Однако доля участия кожи в дыхании человека ничтожна по сравнению с легкими, ведь общая поверхность тела составляет менее 2 м 2 и не превышает 3% суммарной поверхности легочных альвеол.
Основными составными частями органов дыхания являются дыхательные пути, легкие, дыхательная мускулатура, включая диафрагму. Атмосферный воздух, поступающий в легкие человека, представляют собой смесь газов – азота, кислорода, углекислого газа и некоторых других (рис. 2).
Рис. 2. Средние величины парциального давления газов (мм рт. ст.) в сухом
вдыхаемом воздухе, альвеолах, в выдыхаемом воздухе и в крови при мышечном покое (средняя часть рисунка). Парциальное давление газов в венозной крови, оттекающей от почек и мышц (нижняя часть рисунка)
Парциальным давлением газа в смеси газов называется давление, которое этот газ создавал бы в отсутствие других компонентов смеси. Оно зависит от процентного содержания газа в смеси: чем оно больше, тем выше парциальное давление данного газа. Парциальное давление кислорода* в альвеолярном воздухе равно 105 мм рт. ст., а в венозной крови – 40 мм рт. ст., поэтому кислород диффундирует из альвеол в кровь. Почти весь кислород в крови химически связывается с гемоглобином. Парциальное давление кислорода в тканях сравнительно низкое, поэтому он диффундирует из крови капилляров в ткань, обеспечивая тканевое дыхание и процессы превращения энергии.
Транспорт углекислого газа – одного из конечных продуктов обмена веществ – происходит подобным же образом в обратном направлении. Углекислый газ выделяется из организма через легкие. Азот в организме не используется. Парциальное давление кислорода, углекислого газа, азота в атмосферном воздухе и на разных уровнях схемы транспорта кислорода представлено на рис. 2.
а – наружный цилиндр, б – стеклянное окно для отсчетов, в – внутренний цилиндр, г – баллон с воздухом для уравновешивания внутреннего цилиндра, д – вода
Благодаря диффузии состав альвеолярного воздуха непрерывно меняется: концентрация кислорода в нем понижается, а концентрация углекислого газа увеличивается. Для поддержания процесса дыхания состав газов в легких необходимо постоянно обновлять. Это происходит при вентиляции легких, т.е. дыхании в обычном смысле этого слова. Когда мы делаем вдох, объем легких увеличивается и в них из атмосферы поступает воздух. При этом альвеолы расширяются. В состоянии покоя в легкие при каждом вдохе поступает около 500 мл воздуха. Этот объем воздуха называется дыхательным объемом . Легкие человека обладают определенным резервом емкости, который может быть использован при усиленном дыхании. После спокойного вдоха, человек может вдохнуть еще около 1500 мл воздуха. Этот объем называется резервным объемом вдоха . После спокойного выдоха можно, сделав усилие, выдохнуть еще около 1500 мл воздуха. Это резервный объем выдоха . Дыхательный объем и резервные объемы вдоха и выдоха составляют в сумме жизненную емкость легких (ЖЕЛ). В данном случае она равна 3500 мл (500 + 1500 + 1500). Чтобы измерить ЖЕЛ, делают особенно глубокий вдох и после него максимальный выдох в трубку специального прибора – спирометра. Измерения производятся в положении стоя в состоянии покоя (рис. 3). Величина ЖЕЛ зависит от пола, возраста, размеров тела и тренированности. Этот показатель колеблется в широких пределах, составляя в среднем 2,5–4 л у женщин и 3,5–5 л у мужчин. В отдельных случаях у людей очень высокого роста, например у баскетболистов, ЖЕЛ может достигать 9 л. Под влиянием тренировки, например при выполнении специальных дыхательных упражнений, ЖЕЛ увеличивается (иногда даже на 30%).
Рис. 4. Номограмма Миллера для определения должной жизненной емкости легких
ЖЕЛ можно определить по номограмме Миллера (рис. 4). Для этого надо найти на шкале свой рост и соединить его прямой линией с возрастом (отдельно для женщин и мужчин). Эта прямая пересечет шкалу жизненной емкости легких. Важным показателем в исследованиях физической работоспособности является минутный объем дыхания , или вентиляция легких . Вентиляцией легких называют фактическое количество воздуха, которое при разных условиях проходит через легкие в течение 1 мин. В покое легочная вентиляция составляет 5–8 л/мин.
Человек способен управлять своим дыханием. Можно ненадолго задержать его или усилить. Способность к усилению дыхания измеряется величиной максимальной легочной вентиляции (МЛВ). Эта величина, как и ЖЕЛ, зависит от степени развития дыхательных мышц. При физической работе легочная вентиляция возрастает и достигает 150–180 л/мин. Чем тяжелее работа, тем больше легочная вентиляция.
Эластичность легкого в значительной степени зависит от сил поверхностного натяжения жидкости, смачивающей внутреннюю поверхность альвеол (s = 5 х 10–2 н/м). Природа сама позаботилась о том, чтобы облегчить дыхание, и создала вещества, понижающие поверхностное натяжение. Их синтезируют специальные клетки, находящиеся в стенках альвеол. Синтез этих поверхностно активных веществ (ПАВ) идет в течение всей жизни человека.
В тех редких случаях, когда у новорожденного отсутствуют в легких клетки, производящие ПАВ, ребенок не может сделать первый вдох самостоятельно и умирает. Из-за недостатка или отсутствия ПАВ в альвеолах около полумиллиона новорожденных во всем мире умирает каждый год, так и не сделав первого вдоха.
Однако некоторые животные, дышащие легкими, обходятся и без ПАВ. В первую очередь это относится к холоднокровным – лягушкам, змеям, крокодилам. Поскольку этим животным не надо тратить энергию на обогрев, их потребности в кислороде не так высоки, как у теплокровных, и поэтому площадь поверхности легких у них меньше. Если в легких человека площадь поверхности соприкосновения 1 см 3 воздуха с кровеносными сосудами составляет около 300 см 2 , то у лягушки – всего 20 см 2 .
Относительное уменьшение площади легкого, приходящееся на единицу его объема, у холоднокровных связано с тем, что диаметр альвеол у них примерно в 10 раз больше, чем у теплокровных. А из закона Лапласа (p = 4a/R) следует, что дополнительное давление, которое надо преодолеть при вдохе, обратно пропорционально радиусу альвеолы. Большой радиус альвеол у холоднокровных позволяет им легко делать вдох даже без уменьшения величины p за счет ПАВ.
Нет ПАВ и в легких птиц. Птицы – теплокровные животные и ведут активный образ жизни. В покое потребность птиц в кислороде выше, чем у других позвоночных, включая млекопитающих, а во время полета она многократно возрастает. Дыхательная система птиц способна насыщать кровь кислородом даже при полете на большой высоте, где его концентрация значительно меньше, чем на уровне моря. Любые млекопитающие (в том числе и человек), оказавшись на такой высоте, начинают испытывать кислородное голодание, резко снижают свою двигательную активность, а иногда даже впадают в полуобморочное состояние. Как же удается легким птиц, при отсутствии ПАВ, справляться с этой непростой задачей?
Помимо обычных легких, у птиц есть дополнительная система, состоящая из пяти и более пар тонкостенных воздушных мешков, связанных с легкими. Полости этих мешков широко разветвляются в теле и заходят в некоторые кости, иногда даже в мелкие кости фаланг пальцев. В результате дыхательная система, например утки, занимает около 20% объема тела (2% легкие и 18% воздушные мешки), в то время как у человека – лишь 5%. Стенки воздушных мешков бедны сосудами и в газообмене не участвуют. Воздушные мешки не только способствуют продуванию воздуха через легкие в одном направлении, но и уменьшают плотность тела, трение между отдельными его частями, способствуют эффективному охлаждению тела.
Легкое птицы построено из окруженных кровеносными сосудами параллельно соединенных открытых с двух сторон тоненьких трубочек – воздушных капилляров, отходящих от парабронхов. Во время вдоха объемы передних и задних воздушных мешков увеличиваются. Воздух из трахеи поступает непосредственно в задние мешки. Передние мешки с основным бронхом не сообщаются и заполняются воздухом, выходящим из легких (рис. 5, а ).
Рис. 5 . Движение воздуха в дыхательной
системе птицы: а
– вдох, б
– выдох
(К1 и К2 – клапаны, изменяющие движение воздуха)
При выдохе сообщение передних мешков с основным бронхом восстанавливается, а задних – прерывается. В результате во время выдоха воздух через легкое птицы течет в том же направлении, что и при вдохе (рис. 5, б ). Во время дыхания изменяются только объемы воздушных мешков, а объем легкого остается практически постоянным. Становится понятным, почему в птичьих легких нет ПАВ: они там просто ни к чему, т.к. раздувать легкие нет необходимости.
