм рт. ст.). Если парциальное давление газа в окружающей среде выше, чем напряжение этого газа в жидкости, то газ растворяется в жидкости.
Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе 100-105 мм рт. ст., а в притекающей к легким крови напряжение кислорода в среднем 60 мм рт. ст., поэтому в легких кислород из альвеолярного воздуха переходит в кровь.
Читайте также: Волокнистый состав хлопчатобумажной ткани
Движение газов происходит по законам диффузии, согласно которым газ распространяется из среды с высоким парциальным давлением в среду с меньшим давлением.
Газообмен в легких
Переход в легких кислорода из альвеолярного воздуха в кровь и поступление углекислого газа из крови в легкие подчиняются описанным выше закономерностям.
Благодаря работам великого русского физиолога Ивана Михайловича Сеченова стало возможно изучение газового состава крови и условий газообмена в легких и тканях.
Газообмен в легких совершается между альвеолярным воздухом и кровью путем диффузии. Альвеолы легких оплетены густой сетью капилляров. Стенки альвеол и капилляров очень тонкие, что способствует проникновению газов из легких в кровь и наоборот. Газообмен зависит от величины поверхности, через которую осуществляется диффузия газов, и разности парциального давления (напряжения) диффундирующих газов. При глубоком вдохе альвеолы растягиваются, и их поверхность достигает 100-105 м 2 . Так же велика и поверхность капилляров в легких. Есть, и достаточная, разница между парциальным давлением газов в альвеолярном воздухе и напряжением этих газов в венозной крови (табл. 9).
Таблица 9. Парциальное давление кислорода и углекислого газа во вдыхаемом и альвеолярном воздухе и их напряжение в крови
Из таблицы 9 следует, что разность между напряжением газов в венозной крови и их парциальным давлением в альвеолярном воздухе составляет для кислорода 110 — 40 = 70 мм рт. ст., а для углекислого газа 47 — 40 = 7 мм рт. ст.
Опытным путем удалось установить, что при разнице напряжения кислорода в 1 мм рт. ст. у взрослого человека, находящегося в покое, в кровь может поступить 25-60 мл кислорода в 1 мин. Человеку в покое нужно примерно 25-30 мл кислорода в 1 мин. Следовательно, разность давлений 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 при разности давлений в 7 мм рт. ст., углекислый газ успевает выделиться из крови.
Перенос газов кровью
Кровь переносит кислород и углекислый газ. В крови, как и во всякой жидкости, газы могут находиться в двух состояниях: в физически растворенном и химически связанном. И кислород и углекислый газ в очень небольшом количестве растворяются в плазме крови. Большая часть кислорода и углекислого газа переносится в химически связанном виде.
Основной переносчик кислорода — гемоглобин крови. 1 г гемоглобина связывает 1,34 мл кислорода. Гемоглобин обладает способностью вступать в соединение с кислородом, образуя оксигемоглобин. Чем выше парциальное давление кислорода, тем больше образуется оксигемоглобина. В альвеолярном воздухе парциальное давление кислорода 100-110 мм рт. ст. При таких условиях 97% гемоглобина крови связывается с кислородом. Кровь приносит к тканям кислород в виде оксигемоглобина. Здесь парциальное давление кислорода низкое, и оксигемоглобин — соединение непрочное — высвобождает кислород, который используется тканями. На связывание кислорода гемоглобином оказывает влияние и напряжение углекислого газа. Углекислый газ уменьшает способность гемоглобина связывать кислород и способствует диссоциации оксигемоглобина. Повышение температуры также уменьшает возможности связывания гемоглобином кислорода. Известно, что температура в тканях выше, чем в легких. Все эти условия помогают диссоциации оксигемоглобина, в результате чего кровь отдает высвободившийся из химического соединения кислород в тканевую жидкость.
Читайте также: Что называют мягкими тканями
Свойство гемоглобина связывать кислород имеет жизненно важное значение для организма. Иногда люди гибнут от недостатка кислорода в организме, окруженные самым чистым воздухом. Это может случиться с человеком, оказавшимся в условиях пониженного давления (на больших высотах), где в разреженной атмосфере очень низкое парциальное давление кислорода. 15 апреля 1875 г. воздушный шар «Зенит», на борту которого находились три воздухоплавателя, достиг высоты 8000 м. Когда шар приземлился, то в живых остался только один человек. Причиной гибели людей было резкое снижение парциального давления кислорода на большой высоте. На больших высотах (7-8 км) артериальная кровь по своему газовому составу приближается к венозной; все ткани тела начинают испытывать острый недостаток в кислороде, что и приводит к тяжелым последствиям. Подъем на высоту более 5000 м обычно требует пользования особыми кислородными приборами.
При специальной тренировке организм может приспосабливаться к пониженному содержанию кислорода в атмосферном воздухе. У тренированного человека углубляется дыхание, увеличивается количество эритроцитов в крови за счет усиленного образования их в кроветворных органах и поступления из депо крови. Кроме того, усиливаются сердечные сокращения, что приводит к увеличению минутного объема крови.
Для тренировки широко применяют барокамеры.
Углекислый газ переносится кровью в виде химических соединений — бикарбонатов натрия и калия. Связывание углекислого газа и отдача его кровью зависят от его напряжения в тканях и крови.
Кроме того, в переносе углекислого газа участвует гемоглобин крови. В капиллярах тканей гемоглобин вступает в химическое соединение с углекислым газом. В легких это соединение распадается с освобождением углекислого газа. Около 25-30% выделяемого в легких углекислого газа переносит гемоглобин.
