Механизмы регуляции газообмена (стр. 2 из 6)
Вдох осуществляется следующим образом: под влиянием нервных импульсов сокращаются мышцы, принимающие участие в дыхании (диафрагма, межреберные мышцы и др.). Диафрагма опускается (уплощается), за счет чего увеличивается вертикальный объем грудной полости. В этом акте принимают участие и другие мышцы, увеличивая горизонтальный объем легких. При вдохе легкие растягиваются, давление в них падает и становится ниже атмосферного. Таким образом создается разность давления между атмосферным и легочным воздухом, и наружный воздух устремляется в легкие. При выдохе мышцы расслабляются (диафрагма при этом поднимается), ребра опускаются, объем грудной клетки уменьшается, легкие сжимаются, давление в них повышается (выше атмосферного) и воздух по воздухоносным путям устремляется наружу. В спокойном состоянии взрослый человек дышит 16-20 раз в минуту. У детей дыхание более частое - до 60 вдохов в минуту. У нетренированных людей при физической нагрузке ритм дыхания учащается. Учащается дыхание при многих заболеваниях, но глубина его часто снижается. Во время сна дыхание урежается. Различают брюшной тип дыхания (преобладает у мужчин), когда объем грудной клетки увеличивается преимущественно в результате сокращения диафрагмы, и грудной (у женщин) - в результате сокращения других дыхательных мышц, когда увеличивается поперечный размер грудной клетки.
3. Условия, способствующие газообмену в легких. Потенциальные резервы легочного газообмена.
Обмен газов в легких происходит в альвеолах. Альвеолы лежат в сети эластичных соединительных волокон, выполняющих опорную функцию и придающих легким эластичность и упругость. Важное физиологическое значение в газообмене легких имеет сурфактант – нерастворимая в воде тонкая пленка фосфолипида, покрывающая внутреннюю поверхность альвеол и стабилизирующая силы поверхностного натяжения. Сурфактант, противодействуя влиянию сил поверхностного натяжения при изменении диаметра альвеол, препятствует развитию слипания альвеол – ателектазу. Общая поверхность всех альвеол, через которую диффундируют газы, составляет у взрослого человека примерно 100-120 м2, что более чем в 50 раз превышает поверхность кожи. Этим определяется резкое снижение роли кожи как органа дыхания у высших позвоночных, в том числе и у человека.
Стенки альвеол очень тонки, и газы легко диффундируют через них из полостей альвеол в кровеносные капилляры. Через легочные капилляры протекает около 5 л крови/мин. Суммарная толщина мембраны, разделяющей альвеолярный воздух и кровь, составляет 4 мкм и образована двумя слоями плоских клеток: эндотелия кровеносных капилляров и эпителиальных клеток, выстилающих поверхность альвеол. Скорость газообмена через мембрану достаточна велика, чтобы установилось почти полное равновесие между кровью, протекающей через легочные капилляры, и воздухом, содержащимся в альвеолах, хотя кровь пребывает в кровеносных капиллярах альвеол не более 2 с.
Система газообмена в легочной альвеоле и тканях:
1-полость легких, 2-альвеола, 3-кровеносные капилляры легких, 4-кровеносные капилляры тканей, 5-клетки тканей, 6-система наружного дыхания, 7-система внутреннего дыхания
Для физиологических процессов газообмена основное значение имеет парциальное давление, которое развивают газы в альвеолах (пропорционально их процентному содержанию).
