Лекция6-Газообмен - 2 (1059343), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Выдох 
Здесь 
пропорционально 
, а не 
из-за влияния вихрей в местах бифуркаций дыхательных путях и турбулентности.
Коэффициент молекулярной диффузии кислорода в азоте
.
Предположим, что соотношения (7.6.) верны и в мелких дыхательных путях. Рассчитаем для 17-го поколения:
L=0,05 см, u=10 см/с, значит =0,5 
То есть величина примерно в 2 раза больше, чем 
. Таким образом, можно ожидать, что в легких человека усиленная диффузия важна.
7.4. Модель стационарного идеального газообмена в легких млекопитающих
Для описания газообмена удобно использовать понятие легочной единицы или газообменного резервуара – такого участка легких, в котором имеется одинаковый по объему газовый состав.
В простейших моделях легкие рассматриваются как одна легочная единица. В легких млекопитающих воздух входит и выходит через одну и ту же трубку, а объем легких V(t) и содержания газов являются функциями времени, т.е. такой газообмен является нестационарным как следствие конструкции (рис. 7.5). На основе этого представления о легочной единице строят модель нестационарного (периодического) газообмена.
Рис. 7.5. Газообменный резервуар в модели нестационарного (периодического) газообмена.
Более простыми являются модели стационарного газообмена. Газообмен может быть стационарным только в проточной системе (рис. 7.6.):
Рис. 7.6. Газообменный резервуар в модели стационарного газообмена
В этой модели газ входит в газообменный резервуар через одну трубку с объемной скоростью
, а выходит через другую трубочку со скоростью 
. Поступающий газ полностью перемешивается с тем газом, который там был, т.е. в газообменном резервуаре (альвеолярном пространстве) имеется однородный газовый состав. Стенки газообменного резервуара омываются кровью со скоростью q. Происходит полное выравнивание газового состава между воздухом в альвеолярном пространстве и газом в крови, оттекающей от легких. Такой газообмен называется стационарный идеальный газообмен.
Выведем уравнения газообмена в модели стационарного идеального газообмена.
Рассмотрим 3 вида газа (без воды): i=1 – кислород, i=2 – углекислый газ, i=3 – азот.
По определению, фракция газа 
– это отношение числа молекул i-го газа к общему числу молекул всех газов.
Соответственно давления газов равны:
(7.6.)
где 
- барометрическое (полное) давление, 47 – давление паров воды при температуре 370С, - фракционное содержание газов.
Дополнительные индексы I, E, A означают вдыхаемый, выдыхаемый и альвеолярный воздух соответственно.
По смыслу уравнения газообмена – это уравнения баланса. Тот газ, который вышел из альвеолярного воздуха, целиком перешел в кровь, которая оттекает от легких.
(7.7.)
В левой части уравнения – изменение газового состава крови, протекающей рядом с газообменным резервуаром. Входит венозная кровь, с концентрацией i-го газа, равной 
, а выходит артериальная кровь с концентрацией 
, зависящей от газообмена в альвеолярном пространстве. Коэффициент 
предназначен для перевода из одних единиц в другие, это множитель для перевода объемов от условий STPD к условиям BTPS. 
- величина кровотока.
В правой части уравнения (7.7.) – разность между количеством газа, вошедшим в резервуар через дыхательные пути и количеством газа, вышедшим из резервуара через дыхательные пути. В газообменный резервуар входит воздух с объемной скоростью , содержащий газы в количестве 
, а выходит, соответственно, воздух со скоростью , содержащий газы в количестве .
Из уравнения баланса массы азота удобно выразить
(7.8.)
Здесь PV3 - парциальное давление азота в венозной крови, αN2 коэффициент растворимости азота в крови.
Подставив в уравнение баланса массы кислорода и углекислого газа, получим:
(7.9.)
Так как азот не участвует в газообмене, то мы можем приравнять 
и 
.
В итоге система уравнений стационарного газообмена принимает вид:
здесь i =1, 2
, где j = 1, 2, 3
;
неизвестными величинами здесь являются PAj, FAj, где j= 1, 2, 3 и связанные с ними через кривые диссоциации содержания газов Cj
Решаются эти уравнения не так просто из-за того, что содержание газов в крови зависит не только от содержания кислорода в газообменном резервуаре, но и от содержания углекислого газа (в соответствии с эффектом Бора). В результате решения таких уравнений получается зависимость между парциальными давлениями углекислого газа и кислорода, которая называется линией вентиляционно-перфузионных отношений или кривой О2 – СО2 (рис. 7.7.).