Парциальное давление углекислого газа в тканях равняется
а) Влияние вентиляционно-перфузионного коэффициента на концентрацию газа в альвеолах. PO2 и PCO2 в альвеолах определяется двумя факторами:
(1) скоростью альвеолярной вентиляции;
(2) скоростью перехода кислорода и двуокиси углерода через дыхательную мембрану.
Предполагают, что все альвеолы вентилируются в равной степени и кровоток в альвеолярных капиллярах одинаков во всех альвеолах. Однако некоторые участки легких при хорошей вентиляции почти лишены кровотока, а другие — могут иметь великолепный кровоток при малой или отсутствующей вентиляции.
Это в некоторой степени возможно даже в нормальных условиях, но чаще выявляется при различных болезнях легких. В обоих случаях серьезно пострадает газообмен через дыхательную мембрану и человек может испытывать тяжелое нарушение дыхания, несмотря на нормальные показатели общей вентиляции и общего кровотока в легких, наряду с различными показателями вентиляции и кровотока в разных частях легких.
Для лучшего понимания изменений дыхания, возникающих при нарушении соответствия альвеолярной вентиляции и альвеолярного кровотока, была выработана специальная количественная концепция, названная вентиляционно-перфузионным коэффициентом.
Вентиляционно-перфузионный коэффициент обозначают количественно как VA/Q. Если VA (альвеолярная вентиляция) для данной альвеолы и Q (кровоток) в этой же альвеоле имеют нормальную величину, то вентиляционно-перфузионный коэффициент VA/Q также называют нормальным. Если альвеолярная вентиляция (Уд) равна нулю, но в альвеоле имеется перфузия (Q), то VA/Q тоже равняется нулю.
Если же при адекватной вентиляции (VA) наблюдается нулевая перфузия, то VA/Q равняется бесконечности. При коэффициенте, равном нулю или бесконечности, в этих альвеолах нет газообмена через дыхательную мембрану. Перейдем к разъяснению процесса дыхания в этих крайних случаях.
Диаграмма нормальных величин PO2-PCO2, VA/Q
Читайте также: Летние платья из ткани горох
б) Парциальное давление кислорода и двуокиси углерода в альвеоле в случае, когда VA/Q равно нулю. При VA/Q, равном нулю, т.е. при отсутствии какой-либо альвеолярной вентиляции, воздух в альвеоле приходит в равновесие с кислородом и двуокисью углерода, находящимися в крови, т.к. эти газы распределяются между кровью и альвеолярным воздухом.
Кровь в капиллярах является венозной кровью, возвращающейся к легким из системного кровообращения, поэтому альвеолярные газы уравновешиваются с газами венозной крови. В главе 40 мы узнаем, что в нормальной венозной крови (v) P02 составляет 40 мм рт. ст. и PCO2 — 45 мм рт. ст., поэтому величины парциального давления этих двух газов являются нормальными для альвеол, в которых имеется кровоток, но нет вентиляции.
в) Парциальное давление кислорода и двуокиси углерода в альвеоле в случае, когда VA/Q равно бесконечности. Влияние парциальных давлений альвеолярного газа в случае, когда VA/Q равно бесконечности, полностью отличается от их влияния в случае, когда VA/Q равно нулю, поскольку теперь отсутствует капиллярный кровоток, уносящий кислород из альвеол и приносящий двуокись углерода в альвеолы.
Вместо уравновешивания альвеолярных газов с венозной кровью альвеолярный воздух заменяется увлажненным вдыхаемым воздухом, т.е. кислород из вдыхаемого воздуха не уходит в кровь и двуокись углерода не переходит из крови во вдыхаемый воздух. В нормальном вдыхаемом увлажненном воздухе PO2 равняется 149 мм рт. ст. и PCO2 — 0 мм рт. ст., поэтому такими будут и парциальные давления этих двух газов в альвеоле.
г) Газообмен и парциальные давления газов в альвеолах при нормальном VA/Q. В случае, когда в альвеоле присутствуют и нормальная вентиляция, и нормальный капиллярный кровоток (нормальная альвеолярная перфузия), обмен кислорода и двуокиси углерода через дыхательную мембрану является почти оптимальным, и альвеолярное PO2 составляет обычно 104 мм рт. ст., т.е. находится в диапазоне между величинами Рог вдыхаемого воздуха (149 мм рт. ст.) и венозной крови (40 мм рт. ст.).
Альвеолярное PCO2 также расположено между двумя экстремальными значениями; в норме оно составляет 40 мм рт. ст., в то время как в венозной крови PCO2 имеет величину 45 мм рт. ст. и во вдыхаемом воздухе — 0 мм рт. ст. Таким образом, в нормальных условиях в альвеолярном воздухе PO2 составляет 104 мм рт. ст. и PCO2 — 40 мм рт. ст.
д) Диаграмма PO2-PCO2, VA/Q. Приведенные в предыдущих разделах концепции могут быть представлены в графическом виде. На рисунке выше изображена диаграмма PO2-PCO2, VA/Q. Кривая на диаграмме представляет все возможные комбинации PO2 и PCO2 в пределах значений VA/Q между нулем и бесконечностью в случае, когда давления газов в венозной крови нормальны и человек дышит воздухом на уровне моря. Так, точка v определяет значения PO2 и PCO2 при VA/Q равном нулю. PO2 в этой точке равно 40 мм рт. ст. и PCO2 — 45 мм рт. ст., что соответствует их величине в венозной крови.
На другом конце кривой, где VA/Q равен бесконечности, точка I обозначает вдыхаемый воздух — PO2 здесь равно 149 мм рт. ст., а PCO2 — 0 мм рт. ст. На кривой обозначена и точка, представляющая нормальный альвеолярный воздух при нормальном VA/Q PO2 равняется здесь 104 мм рт. ст. и PCO2 — 40 мм рт. ст.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом