Внешнее дыхание. Механизм обновления воздуха в лёгких.
Дыханием называют процессы, обеспечивающие газообмен между организмом и внешней средой, а также газообмен внутри организма.
Газообмен между внешней средой и лёгочными альвеолами, или внешнее дыхание. Внешнее дыхание — это процесс, в ходе которого за счёт вентиляции лёгких обновляется часть газовой смеси в альвеолах. Кровь в зоне газообмена лёгочных капилляров обогащается кислородом и отдаёт диоксид углерода. Внешнее дыхание происходит благодаря изменению объёма грудной клетки.
Плевральная полость, вдох и выдох. *Плевральная полость: грудная полость и поверхность лёгких покрыты серозной оболочкой, или плеврой. Лёгкие покрывает висцеральный листок плевры, а к стенке грудной полости прикрепляется париетальный листок. Между обоими листками образуется герметично замкнутое щелевидное пространство — плевральная полость, заполненная серозной жидкостью. В плевральной полости давление ниже атмосферного, благодаря чему лёгкие расправлены и следуют за изменениями объёма грудной клетки. * Инспирация, или вдох: сокращаясь, мышцы вдоха поднимают рёбра, купол диафрагмы уплощается. В результате объём грудной клетки увеличивается, а внутрилёгочное давление становится ниже атмосферного. Возникающее отрицательное давление засасывает воздух в лёгкие. * Экспирация, или выдох: рёбра опускаются, диафрагма выгибается, объём грудной клетки уменьшается, и из-за повышения внутрилёгочного давления часть воздуха из лёгких выталкивается во внешнюю среду.
Дыхательный объём, вентиляция лёгких. * При спокойном дыхании в лёгкие поступает и удаляется за один вдох 0,4–0,6 л воздуха. *Вентиляция лёгких осуществляется при вдохе и выдохе. В результате происходит непрерывное обновление альвеолярного воздуха. В состоянии покоя частота дыхания может замедляться до шести раз в минуту, а при физической работе — возрастать более чем до 60 раз в минуту. В покое число дыхательных циклов в минуту обычно составляет 12–16 раз, то есть это минутный объём дыхания.
Жизненная ёмкость лёгких, или объём лёгких (ЖЕЛ). Это количество воздуха, выдыхаемое после вдоха максимальной глубины. В среднем оно составляет 3,5–5 л. Количество воздуха, выдыхаемое до максимальной глубины после вдоха максимальной глубины, — это экспираторная жизненная ёмкость (ЭЖЕЛ), а количество воздуха, вдыхаемое до максимальной глубины после выдоха максимальной глубины, — инспираторная жизненная ёмкость.
Газообмен между альвеолярным воздухом и кровью лёгочных капилляров, или диффузия в лёгких. Этот газообмен происходит путём диффузии от более высокого парциального (частичного) давления к более низкому. Под парциальным давлением (p) понимают ту часть общего давления, которая приходится на долю каждого газа в газовой смеси. Поскольку альвеолярное pO2 составляет 102 мм рт. ст., а в крови, окружающей альвеолы, — только 40 мм рт. ст., O2 вполне естественно диффундирует из альвеол в окружающую их кровь, и происходит её артериализация (образуется артериальная кровь). Диффузию CO2 из крови в альвеолярный воздух вызывает более высокое pCO2 в крови (47 мм рт. ст.) по сравнению с альвеолами.
Парциальное давление (p) — под ним понимают ту часть общего давления, которая приходится на долю каждого газа в газовой смеси. pO2 = 159 мм рт. ст.; pCO2 = 0,2 мм рт. ст.; pN2 = 600,8 мм рт. ст.
Парциальные давления газов в атмосферном воздухе. pO2 = 159,0 мм рт. ст.; pCO2 = 0,29 мм рт. ст.; pN2 = 600,8 мм рт. ст.
*Альвеолярные газы: pO2 = 103 мм рт. ст.; pCO2 = 40 мм рт. ст.; pN2 = 570 мм рт. ст.
