После поступления свежего воздуха в альвеолы начинается следующий этап дыхательного процесса: диффузия кислорода из альвеол в кровь и диффузия двуокиси углерода в обратном направлении — из крови в альвеолы. Процесс диффузии представляет собой беспорядочное движение молекул, прокладывающих себе дорогу через дыхательную мембрану и жидкости во всех направлениях. Однако в физиологии дыхания нас интересуют не только основные механизмы диффузии, но и ее скорость, что представляет собой намного более сложную проблему и потребует более глубоких знаний в области физики диффузии и обмена газов.
Физические основы диффузии и парциальные давления газов
Все газы, представляющие интерес для физиологии дыхания, являются простыми молекулами, которые свободно перемещаются в смеси. Этот процесс называют диффузией. Это справедливо и для газов, растворенных в жидкостях и тканях тела.
Для процесса диффузии необходимо наличие источника энергии. Энергия производится кинетическим движением самих молекул. При температуре выше абсолютного нуля молекулы находятся в постоянном движении. Это значит, что свободные молекулы, не связанные с другими молекулами, двигаются линейно на высокой скорости до встречи с другими молекулами. После столкновения их движение получит новое направление — до следующего столкновения. Таким образом, молекулы находятся в быстром и случайном движении среди себе подобных.
а) Диффузия газа одном направлении. Влияние градиента концентрации. Если в емкости или в растворе концентрация одного газа в одной зоне высокая, а в другой — низкая (для облегчения понимания просим вас изучить рисунок ниже), то суммарная диффузия газа будет направлена от зоны с высокой концентрацией в зону с низкой концентрацией: на рисунке в зоне А находится больше молекул, способных двигаться в направлении зоны Б, чем молекул, которые могут переместиться в обратном направлении, поэтому диффузия в каждом из направлений пропорциональна концентрации молекул, что на рисунке демонстрирует длина стрелок.
Диффузия кислорода из одной зоны (А) в другую (Б). Разница в длине стрелок представляет величину конечной диффузии
б) Давление газов в газовой смеси. Парциальные давления отдельных газов. Давление создается множественными ударами движущихся молекул о поверхность, поэтому давление газа на поверхности дыхательных ходов и альвеол пропорционально суммарной силе ударов о поверхность всех молекул данного газа в данный момент, т.е. давление газа прямо пропорционально концентрации молекул газа.
В физиологии дыхания мы имеем дело со смесями газов, состоящих главным образом из кислорода, азота и двуокиси углерода. Скорость диффузии каждого из них прямо пропорциональна давлению, создаваемому только этим газом, и это давление называют парциальным давлением данного газа. Далее приводим объяснение концепции парциального давления.
Воздух состоит примерно из 79% азота и 21% кислорода. Общее давление этой смеси на уровне моря равно 760 мм рт. ст. Из приведенного ранее объяснения молекулярных основ возникновения давления ясно, что доля каждого газа в давлении их смеси находится в прямой пропорции с его концентрацией, поэтому 79% из 760 мм рт. ст. давления воздуха создается азотом (600 мм рт. ст.) и 21% — кислородом (160 мм рт. ст.). Таким образом, парциальное давление азота в смеси составляет 600 мм рт. ст., парциальное давление кислорода — 160 мм рт.ст., а общее давление (760 мм рт. ст.) является суммой отдельных парциальных давлений. Парциальное давление отдельных газов обозначают PCO2, PO2, PN2, PH2O, PHe и т.д.
Видео физиология газообмена в легких и транспорта газов кровью — профессор, д.м.н. П.Е. Умрюхин
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Процесс газообмена в легких и тканях: состав воздуха, диффузия газов, особенности газообмена
Процесс газообмена в легких и тканях
Состав воздуха
Состав поступающего и выходящего из дыхательных путей воздуха не меняется. Во вдыхаемом воздухе кислород составляет около 21%, углекислый газ — 0,03%. В выдыхаемом воздухе эти показатели уже другие: 16-17% кислорода и 4% углекислого газа.
Читайте также: Сустав это какая ткань
В альвеолярном воздухе процент содержания кислорода достигает 14,4%, а углекислого газа — 5,6%. Во время выдоха происходит смешивание воздуха мертвого пространства и содержимого ацинусов.
