ВНЕШНЕЕ ДЫХАНИЕ И ТРАНСПОРТ ГАЗОВ КРОВЬЮ

Дыханием называется совокупность процессов, в результате которых происходит потребление организмом кислорода и выделение углекислого газа. Процессы эти обеспечивают газообмен в условиях, когда клетки организма непосредственно с вешней средой не контактируют.

Дыхание объединяет следующие процессы: 1) внешнее дыхание, 2) диффузию газов в легких, 3) транспорт газов кровью, 4) диффузию газов в тканях, 5) потребление кислорода клетками и выделение ими углекислого газа (т.н. внутреннее дыхание). В курсе физиологии рассматриваются обычно вопросы, связанные с течением первых четырех процессов, механизмы их регуляции и особенности протекания в различных условиях. Внутреннее дыхание исследуется в курсах биохимии и биофизики.

Внешнее дыхание .

Внешнее дыхание, т.е. обмен воздуха между альвеолами легких и внешней средой, осуществляется в результате ритмических дыхательных движений.

Механизм вдоха. Акт вдоха (инспирация) совершается вследствие увеличения объема грудной клетки, а, следовательно, и грудной полости, в трех направлениях - вертикальном, сагиттальном и фронтальном. Это происходит вследствие поднятия ребер и опускания диафрагмы. Поднятие ребер совершается в результате сокращения наружных межреберных мышц, межреберные промежутки при этом расширяются.

В первые месяцы после рождения дыхательные движения осуществляются в основном за счет сокращения диафрагмы. Новорожденные животные погибают после перерезки диафрагмального нерва. У разных людей в зависимости от возраста и пола, одежды и условия труда дыхание осуществляется преимущественно или за счет межреберных мышц (реберный, грудной тип дыхания), или за счет диафрагмы (диафрагмальный, брюшной тип дыхания.) Тип дыхания не является строго постоянным и может приспособляться к условиям данного момента. При переносе тяжестей грудная клетка фиксируется мышцами туловища и межреберий неподвижно вместе с позвоночником, дыхание же становится диафрагмальным. При беременности - преобладает реберный тип дыхания, причем изменятся в основном поперечный размер грудной клетки.

Механизм выдоха (экспирации). При вдохе инспираторные мышцы человека преодолевают ряд сил: тяжесть приподнимаемых ребер, эластическое сопротивление реберных хрящей, сопротивление стенок живота и брюшных внутренностей, отдавливающих диафрагму верх. Когда вдох окончен, под влиянием указанных сил ребра опускаются и купол диафрагмы приподнимается. Объем грудной клетки вследствие этого уменьшается, Следовательно, экспирация происходит обычно пассивно, без участия мускулатуры. При форсированном выдохе к этим силам присоединяется сокращение внутренних межреберных мышц, мышц живота и задних зубчатых мышц.

Изменение объема легких при дыхании. Легкие отделены от стенок грудной полости плевральной полостью (щелью). При вдохе, когда объем грудной клетки увеличивается, давление в плевральной полости уменьшается (примерно на 2 мм.рт.ст.), объем легких растет и давление в них падает. Поэтому воздух через воздухоносные пути входит (засасывается) в легкие. При выдохе, когда объем грудной клетки и грудной полости уменьшается, давление в плевральной щели немного увеличивается (на 3-4 мм. рт. ст.), растянутая легочная ткань сжимается , в легких повышается давление и воздух выходит из легких. Непосредственные измерения показывают, что давление в плевральной полости во время вдоха на 9 мм, а во время выдоха на 6 мм ниже атмосферного. Следовательно, в плевральной полости оно отрицательно.

Отрицательное давление в плевральной полости создается эластической тягой легких. Легкие в грудной клетке всегда находятся в растянутом состоянии, причем растяжение это увеличивается во время вдоха. Если вскрыть грудную полость, легкие спадаются и занимают примерно 1/3 грудной полости. Попадание воздуха в плевральную полость называетсяпневмотораксом. Двусторонний пневмоторакс делает дыхание невозможным и ведет к смерти.

