Где происходит газообмен

Газообмен

Газообмен — обмен газов между организмом и внешней средой, т. е. дыхание. Из окружающей среды в организм непрерывно поступает кислород, который потребляется всеми клетками, органами и тканями; из организма выделяются образующийся в нём углекислый газ и незначительное количество др. газообразных продуктов метаболизма. Газообмен необходим почти для всех организмов, без него невозможен нормальный обмен веществ и энергии, а, следовательно, и сама жизнь.

Кислород, поступающий в ткани, используется для окисления продуктов, образующихся в итоге длинной цепи химических превращений углеводов, жиров и белков. При этом образуются CO₂, вода, азотистые соединения и освобождается энергия, используемая для поддержания температуры тела и выполнения работы. Количество образующегося в организме и, в конечном итоге, выделяющегося из него CO₂ зависит не только от количества потребляемого О₂, но и от того, что преимущественно окисляется: углеводы, жиры или белки. Отношение удаляемого из организма CO₂ к поглощённому за то же время O₂ называется дыхательным коэффициентом, который равен примерно 0,7 при окислении жиров, 0,8 при окислении белков и 1,0 при окислении углеводов. Количество энергии, освобождающееся на 1 л потребленного O₂ (калорический эквивалент кислорода), равно 20,9 кДж (5 ккал) при окислении углеводов и 19,7 кДж (4,7 ккал) при окислении жиров. По потреблению O₂ в единицу времени и по дыхательному коэффициенту можно рассчитать количество освободившейся в организме энергии.

Газообмен (соответственно и расход энергии) у пойкилотермных животных (холоднокровных) понижается с понижением температуры тела. Такая же зависимость обнаружена и у гомойотермных животных (теплокровных) при выключении терморегуляции (в условиях естественной или искусственной гипотермии); при повышении температуры тела (при перегреве, некоторых заболеваниях) газообмен увеличивается.

При понижении температуры окружающей среды газообмен у теплокровных животных (особенно у мелких) увеличивается в результате увеличения теплопродукции. Он увеличивается также после приёма пищи, особенно богатой белками (т. н. специфически-динамическое действие пищи). Наибольших величин газообмен достигает при мышечной деятельности. У человека при работе умеренной мощности он увеличивается, через 3–6 мин. после её начала достигает определённого уровня и затем удерживается в течение всего времени работы на этом уровне. При работе большой мощности газообмен непрерывно возрастает; вскоре после достижения максимального для данного человека уровня (максимальная аэробная работа) работу приходится прекращать, так как потребность организма в O₂ превышает этот уровень. В первое время после окончания работы сохраняется повышенное потребление O₂, используемого для покрытия кислородного долга, то есть для окисления продуктов обмена веществ, образовавшихся во время работы. Потребление O₂ может увеличиваться с 200–300 мл/мин. в состоянии покоя до 2000–3000 при работе, а у хорошо тренированных спортсменов — до 5000 мл/мин. Соответственно увеличиваются выделение CO₂ и расход энергии; одновременно происходят сдвиги дыхательного коэффициента, связанные с изменениями обмена веществ, кислотно-щелочного равновесия и лёгочной вентиляции.

Расчёт общего суточного расхода энергии у людей разных профессий и образа жизни, основанный на определениях газообмена важен для нормирования питания. Исследования изменений газообмена при стандартной физической работе применяются в физиологии труда и спорта, в клинике для оценки функционального состояния систем, участвующих в газообмене.

Сравнительное постоянство газообмена при значительных изменениях парциального давления O₂ в окружающей среде, нарушениях работы органов дыхания и т. п. обеспечивается приспособительными (компенсаторными) реакциями систем, участвующих в газообмене и регулируемых нервной системой.

У человека и животных газообмен принято исследовать в условиях полного покоя, натощак, при комфортной температуре среды (18–22 °C). Количества потребляемого при этом O₂ и освобождающейся энергии характеризуют основной обмен. Для исследования применяются методы, основанные на принципе открытой либо закрытой системы. В первом случае определяют количество выдыхаемого воздуха и его состав (при помощи химических или физических газоанализаторов), что позволяет вычислять количества потребляемого O₂ и выделяемого CO₂. Во втором случае дыхание происходит в закрытой системе (герметичной камере либо из спирографа, соединённого с дыхательными путями), в которой поглощается выделяемый CO₂, а количество потребленного из системы O₂ определяют либо измерением равного ему количества автоматически поступающего в систему O₂, либо по уменьшению объёма системы.