Некоторые организмы используют воздух не только для дыхания. Тело рыбки иглобрюха, обитающей в Индийском океане и Средиземном море, усеяно многочисленными иголками – видоизмененной чешуей. В спокойном состоянии иглы более или менее плотно прилегают к телу. При опасности иглобрюх устремляется к поверхности воды и, набирая воздух в кишечник, превращается в раздутый шар. При этом иглы приподнимаются и торчат во все стороны. Рыба держится у самой поверхности воды, опрокинувшись вверх брюшком, и часть ее тела выступает над водой. В таком положении иглобрюх защищен от хищников как снизу, так и сверху. Когда минует опасность, иглобрюх выпускает воздух, и тело его принимает обычные размеры.
Воздушная оболочка Земли (атмосфера) удерживается около Земли за счет сил притяжения и оказывает давление на все тела, с которыми соприкасается. Тело человека приспособлено к атмосферному давлению и плохо переносит его понижение. При подъеме в горы (4 тыс. м, а иногда и ниже) многие люди чувствуют себя плохо, появляются приступы «горной болезни»: становится трудно дышать, из ушей и носа нередко идет кровь, возможна потеря сознания. Так как суставные поверхности плотно прилегают друг к другу (в суставной сумке, охватывающей суставы, давление понижено) благодаря атмосферному давлению, то высоко в горах, где атмосферное давление сильно снижено, действие суставов расстраивается, руки и ноги плохо «слушаются», легко случаются вывихи. Альпинисты и летчики, поднимаясь на большую высоту, берут с собой кислородные приборы и перед подъемом специально тренируются.
В программу специальной подготовки космонавтов входит обязательная тренировка в барокамере, представляющей собой герметически закрывающуюся стальную камеру, соединенную с мощным насосом, создающим в ней повышенное или пониженное давление. В современной медицине барокамера используется при лечении многих болезней. В камеру подается чистый кислород, и создается высокое давление. За счет диффузии кислорода через кожу и легкие значительно повышается его напряжение в тканях. Этот метод лечения очень эффективен, например, при раневой инфекции (газовая гангрена), вызываемой анаэробными микроорганизмами, для которых кислород является сильным ядом.
На тех высотах, где летают современные космические корабли, воздуха практически нет, поэтому кабины кораблей делают герметичными, и в них создаются и поддерживаются нормальные давление и состав воздуха, влажность и температура. Нарушение герметичности кабины приводит к трагическим последствиям.
Космический корабль «Союз-11» с тремя космонавтами на борту (Г.Добровольский, В.Волков, В.Пацаев) был выведен на околоземную орбиту 6 июня 1971 г., а 30 июня при возвращении на Землю экипаж погиб в результате разгерметизации спускаемого аппарата после разделения отсеков на высоте 150 км.
Некоторые сведения о дыхании
Человек дышит ритмично. Новорожденный ребенок совершает дыхательные движения 60 раз в 1 мин, пятилетний – 25 раз в 1 мин, в 15–16 лет частота дыхания уменьшается до 16–18 в 1 мин и сохраняется такой до старости, когда она учащается вновь.
У некоторых животных частота дыхания гораздо ниже: кондор совершает одно дыхательное движение в 10 с, а хамелеон – в 30 мин. Легкие хамелеона соединены особыми мешочками, в которые он набирает воздух и при этом сильно раздувается. Низкая частота дыхания позволяет хамелеону подолгу не обнаруживать своего присутствия.
В состоянии покоя и при нормальной температуре человек потребляет в 1 мин примерно 250 мл кислорода, в час – 15 л, в сутки – 360 л. Количество потребляемого в покое кислорода непостоянно – днем оно больше, чем ночью, даже если человек днем спит. Вероятно, это проявление суточных ритмов в жизнедеятельности организма. Лежа человек потребляет в 1 ч примерно 15 л кислорода, стоя – 20 л, при спокойной ходьбе – 50 л, при ходьбе со скоростью 5 км/ч – 150 л.
При атмосферном давлении человек
может дышать чистым кислородом около одних
суток, после чего возникает воспаление легких,
оканчивающееся смертью. При давлении 2–3 атм
человек может дышать чистым кислородом не более 2
ч, потом наступает нарушение координации
движений, внимания, памяти.
За 1 мин через легкие в норме проходит 7–9 л
воздуха, а у тренированного бегуна – около 200 л.
Внутренние органы при усиленной работе требуют повышенного снабжения кислородом. При напряженной деятельности потребление кислорода сердцем возрастает в 2 раза, печенью – в 4 раза, почками – в 10 раз.