Таблица. Состав воздуха, %
| Воздух | О2 | СО2 | N |
| Вдыхаемый | 20,9-21,00 | 0,02-0,03 | 79,02-78,97 |
| Выдыхаемый | 16,40 | 4,10 | 79,50 |
| Альвеолярный | 13,70 | 5,6 | 80,70 |
Атмосферный воздух значительно меняет свой газовый состав в результате газообмена с кровью в легочных альвеолах.
| Газы воздуха | Парциальное давление, мм рт. ст. (кПа) |
| Водяные пары | 47 (6,3) |
| Азот | 571 (76,1) |
| Кислород | 102 (13,6) |
| Диоксид углерода | 40 (5,3) |
Диффузия О2 и СО2 происходит вследствие разности между парциальным давлением этих газов в альвеолярном воздухе и напряжением их в крови. Напряжение СО2 и О2 есть концентрация этих газов в газовой смеси, с которой растворимые газы находятся в равновесии при атмосферном давлении. Каждый газ растворяется в жидкости в зависимости от своего парциального давления. Напряжение О2 в артериальной крови равно 100 мм рт. ст., а СО2 – 40 мм рт. ст., в венозной крови соответствующие значения этих величин – 40 и 46 мм рт. ст. В альвеолярном воздухе парциальное давление О2 составляет 102, а СО2 – 40 мм рт. ст. Разность между напряжением газов в венозной крови и их давлением в альвеолярном воздухе равна для О2 примерно 62, а для СО2 – 6 мм рт. ст. Вследствие более низкого парциального давления СО2 в альвеолярном воздухе (по сравнению с напряжением его в венозной крови) он переходит путем диффузии из крови легочных капилляров альвеолярный воздух. В результате более низкого парциального давления О2 в альвеолярном воздухе, по сравнению сего напряжением в венозной крови, О2 поступает из альвеолярного воздуха в кровь капилляров легких. Потребность человека в кислороде составляет примерно 350 мл/мин (при физической работе эта величина возрастает до 5000 мл/мин). Условия газообмена в альвеолах легко обеспечивают такой уровень потребления О2 организмом: разности в парциальных давлениях в 1 мм рт. ст. уже достаточно, чтобы в кровь из альвеол перешло 250 мл О2 (реально наблюдаемая разность напряжений О2 в альвеолярном воздухе и крови составляет 62 мм рт. ст.).
Обмен О2 и СО2 в легких включает диффузию газа через жидкость: О2 диффундирует вначале из альвеолярного воздуха в плазму крови, а затем из плазмы в эритроциты и соединяется с гемоглобином, образуя оксигемоглобин. В то время как диффузия газов через газовую среду есть простая функция молекулярной массы, диффузия газа через жидкость определяется расстоянием и концентрационным градиентом. Эта зависимость описывается законом Фика: Ф=∆dv/dx, где Ф – скорость диффузии на единицу поверхности, а dv/dx – математическое выражение, характеризующее интенсивность диффузии с расстоянием v. Диффузионная константа ∆ варьирует при изменении температуры и давления. При давлении примерно в 100 кПа (1 атм) ∆ увеличивается на 3% на каждый 1°С.
Рис. Обмен газов через стенку альвеолы
4. Жизненная емкость легких, дыхательный, дополнительный, резервный остаточный воздух. Минутный объем дыхания (МОД). Возрастные особенности внешнего дыхания.
Легкие окружены герметически замкнутой плевральной полостью, в которой содержится 1—5 мл серозной жидкости, распределенной по легочной поверхности тонким слоем (толщина этого слоя 5—10 мкм). Благодаря этому висцеральный и париетальный листки плевры способны скользить относительно друг друга, что позволяет легким следовать за изменениями формы грудной клетки, не деформируясь.
В спокойном состоянии взрослый человек вдыхает и выдыхает в среднем 500 см3 воздуха (от 300 до 600). Этот объем воздуха называется дыхательным. Не весь дыхательный объем поступает в легочные альвеолы. Часть поглощенного воздуха остается в ротовой полости, носоглотке, гортани, трахее и бронхах. Эта часть дыхательных путей, в которых поглощенный воздух не приходит в соприкосновение с кровью, называется мертвым или вредным пространством. Его объем у взрослого человека равен 140-160 см3 и несколько увеличивается при расширении бронхов вследствие расслабления их мускулатуры и , наоборот, уменьшается при сужении бронхов, сокращении их мускулатуры.