Важно, что объем атмосферного азота, который вдыхается и выдыхается, остается неизменным.
При выдохе происходит вывод паров воды из организма.
При длительном вдыхании воздуха, содержащего значительную концентрацию кислорода, для организма могут наступить пагубные последствия. Тем не менее ингаляция 100-процентным кислородом — лечебное мероприятие при некоторых заболеваниях.
Диффузия газов
Разграничительная черта между кровью и воздухом альвеол называется легочной мембраной или аэрогематическим барьером.
Как происходит газообмен в легких?
Газообмен в легких осуществляется за счет:
- диффузии кислорода из альвеол в кровь;
- диффузии углекислого газа из крови в альвеолы.
Газы переходят через аэрогематический барьер за счет разности их концентраций.
Парциальным давлением газа выступает часть общего давления, принадлежащая данному газу.
Кислород в воздушной среде характеризуется парциальным давлением (напряжением), которое равно 160 мм. рт. ст. Углекислый газ, в свою очередь, обладает парциальным давлением, равным 0,2 мм. рт. ст.
Что касается альвеолярного воздуха, то парциальное давление для кислорода и двуокиси углерода отличаются другими значениями: давление кислорода равно 100 мм. рт. ст, а углекислого газа — 40 мм. рт. ст.
Газы находятся в крови в двух состояниях: в химическом связанном и в растворенном. При этом, в процессе диффузии могут участвовать только те молекулы газа, которые находятся в растворенном состоянии.
Есть несколько условий, от которых зависит способность газа быть растворенным в жидкостях. Это:
- объем и давление газа над жидкостью;
- состав жидкости;
- природа газа;
- температура жидкости.
При более низкой температуре и более высоком давлении газа обеспечивается большее растворение газа.
При условии температуры 38 градусов и давлении в 760 мм. рт. ст. в 1 мл. крови растворится 2,2% кислорода и 5,1% углекислого газа.
Между кровью и альвеолярным воздухом градиент давления для кислорода составляет 60 мм. рт. ст. Это обеспечивает диффузию кислорода в кровь. В крови происходит связывание кислорода с гемоглобином, который находится в эритроцитах, в результате чего происходит образование оксигемоглобина. Очень много оксигемоглобина содержится в артериальной крови.
У здорового человека гемоглобин может насыщаться кислородом на 96%.
Под кислородной емкостью крови понимают максимум кислорода, которое при глубоком насыщении гемоглобина кислородом может связываться с кровью.
Эффектом Холдейна называют повышенную способность крови в процессе перехода оксигемоглобина в гемоглобин связывать углекислый газ.
В 100 мл. крови содержится примерно 20 мл. кислорода — это в норме. В венозной крови в таком же объеме содержится от 13 до 15 мл. кислорода.
Образованный в тканях углекислый газ по градиенту концентрации поступает в кровь и объединяется с гемоглобином — таким образом происходит образование карбгемоглобин. Большая часть углекислого газа находится во взаимодействии с водой, и образует, в результате, карбоновую кислоту. Эта кислота имеет способность диссоциировать, что приводит к образованию ион водорода и бикорбонат-ион. Основная часть углекислого газа перемещается в виде бикарбоната.
Эритроциты крови содержат такой фермент как карбоангидраза. У него есть способность осуществлять катализацию расщепления карбоновой кислоты и ее образование. Процесс расщепления происходит в капиллярах легких.
Напряжение двуокиси углерода в венозной крови — около 46 мм. рт. ст. Парциальное давление двуокиси углерода в альвеолярном воздухе составляет 40 мм. рт. ст. Это значит, что градиент давления равен 6 мм. рт. ст. в пользу крови.
Из человеческого организма в состоянии покоя выходит примерно 230 мд. двуокиси углерода.
Диффузия газов осуществляется по разности концентрации: из среды, где отмечается большее напряжение, в среду, где отмечается меньшее напряжение.
Диффузионная способность легких — это способность газа превращаться из альвеол в эритроциты.
Особенности газообмена в тканях
В митохондриях обнаруживается минимальное напряжение кислорода. Все потому, что митохондрии — это места, где кислород используется для биологического окисления. Как результат расщепления оксигемоглобина — молекулы кислорода диффундируют в направлении меньших значений напряжения кислорода.