При каждом вдохе человек совершает работу, достаточную для подъема груза массой 1 кг на высоту 8 см. Используя работу, выполненную в течение 1 ч, можно было бы поднять этот груз на высоту 86 м, а за ночь – на 690 м.
Известно, что дыхательный центр возбуждается при повышении в крови концентрации углекислого газа. Если концентрацию углекислого газа в крови снизить, человек может не дышать более продолжительное время, чем обычно. Этого можно достичь учащенным дыханием. Подобным приемом пользуются ныряльщики, причем опытные ловцы жемчуга могут оставаться под водой 5–7 мин.
Пыль есть везде. Даже на вершине Альп в 1 мл воздуха содержится около 200 пылинок. В таком же объеме городского воздуха содержится более 500 тыс. частиц пыли. Ветер переносит пыль на очень далекие расстояния: например, в Норвегии обнаружена пыль из Сахары, а в Европе – вулканическая пыль с островов Индонезии. Частицы пыли задерживаются в органах дыхания и могут приводить к различным заболеваниям.
В Токио, где на каждого жителя приходится 40 см 2 уличной поверхности, полицейские работают в кислородных масках. В Париже для прохожих установлены будки чистого воздуха. Патологоанатомы узнают парижан при вскрытии по черным легким. В Лос-Анджелесе на улице установлены пластмассовые пальмы, поскольку живые погибают из-за большой загрязненности воздуха.
Продолжение следует
* Имеется в виду парциальное давление кислорода воздуха, при котором он находится в равновесии с кислородом, растворенным в крови или другой среде, называемое также напряжением кислорода в данной среде.
Тесты
706-01. Позвоночных животных с трёхкамерным сердцем, размножение которых тесно связано с водой, объединяют в класс
А) Костные рыбы
Б) Млекопитающие
В) Пресмыкающиеся
Г) Земноводные
Ответ
706-02. К какому классу относят животных, схема строения сердца которых показана на рисунке?
А) Насекомые
Б) Хрящевые рыбы
В) Земноводные
Г) Птицы
Ответ
706-03. Признак, отличающий земноводных от рыб, – это
А) холоднокровность
Б) строение сердца
В) развитие в воде
Г) замкнутость кровеносной системы
Ответ
706-04. Земноводные отличаются от рыб наличием
А) головного мозга
Б) замкнутой кровеносной системы
В) парных лёгких у взрослых особей
Г) органов чувств
Ответ
706-05. Какой признак среди перечисленных отличает большинство животных класса Земноводные от Млекопитающих?
Б) наружное оплодотворение
В) половое размножение
Г) использование для обитания водной среды
Ответ
706-06. Пресмыкающиеся в процессе эволюции приобрели, в отличие от земноводных,
А) замкнутую кровеносную систему
Б) высокую плодовитость
В) крупное яйцо с зародышевыми оболочками
Г) трёхкамерное сердце
Ответ
706-07. Если в процессе эволюции у животного сформировалось сердце, изображённое на рисунке, то органами дыхания животного должны быть
А) лёгкие
Б) кожа
В) лёгочные мешки
Г) жабры
Ответ
706-08. У какой группы животных размножение не связано с водой?
А) бесчерепные (ланцетники)
Б) костные рыбы
В) земноводные
Г) пресмыкающиеся
Ответ
706-09. У каких животных развитие зародыша полностью завершается внутри яйца?
А) костные рыбы
Б) хвостатые земноводные
В) бесхвостые земноводные
Г) пресмыкающиеся
Ответ
706-10. Позвоночных животных с трёхкамерным сердцем, размножение которых не связано с водой, объединяют в класс
А) Костные рыбы
Б) Млекопитающие
В) Пресмыкающиеся
Г) Земноводные
Ответ
706-11. Позвоночных животных с непостоянной температурой тела, лёгочным дыханием, трёхкамерным сердцем с неполной перегородкой в желудочке относят к классу
А) костных рыб
Б) земноводных
В) пресмыкающихся
Г) хрящевых рыб
Ответ
706-12. Пресмыкающимся, в отличие от земноводных, свойственно
А) наружное оплодотворение
Б) внутреннее оплодотворение
В) развитие с образованием личинки
Г) разделение тела на голову, туловище и хвост
Ответ
706-13. Какое из перечисленных животных является холоднокровным?
А) прыткая ящерица
Б) амурский тигр
В) степная лисица
Г) обыкновенный волк
Ответ
706-14. К какому классу относят животных, имеющих сухую кожу с роговой чешуей и трехкамерное сердце с неполной перегородкой?