Газообмен у человека происходит в альвеолах легких и в тканях тела.

Газообмен в тканях и легких. Строение дыхательной системы

Одной из важнейших функций организма является дыхание. Во время него происходит газообмен в тканях и легких, при котором поддерживается окислительно-восстановительный баланс. Дыхание – это сложный процесс, обеспечивающий кислородом ткани, использование его клетками при метаболизме, а также удаление негативных газов.

Этапы дыхания

Чтобы понять, как происходит газообмен в тканях и легких, необходимо знать этапы дыхания. Всего их три:

1. Внешнее дыхание, при котором происходит газообмен между клетками организма и внешней атмосферой. Внешний вариант делится на обмен газов между внешнем и внутренним воздухом, а также на обмен газами между кровью легких и альвеолярным воздухом.
2. Транспортировка газов. Газ в организме находятся в свободном состоянии, а остальная часть переносится в связанном состоянии гемоглобином. Газообмен в тканях и легких происходит именно через гемоглобин, в котором содержится до двадцати процентов углекислого газа.
3. Тканевое дыхание (внутреннее). Данный вид можно разделить на обмен газами между кровью и тканями, и на усвоение клетками кислорода и выделение различных продуктов жизнедеятельности (метана, углекислого и т. д.).

В процессах дыхания принимают участие не только легкие и дыхательные пути, но и мышцы грудной клетки, а также головной и спинной мозг.

Процесс газообмена

Во время насыщения воздухом легких и при выдохах происходит его изменение на химическом уровне.

В выдыхаемом воздухе при температуре ноль градусов и при давлении 765 мм рт. ст., содержится около шестнадцати процентов кислорода, четыре процента углекислого газа, а остальное – азот. При температуре 37 о С воздух в альвеолах насыщается парами, при этом процессе изменяется давление, падая до пятидесяти миллиметров ртутного столба. При этом давление газов в альвеолярном воздухе составляет чуть больше семисот мм рт. ст. В этом воздухе содержится пятнадцать процентов кислорода, шесть – углекислого газа, а остальное – это азот и прочие примеси.

Для физиологии газообмена в легких и тканях имеет большое значение разница парциального давления и между углекислым газом и кислородом. Парциальное давление кислорода составляет около 105 мм рт. ст., а в венозной крови оно в три раза меньше. Из-за этой разницы кислород поступает из альвеолярного воздуха в венозную кровь. Таким образом, происходит ее насыщение и превращение в артериальную.

Парциальное давление СО₂ в венозной крови менее пятидесяти миллиметров ртутного столба, а в альвеолярном воздухе – сорок. Из-за этой небольшой разницы углекислый газ переходит из венозной крови в альвеолярную и выводится организмом при выдохе.

Газообмен в тканях и легких осуществляется при помощи капиллярной сетки сосудов. Через их стенки происходит насыщение кислородом клеток, а также удаляется углекислый газ. Этот процесс наблюдается только при разнице в давлении: в клетках и тканях кислородное доходит до нуля, а давление углекислого газа составляет около шестидесяти мм рт. ст. Это позволяет проходить СО₂ из клеток в сосуды, превращая кровь в венозную.

Транспорт газов

Во время внешнего дыхания в легких происходит процесс превращения венозной крови в артериальную путем соединения кислорода с гемоглобином. В результате такой реакции образуется оксигемоглобин. При достижении клеток организма этот элемент распадается. В соединении с бикарбонатами, которые образуются в крови, углекислота поступает в кровь. В результате образуются соли, но при этом процессе реакция ее остается неизменной.

Достигнув легких, бикарбонаты распадаются, отдавая оксигемоглобину щелочной радикал. После этого бикарбонаты превращаются в углекислый газ и водяные пары. Все эти вещества распада выводятся из организма во время выдоха. Механизм газообмена в легких и тканях производится путем превращения углекислого газа и кислорода в соли. Именно в таком состоянии эти вещества транспортируются кровью.

Роль легких

Основная функция легких – это обеспечение обмена газами между воздухом и кровью. Этот процесс возможен из-за огромной площади органа: у взрослого человека она составляет 90 м 2 и почти такой же площадью сосудов МКК, где происходит насыщение венозной крови кислородом и отдача углекислого газа.