Читайте также: Чем ткани похожи чем отличаются
Факторы, влияющие на парциальное давление в тканях:
- расстояние между кровеносными капиллярами и их геометрия;
- скорость движения крови;
- расположение клеток относительно капилляров;
- окислительные процессы и др.
В тканевой жидкости вблизи капилляров напряжение кислорода меньше, чем в крови — оно составляет от 20 до 40 мм. рт. ст.
Интенсивные окислительные процессы в клетках способствуют тому, что напряжение кислорода может доходить до нулевого показателя. Однако при увеличении скорости кровотока напряжение кислорода мгновенно повысится.
Наивысший показатель давление углекислого газа в клетках достигается в случае его образования в митохондриях — оно равно 60 мм. рт. ст. Что касается давления углекислого газа, то в тканевой жидкости оно меняется (примерно 46 мм. рт. ст.), а в артериальной крови остается равным 40 мм. рт. ст.
Перемещение двуокиси углерода осуществляется по градиенту напряжений в капилляры крови, после чего кровь перемещает ее к легким.
Дыхательная система человека: жизненная емкость легких, газообмен в тканях и легких и регуляция дыхания
Строение органов дыхания
Пройдемся кратко по дыхательной системе человека.
С помощью кислорода, поступающего вместе с воздухом, в организме человека происходит процесс окисления. Кислород, который поступает в организм, окисляется, и вместо него человек выдыхает углекислый газ. После этого в клетках осуществляется бескислородное окисление органических веществ — такой процесс называется гликолизом.
Процесс дыхания состоит из 2 этапов:
- Внешнего. На этом этапе атмосферный воздух обменивается на воздух из альвеол.
- Внутреннего. Здесь митохондрии потребляют кислород, в результате чего образуется углекислый газ.
Дыхательная система человека
Дыхательная система кратко — это комплекс, состоящий из дыхательных путей и легких. Дыхательные пути — это:
На рисунке ниже представлено строение дыхательной системы человека.
Воздухоносные пути
От дыхательной системы человека на рисунке перейдем к воздухоносным путям.
Что собой представляют воздухоносные пути? Это целый лабиринт, который образуют множество перегородок и хрящевых выростов. Согревание атмосферного воздуха происходит в носовой полости. Происходит это за счет наличия густой сети кровеносных сосудов, которые пронизывают слизистую оболочку носовых ходов и носоглотки.
Также происходит увлажнение воздуха, очищение его от пыли и обеззараживание — благодаря слизи, которая скапливается на реснитчатом эпителии тканей воздухоносных путей.
Человек может чувствовать запах воздуха, который он вдыхает — в этом ему помогает обонятельный анализатор. Следующий этап — воздух проходит через хоаны в гортань. Здесь находятся голосовые связки, которые составляют голосовой аппарат: они находятся между черпаловидным и щитовидным хрящом в виде двух парных складок слизистой оболочки. Плотность складок и сила их натяжения формируют тембр голоса.
При дыхании голосовая щель открыта свободно. Но если в глотку попадает пища, надгортанник закрывает вход в гортань.
Гортань плавно перетекает в трахею.
Трахея — мышечная трубка длиной примерно 13 см, которую поддерживают хрящевые кольца.
Трахея делится на два бронха, ветвящиеся в виде бронхиол и образующие бронхиальное дерево.
Легкие человека
Легкие находятся в грудной клетке: из надежно защищают ребра. Правое легкое включает 3 доли, левое — 2.
Ацинус — структурная единица легкого, совокупность бронхиол и альвеол, внешне напоминающие гроздь винограда.
Воздух попадает в альвеолы после того как проходит через трахею, бронхи и бронхиолы. Внутреннюю поверхность альвеол устилает суфрактант.
Суфрактант — пленка, обладающая бактерицидными свойствами, за счет которой альвеолы не слипаются.
Количество альвеол достигает 700 млн. Общая дыхательная поверхность составляет примерно 120 кв. м. Легкие защищают серозные мешки, состоящие из двух слоев: внутреннего (висцерального) и наружного (париетального). Наружный слой срастается со стенкой грудной полости. Между двумя слоями располагается плевральная полость — она сохраняет постоянное давление ниже атмосферного.