А) Пресмыкающиеся
Б) Млекопитающие
В) Земноводные
Г) Птицы
Ответ
706-15. Птицы отличаются от пресмыкающихся наличием
А) внутреннего оплодотворения
Б) центральной нервной системы
В) двух кругов кровообращения
Г) постоянной температуры тела
Ответ
706-15. Какой признак в строении сходен у современных пресмыкающихся и птиц?
А) кости, наполненные воздухом
Б) сухая кожа, лишённая желёз
В) хвостовой отдел в позвоночнике
Г) мелкие зубы в челюстях
Ответ
706-16. У какого животного газообмен между атмосферным воздухом и кровью происходит через кожу?
А) касатка
Б) тритон
В) крокодил
Г) горбуша
Ответ
706-17. У какой группы животных сердце состоит из двух камер?
А) рыбы
Б) земноводные
В) пресмыкающихся
Г) млекопитающие
Ответ
706-18. Развитие детёныша в матке происходит у
А) хищных птиц
Б) пресмыкающихся
В) земноводных
Г) млекопитающих
Ответ
706-19. Для представителей какого класса хордовых животных характерно кожное дыхание?
А) Земноводные
Б) Рептилии
В) Птицы
Г) Млекопитающие
Ответ
706-20. Признаком класса земноводных является
А) хитиновый покров
Б) голая кожа
В) живорождение
Г) парные конечности
Ответ
706-21. По каким признакам представители класса Земноводные отличаются от других позвоночных?
А) позвоночник и свободные конечности
Б) легочное дыхание и наличие клоаки
В) голая слизистая кожа и наружное оплодотворение
Г) замкнутая система кровообращения и двухкамерное сердце
Ответ
706-22. Какой признак среди перечисленных отличает животных класса Пресмыкающиеся от животных класса Млекопитающие?
А) замкнутая кровеносная система
Б) непостоянная температура тела
В) развитие без превращения
Г) использование для обитания наземно-воздушной среды
Физиология дыхания 1.
1. Сущность дыхания. Механизм вдоха и выдоха.
2. Возникновение отрицательного давления в окололегочном пространстве. Пневмоторакс, ателектаз.
3. Типы дыхания.
4. Жизненная емкость легких и их вентиляция.
n 1. Сущность дыхания. Механизм вдоха и выдоха.
n Совокупность процессов, обеспечивающих обмен кислородом и углекислым газом между внешней средой и тканями организма, называется дыханием , а совокупность органов, обеспечивающих дыхание, - системой органов дыхания.
n Виды дыхания:
n Клеточное – у одноклеточных через всю поверхность клетки.
n Кожное – у многоклеточных организмов (черви) через всю поверхность тела.
n Трахейное – у насекомых через специальные трахеи, проходящие вдоль боковой поверхности тела.
n Жаберное – у рыб через жабры.
n Легочное – у земноводных через легкие.
n У млекопитающих через специализированные органы дыхания: носоглотка, гортань, трахея, бронхи, легкие, а также участвуют грудная клетка, диафрагма и группа мышц: инспираторы и экспираторы.
n Легкие (0,6-1,4% массы тела) – парные органы, имеют доли (правое – 3, левое – 2), делящиеся на дольки (в каждой по 12-20 ацинусов), бронхи разветвляются на бронхиолы, заканчиваются альвеолами.
n Морфологическая и функциональная единица легкого - ацинус (лат. acinus - виноградная ягода) - разветвление респираторной бронхиолы на альвеолярные ходы, заканчивающиеся 400-600 альвеолярными мешочками.
n Альвеолы заполнены воздухом и не спадаются благодаря присутствию на их стенках поверхностно-активных веществ - сурфактантов (фосфолипопротеины или липополисахариды).
n Этапы дыхания:
n а) легочная вентиляция - газообмен между легкими и внешней средой;
n б) обмен газов в легких между альвеолярным воздухом и капиллярами малого круга кровообращения;
n в) транспорт О2 и СО2 кровью;
n г) обмен газов между кровью капилляров большого круга кровообращения и тканевой жидкостью;
n д) внутриклеточное дыхание - многоступенчатый ферментативный процесс окисления субстратов в клетках.
n Основной физический процесс, который обеспечивает перемещение О2 из внешней среды к клеткам и СО2 в обратном направлении, - это диффузия , т. е. движение газа в виде растворенного вещества по градиентам концентрации.
