ГАЗООБМЕН В ЛЕГКИХ И ТКАНЯХ

Значение дыхания. 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.

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.

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.

Из таблицы 9 следует, что разность между напряжением газов в венозной крови и их парциальным давлением в альвеолярном воздухе составляет для кислорода ПО — 40 = 70 ммрт. ст., а для углекислого газа 47 — 40 — 7 мм рт. ст.

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 м2. 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).

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 \мин. Человеку в покое нужно примерно 25—30 мл кислорода в I 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—ПО 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.

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.