Во время выдоха из организма выводится более двухсот различных веществ. Это не только углекислый газ, но и ацетон, метан, эфиры и спирты, пары воды и т. д.

Помимо кондиционирования, функция легких заключается в защите организма от инфекции. При вдохе, все патогенные вещества оседают на стенках дыхательной системы, в том числе альвеол. В них содержатся макрофаги, захватывающие микробов и уничтожающие их.

Макрофаги вырабатывают хемотаксические вещества, которые привлекают гранулоциты: они выходят из капилляр и принимают прямое участие в фагоцитозе. После поглощения микроорганизмов, макрофаги могут переходить в лимфатическую систему, где может происходить воспаление. Патологические агенты заставляют вырабатывать лейкоцитарные антитела.

Функция метаболизма

Особенности функций легких включает метаболическое свойство. Во время обменных процессов происходит образование фосфолипидов и белков, их синтез. Также в легких происходит синтез гепарина. Дыхательный орган участвует в образовании и разрушении биологически активных веществ.

Общая схема дыхания

Особенность строения дыхательной системы позволяет воздушным массам легко проходить по дыхательным путям и попадать в легкие, где происходят обменные процессы.

Воздух попадает в дыхательную систему через носовой ход, затем проходит по ротоглотке в трахею, откуда масса доходит до бронхов. После прохождения через бронхиальное дерево воздух попадает в легкие, где и происходит обмен между разными типами воздуха. Во время этого процесса кислород поглощается клетками крови, превращая венозную кровь в артериальную и доставляя ее к сердцу, а оттуда она разносится по всему организму.

Анатомия дыхательной системы

Строение дыхательной системы выделяет воздухоносные пути и собственно дыхательную часть. Последняя представлена легкими, где происходит газообмен между воздушными массами и кровью.

Воздух проходит в дыхательную часть по воздухоносным путям, представленными полостью носа, гортанью, трахеей и бронхами.

Воздухоносная часть

Начинается дыхательная система носовой полостью. Она разделена на две части хрящевой перегородкой. Спереди каналы носа сообщаются с атмосферой, а сзади – с носоглоткой.

Из носа воздух попадает в ротовую, а затем в гортанную часть глотки. Здесь происходит скрещивание дыхательной и пищеварительной систем. При патологии носовых ходов, дыхание может осуществляться через рот. В этом случае воздух также будет попадать в глотку, а затем в гортань. Она располагается на уровне шестого шейного позвонка, образуя возвышение. Эта часть дыхательной системы может смещаться во время разговора.

Через верхнее отверстие гортань сообщается с глоткой, а снизу орган переходит в трахею. Она является продолжением гортани и состоит из двадцати неполных хрящевых колец. На уровне пятого грудного позвоночного сегмента трахея разделяется на пару бронхов. Они направляются к легким. Бронхи разделены на части, образуя перевернутое дерево, которое как бы проросло ветвями внутрь легких.

Дыхательную систему завершают легкие. Они расположены в грудной полости по обеим сторонам от сердца. Легкие делятся на доли, каждая из которых разделяется на сегменты. Они имеют форму неправильных конусов.

Сегменты легких разделяются на множество частей – бронхиол, на стенках которых располагаются альвеолы. Весь этот комплекс получил название альвеолярный. Именно в нем происходит газообмен.

Газообмен

Газообмен в легких

Строение альвеол

Обмен газов в легких происходит в альвеолах.

Широкие трубки бронхов с хрящевой и мышечной основой разветвляются на бронхиолы, которые постепен­но теряют хрящ, но сохраняют мышечные элементы. Они переходят в альвеолярные ходы, образуя перед самым входом в альвеолу некоторое подобие сфинктера. Эта анатомическая особенность указывает на возможность регулирования притока воздуха к альвеолам. Альвеолярные ходы с многочисленными выпячиваниями их стенок, представляющими легочные альвеолы, являются конечными ка­налами. Число альвеол в легких исчисляется сотнями миллионов.

Стенки альвеол очень тонки (0,004 мм) и построены из основной мембраны и тонкого слоя эпителия. С внешней стороны к ним прилегает богатая сеть крове­носных капилляров (рис. 74). Следует отметить, что сосудистая сеть капилляров в альвеолах проявляет способность к самостоя­тельным сокращениям, которые происходят периодически под каки­ми-то нам не известными влияниями, создавая в альвеолах изменения кровотока. Состояние эпителия стенок альвеолы может отражаться на проницаемости клеточных мембран для кислорода и углекислоты.