Ранение в плевральную полость приводит к попаданию в него воздуха. В результате наступает пневматоракс — легкое при вдохе перестает растягиваться и дыхательный цикл нарушается.
Читайте также: Свойство живой ткани возбудимость раздражимость
Жизненная емкость легких
Что такое жизненная емкость легких или кратко ЖЕЛ?
Жизненная емкость легких — максимальное количество воздуха, которое может выдохнуть человек после глубокого вдоха.
ЖЕЛ включает несколько вариантов объема:
- дыхательный. Количество воздуха, которое человек вдыхает и выдыхает, находясь в спокойном состоянии;
- дополнительный. Количество воздуха, выдыхыаемое человеком после спокойного вдоха;
- резервный. Воздух, которой человек может выдохнуть после спокойного выдоха.
Отметим, что легкие содержат воздух, который люди ни при каких обстоятельствах не смогут выдохнуть — остаточный объем, составляющий примерно 1000 см3.
Также стоит упомянуть о дыхательном мертвом пространстве — части дыхательных путей, где газообмен не происходит.
Газообмен в тканях и легких
При вдохе происходит смешение поступающего в легкие воздуха с воздухом, который находился в дыхательных путях после выдоха. Это говорит о том, что даже альвеолы при выдохе полностью не спадаются.
При дыхании замена воздуха в легких на новый происходит только на 15%. Происходит смешение свежего воздуха с тем, который уже был внутри.
Газы движутся в легких согласно законам парциального давления.
Парциальное давление — давление, которое газ оказывает в общей смеси газов.
Парциальное давление кислорода в альвеолах составляет 100 мм ртутного столба, в венозной крови — 40 мм ртутного столба. По этой причине кислород из альвеол переходит в кровяное русло. Парциальное давление углекислого газа в крове выше, чем в альвеолах — это объясняет тот факт, что углекислый газ покидает кровь и стремится к альвеолам.
В 99% весь кислород в крови находится в соединении с гемоглобином. 1% — доля растворенного в крови кислорода.
Транспортировка углекислого газа в большинстве случаев осуществляется не в чистом виде, а в различных соединениях — так образуются гидрокарбонаты и карбгемоглобин.
Регуляция дыхания
Регуляция дыхания происходит в зависимости от ситуации и того, насколько организм нуждается в кислороде. Под регуляцией понимают изменение глубины и частоты дыхания, которые происходят за счет нервной и гуморальной систем.
Дыхательный центр продолговатого мозга (в нем есть отдел вдоха и отдел выдоха) осуществляет нервную регуляцию.
У отдела вдоха есть анатомия: раз в 4 секунды здесь появляется возбуждение, которое идет к дыхательным путям — так происходит вдох. Когда альвеолы растягиваются, то в их стенках возникает возбуждение. Это возбуждение проводится по блуждающему нерву к центру выдоха, центр вдоха тормозится. Затем следует выдох, стенки альвеол спадаются, рецепторы возбуждаются на сжатие. От рецепторов импульсы проводятся в центр вдоха — происходит вдох.
Из описанного выше следует, что вдох рефлекторно вызывает выдох и наоборот.
На дыхательные движения влияет также кора больших полушарий, в результате чего люди сознательно могут менять частоту и глубину дыхательных движений.
Человек не думает о вдохе и выдохе: все происходит само по себе автоматически. Однако существует нервная регуляция, руководящая процессом дыхания. У продолговатого мозга есть два отдела:
- отвечающий за вдох;
- отвечающий за выдох.
Дыхательные мышцы получают сигнал от продолговатого мозга и начинают совершать движения, которые способствуют вдоху. После вдоха и растяжения альвеол поступает сигнал на выдох. Как только произошел выдох и сжатие стенок легких, поступает новый сигнал на вдох. Так повторяется снова и снова и образуется дыхательный цикл: вдох становится толчком для выдоха, а выдох — для вдоха.
Кашель (резкий выдох через рот) и чихание (резкий выдох через нос) — эффективные защитные опции дыхательной системы. Мы чихаем и кашляем по одной причине: когда происходит попадание чужеродного компонента на рецептор носовой полости или гортани. Рецепторы в таком случае мгновенно реагируют отсылкой сигнала продолговатому мозгу, который подает сигнал резко выдохнуть — чтобы очистить полости от чужеродных веществ.
- 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