*Кровь переносит кислород: 1) в физически растворённом виде (в крови его мало); 2) в связи с гемоглобином (Hb) — так переносится большая часть необходимого организму O2. Hb состоит из четырёх полипептидных цепей, каждая из которых содержит простетическую группу — гем. В каждом геме есть один двухвалентный атом железа; O2 связывается без изменения валентности атома железа и образует с гемом легко обратимое (нестойкое) соединение. Hb превращается в оксигемоглобин, и эта реакция называется оксигенацией. *Кровь переносит углекислый газ: 1) в растворённом виде в плазме крови и электролитах (плазма 5 %; эритроциты 7 %); 2) в связанном с белками виде: в эритроцитах — с Hb, а в плазме крови в небольшой степени — с её белками (11 %); 3) в виде гидрокарбоната (в основном в виде солей Na и K) в плазме крови и эритроцитах (плазма 94 %, эритроциты 82 %); 4) совсем немного — в виде недиссоциированной угольной кислоты.
Оксигемоглобин — нестойкое соединение, которое образуется при соединении O2 с гемоглобином. Одна молекула гемоглобина способна связать 4 молекулы O2, поскольку один Hb содержит 4 гема, в каждом из которых есть один атом железа, связывающий O2.
Кислородная ёмкость крови, объёмный процент CO2.
Газообмен между кровью капилляров и тканями. Переход кислорода из крови в ткани и удаление углекислого газа из тканей происходят благодаря диффузии этих газов через стенки капилляров. Причина диффузии газов — разница парциальных давлений. В тканях парциальное давление (O2) значительно ниже, чем в крови, поступающей в капилляры. Растворённый в плазме крови O2 диффундирует в тканевую жидкость, а оттуда — в клетки. Это вызвано разницей pO2 между кровью и клетками. В результате диффузии парциальное давление O2 в крови начинает падать. Соответственно снижению pO2 растёт отдача O2 гемоглобином. Высвободившиеся молекулы O2 переходят из эритроцитов в плазму крови, а оттуда — в ткани. В связи с этим pO2 крови снижается всё сильнее. Газообмену через стенки капилляров способствует и фильтрация жидкой части крови под действием кровяного давления. Вместе с фильтрационной жидкостью капилляры покидает и растворённый в крови кислород. Кровь капилляров большого круга кровообращения отдаёт тканям не весь O2. Если в артериальной крови объёмный процент O2 равен 19, то в оттекающей от тканей венозной крови он снижается до 11 %. Следовательно, ткани получили кислород в объёме 8 об. %. Разница объёмных процентов O2 между артериальной кровью, притекающей к тканям, и венозной кровью, оттекающей от них, называется артериовенозной разницей. Этот показатель характеризует, сколько кислорода отдаёт тканям каждые 100 мл крови. Чтобы узнать, какая доля переносимого кровью O2 уходит в ткани, рассчитывают коэффициент утилизации O2.
Регуляция дыхания.
Дыхательный центр и проходящие через него импульсы. Регуляция дыхания осуществляется нейрогуморальным путём; её обеспечивает расположенный в продолговатом мозге дыхательный центр (ДЦ), который состоит из центров вдоха и выдоха; от него импульсы идут к нервным клеткам спинного мозга, иннервирующим дыхательные мышцы. Вентиляцию лёгких можно уменьшить в зависимости от химического состава крови, протекающей через центр (гуморальная регуляция), и от афферентных сигналов, поступающих в дыхательный центр от рецепторов (безусловный рефлекс). В естественных условиях гуморальные и нервные механизмы действуют во взаимосвязи.
Из-за общей возбудимости дыхательного центра частота и глубина дыхания зависят от влияний, исходящих от высших отделов (мост, кора) и периферии (рецепторы растяжения лёгких и рецепторы скелетных мышц). Состояние возбуждения дыхательного центра изменяют парциальные давления CO2 и O2 в артериальной крови (повышение pCO2 и снижение pO2 в крови усиливают возбуждение дыхательного центра, в результате чего вентиляция лёгких увеличивается). Дыхательный центр очень чувствителен к изменениям CO2 в крови, к изменениям O2 — менее. На дыхательный центр влияет и молочная кислота, и сдвиг реакции крови в сторону повышения кислотности. CO2 действует на ДЦ не только при непосредственном контакте, но и рефлекторно — через хеморецепторы, расположенные в сосудах. Чувствительность последних к избытку CO2 и недостатку O2 значительно выше, чем у нервных клеток ДЦ. Влияния ДЦ получает и от рецепторов в лёгких (афферентные нервные импульсы из лёгких и импульсы, возникающие при раздражении проприорецепторов дыхательных мышц, проводятся в ДЦ через блуждающий нерв).
