10584 (Система органов дыхания), страница 3

Газообмен в легких

Стенки легочных альвеол состоят из однослойного плоского эпителия. Альвеолы оплетены густой сетью легочных капилляров и сетью соединительнотканных волокон, придающих им эластичность. Внутреннюю поверхность альвеол выстилает тонкая пленка фосфолипида — сурфактанта, понижающая поверхностное натяжение и препятствующая слипанию альвеол при выдохе. Общая поверхность альвеол около 100 м², т. е. в 50 раз превышает площадь тела. Стенки альвеол тонкие и влажные, что позволяет газам легко диффундировать согласно закону диффузии. Направление и скорость диффузии определяются парциальным давлением газа или его напряжением. (Парциальное давление и напряжение — это по сути дела синонимы, но о парциальном давлении говорят, если данный газ находится в газовой среде, а о напряжении, если он растворен в жидкости.)

Парциальным давлением газа называют ту часть общего давления газовой смеси, которая приходится на данный газ. Так, если атмосферное давление 760 мм рт. ст. и в атмосферном воздухе содержится 20,94% О₂, 0,Q3% CO₂ и 79,03% N₂, то легко рассчитать парциальное давление каждого газа в отдельности.

100% смеси газов имеют давление 760 мм рт. ст. 20,94% О₂ X

Рассчитанное таким же образом парциальное давление СО₂ составляет 0,2 мм рт. ст., N₂ — 600,8 мм рт. ст.

Зная состав альвеолярного воздуха, можно рассчитать парциальное давление газов в легких. Парциальное давление О₂ в альвеолах равно 102 мм рт. ст., СО₂ — 40, N₂ — 571 и водяных паров — 47 мм рт. ст.

В притекающей к капиллярам легких венозной крови напряжение О₂ составляет 40, а СО₂ — 47 мм рт. ст. (Азот в газообмене не участвует.) Животный организм не способен использовать азот воздуха. В 100 мл и артериальной, и венозной крови содержится 1 мл физически растворенного азота.)

Если над жидкостью находится смесь газов или две жидкости разделены проницаемой для газов перепонкой, то газы будут диффундировать от места большего давления к месту меньшего до тех пор, пока не установится динамическое равновесие. Механизм газообмена в живом организме объясняется законами диффузии.

Поскольку парциальное давление О₂ в альвеолах больше, чем в венозной крови, то кислород диффундирует из альвеолы в капилляры. Напротив, напряжение СО₂ больше в венозной крови, чем в альвеолярном воздухе, поэтому углекислый газ диффундирует в альвеолы. Условия для газообмена в легких настолько благоприятны, что, несмотря на то что время прохождения крови через капилляры легких составляет около 1 с, напряжение газов в артериальной крови, оттекающей от легких, таково, каким оно было бы и после длительного контакта, т. е. полностью соответствует парциальному давлению в альвеолярном воздухе.

Если вентиляция легких недостаточна и в альвеолах повышается содержание СО₂, то уровень СО₂ сейчас же повышается и в крови, что немедленно приводит к усилению дыхания. При тяжелом воспалении легких дыхание нарушается, наступает одышка, так как плазма крови просачивается в альвеолы и заполняет их, выключая дыхательную функцию большой части легких, поэтому больному дают дышать чистым кислородом.

Газообмен в тканях

В легких кровь из венозной превращается а артериальную, богатую О₂ и бедную СО₂. Артериальная кровь направляется к тканям, где в результате непрерывно идущих окислительных процессов потребляется О₂ и образуется СО₂. В тканях напряжение О₂ близко к нулю, а напряжение СО₂ около 60 мм рт. ст. Вследствие разности давления СО₂ из ткани диффундирует в кровь, а О₂ — в ткани. Кровь становится венозной и по венам поступает в легкие, где цикл обмена газов повторяется.