Рис. 7.7. Линия вентиляционно-перфузионных отношений.
а- условия покоя, б – умеренная физическая нагрузка. Числа около кривых показывают величины отношения вентиляции к кровотоку.
Данная кривая – параметрическая, роль параметра выполняет величина 
. Видно, что если отношение вентиляции к кровотоку стремится к бесконечности, то газовый состав альвеолярного газа будет такой же, как в окружающем воздухе. Если отношение вентиляции к кровотоку стремится к нулю (т.е. вентиляция очень маленькая, а кровоток есть), то состав альвеолярного газа будет соответствовать составу венозной крови. В целом по легким отношение вентиляции к кровотоку равно 0,8, но разные участки имеют разное отношение и, соответственно, разный газовый состав.
Распределение кровотока, вентиляции и их отношения по высоте представлено на рис 7.8.
Рис 7.8. Распределение вентиляции и кровотока в легких человека в вертикальном положении.
Вентиляция меняется в различных участках легких из-за нелинейности кривой объем – давление легких.
Видно, что в верхушках легких и кровоток, и вентиляция меньше, чем в среднем по легким. Но кровоток меняется по высоте легких очень сильно, а вентиляция в основании немного больше, чем в верхушке. В результате, в основании легких отношение вентиляции к кровотоку маленькое (порядка 0,5), а в верхушках большое (около 3,5).
В верхушках легких отношение вентиляции к кровотоку больше, значит здесь больше кислорода и меньше углекислого газа. В основании же легких, наоборот, меньше кислорода и больше углекислого газа. После того, как выдыхаемый воздух смешивается, устанавливается смешанный состав, и кровь, которая оттекает от легких, тоже смешивается в левом предсердии. Так как в разных участках легких разный воздух, и оттекает различная по газовому составу кровь, то после смешивания между смешанной кровью и смешанным воздухом есть различие в газовых составах, хотя в каждом газообменном резервуаре наблюдалось равенство этих двух показателей. Это различие является основной причиной того, что газообмен в легких человека неидеален.
7.5. Динамика газообмена
Мы рассматривали газообмен в проточной системе, т.е. системе, в которой газ входит в газообменный резервуар через одну трубку, а выходит из другой. Если мы вернемся к реальным легким, в которых газ входит и выходит из альвеол через один и тот же бронх, то возникнет вопрос – как меняется поток во времени? В такой модели проанализировали влияние формы кривой потока воздуха. На рис. 7.9. представлены различные паттерны дыхания. Ломаная кривая – поток, сплошная – объем.
Рис. 7.9. Паттерны дыхания
Как различные паттерны дыхания влияют на работу дыхания и газообмен? Обнаружено, что и газообмен, и работа дыхания зависят от паттерна дыхания. Но выигрыш в газообмене (при наилучшем для газообмена паттерне) приводит к повышенной работе дыхательных мышц, т.е. проигрышу в энергетическом плане, то есть нет наилучшего вида дыхания.
7.6. Газообмен в легких животных
У человека (и у млекопитающих вообще) 
, т.е. парциальное давление кислорода в крови всегда меньше, чем во вдыхаемом воздухе.
Есть виды животных, у которых строение органов дыхания отлично от человека. Например, рыбы, жабры которых устроены по принципу противотока. В жабрах рыб кровоток и поток воды направлены друг на друга (рис. 7.10). Кровь втекает в жабры с некоторым низким парциальным давлением кислорода, а вода с высоким содержанием кислорода втекает с другой стороны жабр. В каждой точке жабр в воде парциальное давление кислорода больше, чем в крови, и благодаря этому происходит диффузия газов. Вытекающая кровь имеет более высокое парциальное давление кислорода, чем оттекающая вода. Такая система обладает высокой эффективностью транспорта газов.
Рис. 7.10. Схема обмена кислорода в жабрах рыб.
Легкие птиц устроены следующим образом:
Легкие представляют собой 2 мешка, соединенные системой трубочек (Рис. 7.11). В газообменном участке кровь и воздух идут почти в противотоке. На вдохе воздух попадает в первый и второй мешки и в газообменную трубку. Затем во второй фазе входной участок перекрывается «задвижкой», воздух из второго мешка выходит из системы дыхания, а воздух из первого мешка идет во второй мешок. За счет такой системы и изменений потоков, в легких птиц достигается почти противоточная система.
Рис. 7.11. Схема потоков воздуха в легких птиц.
10
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