Состав воздуха

Состав вдыхаемого воздуха

В атмосферном воздухе содержится 20,94% кислорода, 0,03% углекислого газа, 79,3% азота. Содержание других газов очень незначительно.

Состав выдыхаемого воздуха

В выдыхаемом воздухе содержание кислорода составляет 16,3 %, углекислого газа 4%, азота 79,7%. В составе выдыхаемого воздуха содержится 16,3% кислорода, 4% углекислого газа и 79,7% азота.

Состав альвеолярного воздуха

Обмен газов в легких возможен только при разнице напряже­ния газов (рис. 75). При вдохе воздух проходит не дальше мелких бронхов, так как дальше место занято запасным (альвеолярным) воздухом. Состав альвеолярного воздуха точно выяснен. Раньше его получали сложными методами с введением особого катетера в легкие. Теперь это делается проще, так как выяснено, что послед­ние порции воздуха при усиленном выдохе имеют состав альвео­лярного.

Разница в напряжении газов в альвеолярном и вдыхаемом воз­духе ведет к появлению тока кислорода в глубину легких и угле­кислоты ему навстречу. Поэтому выдыхаемый воздух имеет совсем иной состав:

Диффузия газов

Во время вдоха атмосферный воздух через дыхательные пути поступает в альвеолы. Происходит обмен газов между альвеолами и стенками мельчайших кровеносных сосудов вокруг них путем диффузии. Установлено, что между напря­жением кислорода и углекислоты в альвеолярном воздухе, в срав­нении с напряжением их в крови, всегда существует разница, заставляющая кислород проходить в кровь, а углекислоту обратно, т. е. обмен газов здесь происходит путем только диффузии через очень тонкую стенку (около 1р.) (рис. 76). В альвеолярном воздухе кислород находится под повышенным давлением, а в крови — углекислый газ. В спокойном состоянии человек поглощает из атмосферного воздуха 250-300 мл кислорода в минуту (рис. 37).

Однако было бы невер­но считать, что живой эпителий относится к проникновению газов совершенно пассивно. Как бы ни были тонки клетки эпителия, все же у них есть одна сторона, обращенная к воздушному пространству альвеол, и другая сторона, прилегающая к лимфе, отделяющей ее от кровеносных сосудов. Ясно, что обе эти стороны не могут иметь один и тот же коэффициент проницаемости для газов. Состояние клеток эпителия характерно именно тем, что проницаемость их постоянно меняется. Кроме того, следует иметь в виду, что на боль­ших высотах парциальное давление газов падает настолько, что объяснить проникновение кислорода из легких в кровь становится затруднительным, если не считать, что клеточный состав альвеол активно участвует в проведении через него газов. Вместе с тем, надо помнить, что очень тонкий эпителий альвеол успешно сопротив­ляется прохождению через него жидкости (крови, лимфы).

Газообмен в тканях

В клетках и тканях происходит обмен газов — поглощается кислород и выделяется углекислота. Материал с сайта http://wiki-med.com

Перешедший путем диффузии из легочных альвеол в кровь кислород, соединяясь с гемоглобином красных кровяных телец — эритроцитов, доставляется ко всем тканям в организме человека.

Образование углекислоты в тканях определяется по увеличению ее количества в венозной крови в сравнении с артериальной.

Обмен газов между кровью и тканями (клетками) также как и газообмен между легочными альвеолами и кровеносными сосудами, происходит путем диффузии. Так как кислород в крови находится под большим давлением, он переходит в ткани, а в тканях углекислый газ, находящийся под большим давлением, переходит в кровь. Клетки отделены от крови лимфой, поэтому газы переходят сначала в лимфу, а из нее передаются в кровь.

Потребление кислорода в тканях определяется по умень­шению его содержания в артериальной крови по сравнению с ве­нозной, причем это уменьшение всегда происходит в капиллярах большого круга кровообращения. Потребление кислорода в тка­нях можно показать на старом и простом опыте. Кусочек переживаю­щего органа кладут в пробирку с артериальной кровью, которая быстро темнеет и превращается в венозную.

Источники:

http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/329691
http://www.syl.ru/article/342029/gazoobmen-v-tkanyah-i-legkih-stroenie-dyihatelnoy-sistemyi
http://wiki-med.com/%D0%93%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%BE%D0%B1%D0%BC%D0%B5%D0%BD