Апноэ. В определённых пределах человек может произвольно менять дыхание, задерживать его (апноэ) или гипервентилировать (это связано с деятельностью коры головного мозга). С деятельностью коры связаны и предстартовые изменения дыхательной активности (предстартовая лихорадка).
Дыхание при более низком и более высоком атмосферном давлении по сравнению с давлением воздуха на уровне моря. С более низким атмосферным давлением мы сталкиваемся в высокогорье и при полётах на большой высоте, если не пользуемся дыхательными аппаратами. На высоте более 4-5 км над уровнем моря, где pO2 падает до 96-80 мм рт. ст., признаки недостатка O2 проявляются уже в состоянии покоя, не говоря о физической работе. С более высоким атмосферным давлением мы сталкиваемся при водолазных, или кессонных, работах. Водяной столб высотой 10 м вызывает повышение давления на 1 атм (при 760 мм рт. ст. на уровне моря это не оказывает никакого влияния).
* Гипоксия — это нехватка O2 в воздухе; речь идёт о более низком атмосферном давлении, чем на уровне моря. *Гипоксемия — болезненное состояние, к которому приводит гипоксия, то есть нехватка O2 в воздухе ведёт к снижению содержания O2 в крови или к его отсутствию. Гипоксемия возникает, когда pO2 недостаточно для насыщения Hb кислородом. Насыщение Hb кислородом начинает снижаться, когда pO2 в атмосферном воздухе падает ниже 100 мм рт. ст. (норма 159 мм рт. ст.). *Кессонная болезнь, или декомпрессионная болезнь, возникает при быстром переходе из среды с более высоким давлением воздуха в среду с более низким. Это профессиональное заболевание, которое возникает у кессонных рабочих и водолазов. Кессонную болезнь вызывают пузырьки газа (N), образующиеся в крови и тканях. Чтобы избежать кессонной болезни, в кессонах используют газовую смесь, в которой часть азота воздуха заменена гелием или кислородом.
Дыхание при физической работе.
Потребностью в кислороде называют количество O2, расходуемое на процессы окисления при выполнении той или иной работы.
Кислородный потолок, или максимум потребления O2, то есть максимальная аэробная мощность, — это определённое максимальное значение O2, которое мышцы усваивают за минуту, независимо от того, насколько энергично работают лёгкие и сердце. Меньше этого мышцы могут получить O2, но не больше. Кислородный потолок — индивидуальный показатель, отражающий тренированность человека. Его проверяют либо на беговой дорожке, либо на эргометре, повышая тренировочную нагрузку.
*Истинное устойчивое состояние — при такой интенсивности работы, когда потребность в O2 в минуту не превышает кислородный потолок, между потребностью тканей в кислороде и доставкой O2 устанавливается достаточно быстрое равновесие. Внешне это проявляется в истинном устойчивом состоянии, при котором поглощение O2 в лёгких держится на определённом постоянном уровне, высота которого пропорциональна интенсивности работы и потребности в O2. * Кажущееся устойчивое состояние — при работе определённой интенсивности, когда потребность в O2 выше кислородного потолка, поглощение кислорода лёгкими может уравновешиваться. В этом случае устойчивое состояние кажущееся, поскольку использованное количество O2 не покрывает потребность организма в кислороде. Постоянный уровень потребления O2 в такой ситуации возникает с достижением кислородного потолка, то есть когда дальнейшее повышение потребления кислорода уже невозможно. Уровень кажущегося устойчивого состояния зависит не от интенсивности работы, а от максимальной производительности дыхания и кровообращения.
Кислородный долг, от чего он зависит. Если дыхание не способно обеспечить снабжение тканей O2, то есть потребность в O2 в минуту превышает кислородный потолок, мышцы работают в условиях нехватки O2. Размер кислородного долга зависит от интенсивности и продолжительности работы. Кислородный долг возникает и в условиях устойчивого состояния. В начале работы возникает временная недостаточность кислородного обеспечения из-за некоторого запаздывания в мобилизации кровеносной и дыхательной систем.
Автор: https://www.hingamiskeskus.ee/
Приходи на тренировку! ArtGym