Эластическая тяга легких обусловлена двумя факторами: наличием в стенке альвеол большого количества эластических волокон, и поверхностным натяжением пленки жидкости, покрывающей стенки альвеол. Внутренняя поверхность стенки альвеол покрыта нерастворимой в воде тонкой (10-100 ммк) пленкой фосфолипида, называемого сурфоктантом, который стабилизирует силы поверхностного натяжения. Сурфоктан препятствует слипанию альвеол. При отсутствии этого вещества у новорожденных легкие не расправляются. Сурфортант образуется в т.н. гранулярных пневмоноцитах.

Легочные объемы. При различных положениях грудной клетки легкие содержат

разное количество воздуха. Различают четыре основных положения грудной клетки:

1) положение максимального вдоха, 2) положение спокойного вдоха, 3) положение максимального выдоха, 4) положение спокойного выдоха.

Состояние после спокойного выдоха называют уровнем спокойного дыхания. Он является исходной точкой для определения всех легочных объемов и емкостей.

Объем воздуха, находящееся в легких после максимального вдоха, составляет общую емкость легких (ОЕЛ). Она состоит из жизненной емкости легких (ЖЕЛ, количества воздуха, которое может быть выдохнуто при максимальном выдохе после максимального вдоха), и остаточного объема (ОО, количества воздуха, которое остается в легких после максимального выдоха).

ЖЕЛ (жизненная емкость легких) включает в себя состоит три легочных объема: -

- дыхательный объем (ДО) - объем воздуха, обмениваемый при каждом дыхательном цикле;

- резервный объем инспирации (РОИ) - объем воздуха, который можно вдохнуть при максимальном вдохе после спокойного вдоха;

- резервный объем экспирации (РОЭ) - объем, который можно выдохнуть при максимальном выдохе после спокойного выдоха.

При спокойном дыхании в легких остается РОЭ и ОО. Сумма их носит название функциональной остаточной емкости (ФОЕ). Сумма ДО и РОИ называется емкостью вдоха (ЕВ).

После полного спадения легких при двустороннем пневмотораксе в легких остается т.н. коллапсный воздух, который не дает утонуть легкому человека, сделавшему после рождения хотя бы один вдох.

Считается, что в номе ОО по отношению к ЖЕЛ составляет у здорового взрослого человека 30%, ДО - 15-20%, РОИ и РОЭ - по 40-45%.

Так как легочные объемы зависят от возраста, роста, пола и веса, то для суждения о том, соответствуют ли легочные объемы данного лица нормальным величинам, их следует сравнивать с так называемыми должными величинами. Существует много различных методов расчета должной жизненной емкости легких (ДЖЕЛ), разные формулы , таблицы и номограммы. Их Вы изучите на занятиях.

В норме ЖЕЛ не должна отличаться от ДЖЕЛ на 15%.

Каждый из легочных объемов и емкостей имеет определенное физиологическое значение. Наиболее широко при различных исследованиях используется ЖЕЛ. Снижение ЖЕЛ происходит при стенозе дыхательных путей, при уменьшении дыхательной поверхности легких, при увеличении кровенаполнения легких (застое, отеках). Кроме этого, ЖЕЛ снижется при всех состояниях, препятствующих максимальному расправлению легкого и грудной клетки (экссудат в плевральной полости, пневмоторакс, пневмония, эмфизема, асцит, беременность, ожирение, окостенение хрящей, мышечная слабость, травма грудной клетки и т.п.).

ДО - (дыхательный объем, глубина дыхания) связан с поддержанием определенного уровня парциального давления кислорода и углекислоты в альвеолярном воздухе и обеспечивает нормальное напряжение газов в крови. При спокойном дыхании ДО колеблется от 300 до 500 мл. Величина ДО связана частотой дыхания - обычно глубокое дыхание бывает редким, поверхностное - частым. Во время мышечной работы ДО может увеличиваться в несколько раз, становясь близким к ЖЕЛ.

РОИ - (резервный объем вдоха) определяет способность к увеличению количества вентилируемого воздуха, необходимость в котором имеет место при увеличении потребности организма в кислороде.

РОЭ - (резервный объем выдоха) закономерно изменяется в зависимости от положения тела: лежа он меньше. Отношение РОИ к РОЭ определяется как уровень дыхания. Считается, что если он ниже 1, то эффективность вентиляции легких больше.

Увеличение ЖЕЛ может быть расценено положительно только в том случае, если ОЕЛ (общая емкость легких) не изменяется или увеличивается, но меньше, чем ЖЕЛ. В таком случае увеличение ЖЕЛ идет за счет уменьшения ОО. Если ЖЕЛ независимо от ее величины и процента ДЖЕЛ будет ниже 70% ОЕЛ, то функцию внешнего дыхания нельзя считать нормальной.