Перенес газов кровью

Человек в состоянии покоя в 1 мин потребляет в среднем 250 мл О₂ и выделяет при этом 200 мл СО₂. Газы очень слабо растворяются в жидкости: 100 мл крови могут физически растворить 0,3 мл О₂, 2,7 мл СО₂ и 1 мл N₂. В крови имеется удивительное вещество — гемоглобин (Нb), которое способно химически связывать О₂ и СО₂ и, кроме того, поддерживать постоянную реакцию крови. В 100 мл артериальной крови содержится 20 мл О₂, 52 мл СО₂ и 1 мл N₂. Как сказано выше, очень небольшая часть газов находится в состоянии простого физического растворения. Основное количество газов образует в крови непрочное химическое соединение, т. е. такое, которое легко распадается, диссоциирует при понижении давления газа над жидкостью.

Перенос кислорода. В эритроцитах находится пигмент крови — гемоглобин, содержащий железо. Одна молекула гемоглобина присоединяет четыре молекулы О₂, при этом гемоглобин превращается в оксигемоглобин (НЬО₂), а кровь из вишневой — венозной — становится ярко-алой — артериальной:

Hb + O₂ ↔HbO₂

Гемоглобин Оксигемоглобин

Эта реакция обратима. В легких гемоглобин насыщается кислородом и превращается в НЬО₂, в тканях кислород освобождается. Ход реакции зависит от напряжения кислорода в среде, окружающей капилляры. На ход реакции влияет напряжение СО₂. Если в тканях увеличивается образование СО₂, то ускоряется расщепление оксигемоглобина. В капиллярах легких снижается напряжение СО₂, так как газ переходит в альвеолы. Это способствует превращению гемоглобина в НЬО₂. Каждый грамм гемоглобина способен связать 1,34 мл О₂. В 100 мл крови содержится в норме около 15 г гемоглобина. Следовательно, кислородная емкость крови, т. е. то максимальное количество О₂, которое может поглотить 100 мл крови, равна 20,1 мл.

Гемоглобин способен соединяться не только с О₂, но и с другими газами. Особое значение имеет его способность химически связывать окись углерода, или угарный газ,— СО, продукт неполного сгорания угля или жидкого топлива. С ним гемоглобин образует соединение, в 150—300 раз более прочное, чем с О₂. Оно способно диссоциировать, но крайне медленно. В результате даже при ничтожном содержании СО в воздухе гемоглобин соединяется не с О₂, а с СО и превращается в карбоксигемоглобин (НbСО), при этом транспорт О₂ к клеткам прекращается. Если своевременно не принять меры (вынести человека на свежий воздух, в тяжелом случае переливание крови), то человек погибнет.

Перенос углекислого газа. Образовавшийся в тканях СО₂ вследствие разности напряжения диффундирует в плазму крови, а из нее — в эритроциты. В эритроцитах примерно 10% СО₂ соединяется с гемоглобином и образует непрочное химическое соединение — карбгемоглобин. Остальная часть соединяется с водой и превращается в угольную кислоту:

СО₂ + H₂О↔Н₂СО₃.

Эта реакция ускоряется в 20 000 раз особым ферментом — карбоангидразой, находящимся в эритроцитах. Реакция обратимая. В тканевых капиллярах, где напряжение СО₂ высокое, карбоангидраза способствует синтезу угольной кислоты, химическому связыванию СО₂ и идет слева направо. В легочных капиллярах, где давление СО₂ сравнительно низкое, реакция идет справа налево, образуются вода и СО₂, которая диффундирует в альвеолярный воздух. Угольная кислота в тканевых капиллярах реагирует с ионами натрия и калия и образует бикарбонаты (NaHCO₃, KHCO₃).

Таким образом, СО₂ транспортируется к легким в физически растворенном виде и в непрочном химическом соединении, в виде карбогемоглобина, угольной кислоты и бикарбонатов натрия и калия. Две трети его находится в плазме и треть — в эритроцитах.

Дыхание в особых условиях

Под особыми условиями понимают дыхание при пониженном или повышенном атмосферном давлении.