Значение воздухоносных путей. Непосредственно в газообмене участвует только воздух, заполняющий альвеолы. Объем же воздухоносных путей, которые составляет 120-150 мл, называют объемом вредного пространства - ОВП. Изменение просвета бронхов может существенно менять величину ОВП.

Атмосферный воздух, проходя через воздухоносные пути, очищается от пыли, согревается и увлажняется. При поступлении крупных частиц пыли в трахею и бронхи рефлекторно возникает кашель, а при поступлении в нос - чихание. Кашель и чихание - это защитные дыхательные рефлексы, очищающие дыхательные пути от инородных частиц и слизи, которые затрудняют дыхание.

Легочная вентиляция. Число дыхательных движений у взрослого человека в состоянии покоя составляет около 16-18 минуту. Дети дышат чаще (новорожденные - до 40 в минуту).

Произведение объема отдельного вдоха (ДО) на число дыханий в минуту (ЧД) составляетминутный объем дыхания (МОД). Он зависит от работы, положения тела, возраста, пола. При одном и том же МОД степень вентиляции легких зависит от глубины дыхания. Редкое, но более глубокое дыхание значительно эффективнее, так как в этом случае альвеолы вентилируются лучше. Эффективность легочной вентиляции (ЭЛВ) рассчитывают как отношение объема воздуха, входящего в альвеолы при каждом вдохе, к тому объему, который находился в легких перед вдохом. При спокойном дыхании там находится ОО+РОЭ (функциональная остаточная емкость , ФОЕ). Входит же ДО-ВВП (т.е. дыхательный объем минус воздух вредного пространства). При спокойном дыхании ЭЛВ составляет около 12%, при глубоком - до 25%.

Состав вдыхаемого, выдыхаемого и альвеолярного воздуха. Атмосферный воздух, который вдыхает человек, содержит 20,94% кислорода, 0,03% углекислоты и 79,03% азота. Выдыхаемый воздух содержит меньше кислорода - 16,3%, 4% углекислоты и 79,7% азота. Еще меньше кислорода в альвеолярном воздухе - 14,2-14,6%, углекислоты 5,5-5,7%, азота около 80%.

Различие в составе альвеолярного и выдыхаемого воздуха объясняется тем, что последний содержит смесь альвеолярного воздуха и воздуха вредного пространства, состав которого равен атмосферному. Увеличение процент азота объясняется уменьшением объема воздуха в альвеолах за счет того, что количество выделенной углекислоты не всегда соответствует объему поглощенного кислорода, который используется на окисление водорода и образование воды.

Диффузия газов в легких и транспорт газов кровью.

Переносчиком кислорода из альвеолярного воздуха к тканям тела и углекислого газа от тканей тела к легочным альвеолам служит кровь. Рассмотрим, в каком состоянии находятся эти газы в крови и какие факторы обусловливают их поглощение кровью и выделение из крови.

Газы могут находиться в жидкости в состоянии простого физического растворения (абсорбции) и химической связи. При этом количество газа, которое может растворяться в жидкости, зависит от ее состава, объема, давления газов над жидкостью, температуры и природы исследуемого газа, а также количества растворенных в жидкости веществ. Все эти факторы определяют т.н. абсорбционный коэффициент, т.е. тот объем газа, который может раствориться в 100 мл жидкости при 0о С и давлении газа 760 мм. Hg. Чем ниже температура и больше давление, тем больше газа растворяется в жидкости.

Если над жидкостью находится смесь газов, то каждый газ растворяется в ней соответственно его парциальному давлению в смеси. Если газы растворены в жидкости, применяют термин "напряжение", аналогичный термину "давление". В общем случае при соприкосновении жидкости со смесью газов диффузия и растворение их в жидкости определяется разностью парциальных давлений и напряжений этих газов в жидкой и газообразной фазе. Газ по градиенту давления (напряжения) поступает в сторону меньшего давления (напряжения).

Парциальное давление газов во вдыхаемом воздухе равно для кислорода 256 мм Hg, для азота 600 мм Hg. При расчете парциального давления газов в альвеолярном воздухе следует учитывать напряжение в нем водяных паров, парциальное давление которых при температуре тела равно 47 мм Hg. При 14,3% кислорода его парциальное давление в альвеолярном воздухе равно 102 мм Hg, углекислого газа - 5,6% и 40 мм Hg, азота - 80% и 571 мм Hg.

При таком парциальном давлении в альвеолярном воздухе соответственно абсорбционным коэффициентам кислорода и углекислого газа их содержание в 100 мл крови должно было бы быть 0,25 мл кислорода, 2,69 мл углекислоты, 1,04 мл азота. Однако из крови можно извлечь гораздо больше кислорода и углекислоты. Это свидетельствует о том, что эти газы находятся в крови не только в физически растворенном виде, но и в химически связанном состоянии. Кислород почти весь связан с гемоглобином, углекислота - частью с гемоглобином, частью с бикарбонатами.

Максимальное количество кислорода, которое может быть поглощено 100 мл крови, называется удельной кислородной емкостью. Она зависит от содержания в крови Hb. Грамм Hb связывает 1, 34 мл кислорода. Если в крови содержится 140 г/л Hb, то 100 мл крови связывают 19 мл кислорода.В этом случае общая кислородная емкость крови составляет около 95-100 мл., и может удовлетворить потребность организма в кислороде в течение 3-4 минут при условии полной деоксигенации Hb к этому моменту (как у кита)

Артериальная кровь здорового человека содержит 18-20% кислорода, 50-52% углекислоты и около 1% азота. Венозная кровь соответственно 12% кислорода, 55-56% углекислого газа и 1% азота.

Приведенные цифры показывают, что венозная кровь, пройдя по капиллярам легкого, обогащается кислородом и теряет углекислый газ. Артериальная кровь в тканях теряет кислород и обогащается углекислотой. Поскольку азот в газообмене не участвует, содержание его в венозной и артериальной крови одинаково.

Напряжение кислорода в артериальной крови равно 100 мм Hg, углекислого газа 40 мм Hg, в венозной же крови эти цифры составляют соответственно 40 мм О₂ и 46 мм СО₂. За короткое время пребывания крови в легочных капиллярах напряжение газов в крови практически сравнивается с их парциальным давлением в альвеолярном воздухе.

Анатомо-физиологическая структура легкого создает исключительно благоприятные условия для газообмена. Установлено, что респираторный аппарат представлен 300 миллионами альвеол и приблизительно таким же количеством капилляров. Общая поверхность альвеол составляет около 100 кв. метров, а толщина легочной мембраны всего 0,3-2,0 мк. Физико-химические свойства тканей легочной мембраны таковы, что растворимость в ней кислорода составляет 0,024, а углекислоты 0,567, т.е. почти в 20 раз больше. Это исключает возможность нарушений диффузии углекислоты в любых условиях жизнедеятельности организма.

Скорость диффузии кислорода через легочную мембрану в покое равна у взрослого человека 15-30 мл на 1 мм Hg в минуту. Это значит, что при разнице напряжения кислорода в 1 мм в минуту в кровь поступает 15-30 мл кислорода. При интенсивной мышечной работе эта величина может возрастать до 60 мл, что зависит от расширения легочных капилляров. Скорость диффузии углекислого газа значительно больше.

Количество физически растворенных газов составляет очень небольшую часть общего количества газов, транспортируемых кровью. Это обусловлено способностью крови переносить газы в форме химических соединений, составляющих основную емкость крови. Отношения между растворенными и химически связанными частями газов определяются формулой:

А = К + а Р/760

где А = количество газа в крови, К- количество химически связанного газа, а - коэффициент растворимости, Р - парциальное давление газа в растворе.

Равновесие между кровью и газом определяется в этих условиях не только их растворением, но и тем, что молекулы, проникшие в кровь, все время улавливаются веществами, вступающими с ними в соединение, и следовательно, перестают существовать как свободные молекулы. Только после того, как молекулы, уловленные кровью, насытят всю газовую смесь за счет химического соединения, последующие молекулы остаются свободными и развивают в растворе напряжение, равное парциальному давлению газа в контактирующем с кровью воздухе. Так, из 19% кислорода артериальной крови только 0,3% растворены в крови, остальной газ связан с Hb.