Повышенное давление. Создается повышенное давление в специальном приспособлении, в котором человек работает под водой. (Каждые 10 м глубины создают давление в 1 атм.) Например, при строительстве мостов, молов, под воду опускают специальный колокол — кессон, шахтная труба которого расположена над поверхностью воды и сообщается с декомпрессионной камерой. Вся система герметически закрыта. Чтобы вода не поступала под колокол, в кессоне создается повышенное давление. Если колокол опущен на глубину 100 м, то давление должно быть не менее 11 атм. При этом в крови и тканях работающих людей растворяется большое количество газов, из которых особенно опасным является азот. При быстром переходе от повышенного давления к нормальному происходит выделение газов и в жидкостях и тканях организма образуется большое количество газовых пузырьков, так же как при откупоривании бутылки с газированной водой. Пузырьки кислорода быстро поглощаются тканями. Газообразный азот не используется организмом. Образовавшиеся пузырьки азота закупоривают капилляры, что нарушает кровообращение. При постепенном снижении давления в декомпрессионной камере азот выводится через легкие наружу. Когда человек поднимается из колокола на поверхность, то в надводной шлюзовой (декомпрессионной) камере в течение нескольких часов медленно снижается давление.

Влияние пониженного давления. На уровне моря давление равно 760 мм рт. ст., т. е. 1 атм. В верхних слоях атмосферы давление меньше и соответственно ниже парциальное давление кислорода. На высоте 3000 м атмосферное давление уменьшается на ¹/₃ и составляет 510 мм рт. ст., 6000 м — на ¹/₂ (380.мм рт. ст.) и на высоте 9000 м оно снижается на ²/₃ атмосферы (200 мм рт. ст.).

На высоте до 3000 м человек чувствует себя вполне удовлетворительно. У него усиливается вентиляция легких, ускоряется кровообращение, а через некоторое время пребывания в горах увеличивается содержание гемоглобина. Таким образом, человек приспосабливается к пониженному давлению. При подъеме на высоту 4000—6000 м появляется гипоксемия — снижение напряжения кислорода в крови и возникают расстройства физиологических функций, получившие название горной болезни. Проявляется горная болезнь одышкой, цианозом, приступами удушья, сердцебиением, наблюдается носовое кровотечение, головокружение, рвота.

Гипоксия — недостаточное снабжение тканей кислородом — может возникнуть при недостатке кислорода во вдыхаемом воздухе (например, в горах), анемии — снижении содержания гемоглобина в крови, при отравлении угарным газом (СО), когда гемоглобин теряет способность транспортировать кислород.

Асфиксия (удушье) — состояние, когда прекращается не только доставка кислорода, но и выделение углекислого газа. Она возникает при прекращении дыхания, вызванном попаданием в трахею инородного тела, при отеке голосовой щели и др.

Искусственное дыхание. При остановке дыхания, вызванной любой причиной: наркозом, действием электрического тока, утоплением, если сердце продолжает работать, производят искусственное дыхание, или искусственную вентиляцию легких. Искусственное дыхание осуществляют либо при помощи специальных аппаратов, либо по методу рот в рот или рот в нос. Иногда удается восстановить деятельность дыхательного центра и, следовательно, естественное дыхание.

Защитные дыхательные рефлексы — кашель, чиханье. При воздействии раздражителей на слизистые оболочки воздухоносных путей, например при попадании в трахею инородных частиц или скоплении слизи в верхней части гортани, у человека рефлекторно происходит короткий глубокий выдох — кашлевой толчок, при котором сильной струей воздуха удаляются инородные тела.

При раздражении слизистой оболочки носа пылевыми частицами возникает рефлекторный акт — чиханье. Оно состоит из первоначального глубокого вдоха, а затем резкого короткого выдоха. Кроме того, чиханье может возникать как сигнал неравномерного охлаждения, например при соприкосновении босых ног с холодным полом.