Транспорт кислорода кровью. Кривая диссоциации оксигемоглобина. В условиях равновесия между Нb и кислородом каждой концентрации кислорода в среде, окружающей молекулу Нb, соответствует определенное соотношение Hb и HbO₂ . Кривая, выражающая эту зависимость, получила название кривой диссоциации оксигемоглобина (см. таблицу). Форма и положение кривой имеет важнейшее физиологическое значение. В зоне парциального давления кислорода от 60 до 100 мм Hg, т.е. именно такого, какое существует в альвеолярном воздухе, Hb максимально связывается в кислородом. В то же время напряжение разрядки, т.е. уровень парциального давления кислорода, при котором 50% оксигемоглобина восстанавливается, равно 40 мм Hg. Это напряжение обеспечивает достаточный градиент напряжения кислорода между кровью и тканями.

Увеличение температуры и, что особенно важно, повышение напряжения углекислого газа влекут за собой повышение концентрации водородных ионов в среде (эффект Бора) и сродство Нb к кислороду снижается. Как известно, при протекании крови по капиллярам тканей происходит существенное повышение концентрации водородных ионов в плазме и в содержимом эритроцитов. В результате происходит сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина., сродство Hb к кислороду снижается и возрастает количество кислорода, освобождаемого кровью при данном градиент напряжения. В крови легочных капилляров имеет место обратный процесс.

Один из убедительных примеров биологической значимости эффекта Бора- это сдвиг вправо кривой диссоциации HbO₂ у женщин в конце беременности. Этот сдвиг связан с увеличением концентрации водородных ионов во внутренней среде беременных и обеспечивает 60% оксигенацию крови плода, покидающей плаценту.

Нарастающее поступление в кровь кислых продуктов обмена (молочная кислота и др.) при мышечной работе способствует отдаче большего количества кислорода работающим мышцам.

Транспорт углекислого газа кровью. Кровь переносит 13000 мэкв углекислого газа, продуцируемого организмом в сутки, причем через почки выделяется всего 40-60 мэкв (0,5%), остальное количество (99,5%) выделяется через легкие. Около 80% этого количества переносится в виде соединений с ионами щелочных металлов (бикарбонаты натрия и калия), остальной газ связывается Hb. Образование угольной кислоты из углекислого газа происходит в эритроцитах под влиянием фермента карбоангидразы . В зависимости от напряжения углекислого газа карбоангидраза может ускорить или реакцию связывания углекислого газа и воды, или распад углекислоты.

Способность Hb переносить углекислый газ основана на том, что углекислота может вступать в соединение с веществами, имеющими свободные NH₂-группы. Так как молекула Нb имеет много таких групп в глобине, то образуется так называемое карбаминовое соединение углекислого газа. При обычной концентрации водородных ионов в крови восстановленный Нb способен за счет карбаминовой связи присоединить около 30% всего подлежащего переносу газа. Присоединение кислорода к Нb уменьшает способность его связывать углекислый газ.

Газообмен в тканях

В тканях кровь отдает кислород и поглощает углекислоту. Как и в легких, движущей силой газообмена является разность парциальных давлений газов в крови и тканях.

Напряжение углекислого газа в клетках может достигать 60 мм Hg. В тканевой жидкости оно весьма изменчиво и в среднем составляет 46 мм Hg, а в притекающей артериальной крови 40 мм. Напряжение углекислого газа в венозной крови становится равным напряжению газа в тканевой жидкости.

Клетки весьма энергично потребляют кислород, поэтому его напряжение в тканях очень мало. В тканевой жидкости напряжение кислорода колеблется между 20 и 40 мм. Вследствие этого кислород непрерывно поступает из крови капилляров в тканевую жидкость и оттуда в клетки.

Кровь, проходя по капиллярам большого круга, отдает не весь свой кислород. Артериальная кровь содержит 20%, венозная - 12% кислорода. То его количество (в процентах от общего содержания в артериальной крови), которое получают ткани, называется коэффициентом утилизации кислорода. Он меняется в зависимости от ряда физиологических условий. Так, если в покое он равен 30-40%, то при мышечной работе может достигать 60%. Более быстрый и более полный переход кислорода в ткани при мышечной работе обеспечивается раскрытием дополнительных капилляров, усиленным образованием кислот, и , следовательно, большей диссоциацией оксигемоглобина, повышением температуры работающего органа и усилением ферментативных и энергетических реакций в его клетках.