n Вдох – инспирация .
n Движение воздуха в легкие и из легких в окружающую среду обусловлено изменением давления внутри легких. Когда легкие расширяются, давление в них становится ниже атмосферного (на 5-8 мм рт. ст.) и воздух насасывается в легкие. Сами легкие не имеют мышечной ткани. Изменение объема легких зависит от изменения объема грудной клетки, т.е. легкие пассивно следуют за изменениями грудной клетки. При вдохе грудная клетка расширяется в вертикальном, сагиттальном и фронтальном направлениях. При сокращении мышц–инспираторов (вдыхатели) - наружные межреберные и диафрагмы, ребра поднимаются вверх, при этом расширяется грудная клетка. Диафрагма принимает конусообразную форму. Все это способствует снижению давления в легких и засасыванию воздуха. Толщина альвеол мала, поэтому газы легко диффундируют через стенку альвеол.
n Выдох – экспирация .
n При выдохе расслабляются мышцы-инспираторы и грудная клетка в силу своей тяжести и эластичности реберных хрящей возвращается в исходное положение. Диафрагма расслабляется, куполоообразной формы. Таким образом, в покое выдох происходит пассивно, вследствие окончания вдоха.
n При форсированном дыхании выдох становится активным - усиливается за счет сокращения мышц-экспираторов (выдыхателей) - внутренние межреберные мышцы, мышцы живота - наружные и внутренние косые, поперечные и прямые брюшные, дорсальный зубчатый выдыхатель. Повышается давление в брюшной полости, что выталкивает диафрагму в грудную полость, ребра опускаются, приближаются друг к другу, что уменьшает объем грудной клетки.
n Когда легкие спадаются, воздух выжимается, давление в них становится выше атмосферного (на 3-4 мм рт. ст.).
n 2. Возникновение отрицательного давления в окололегочном пространстве. Пневмоторакс, ателектаз
n Легкие в грудной клетке отделяются плевральными листками: висцеральный – прилегает к легким, париетальный – выстилает грудную клетку изнутри. Между листками – плевральная полость. Она заполнена плевральной жидкостью. Давление в плевральной полости всегда ниже атмосферного на 4-10 мм рт. ст. (в легких 760 мм рт. ст.). Это обусловлено: 1) более быстрым ростом грудной клетки в сравнении с легкими в постнатальном онтогенезе; 2) эластической тягой (упругим напряжением) легких, т. е. силой, противодействующей их растяжению воздухом. Плевральная полость герметична от окружающей среды.
n При попадании воздуха в плевральную полость (пр. при ранении) выравнивается давление в плевральной полости с атмосферным – пневмоторакс , при этом легкое спадается - ателектаз и дыхание может прекратиться.
n Отрицательное давление плевральной полости образуется при рождении. При первом вдохе грудная клетка расширяется, легкие расправляются, т. к. они герметично отделены - в плевральной полости образуется отрицательное давление. У плода легкие находятся в спавшемся состоянии, грудная клетка уплощена, головка ребер вне суставной ямки. При рождении в крови у плода накапливается углекислый газ, он возбуждает дыхательный центр. Отсюда импульсы поступают к мышцам – инспираторам, которые сокращаются, головки ребер входят в суставные ямки. Грудная клетка увеличивается в объеме, легкие расправляются.
n Взаимоотношения между объемом грудной клетки и объемом легкого в процессе дыхания обычно иллюстрируют с помощью физической модели Дондерса:
n 1. Стеклянный колпак,
n 2. Сверху - пробка с отверстием,
n 3. Дно – эластичная пленка с кольцом,
n 4. Внутри колпака – легкие кролика.
n При увеличении объема внутри колпака за счет растягивания эластичной пленки, давление в полости колпака снижается, в легкие поступает воздух через отверстие в пробке, они расширяются и наоборот.
n 3. Типы дыхания.
n 1. Грудной или реберный – изменение объема грудной клетки происходит главным образом за счет межреберных мышц (экспираторов и инспираторов). Характерен для собак и женщин.
n 2. Брюшной или диафрагмальный – изменение объема грудной клетки происходит главным образом за счет диафрагмы и мышц брюшного пресса. Характерен для мужчин.
n 3. Смешанный или грудобрюшной – изменение объема грудной клетки происходит в равной степени при сокращении межреберных мышц, диафрагмы и мышц брюшного пресса. Характерен для сельскохозяйственных животных.
n Типы дыхания имеют диагностическое значение: при повреждении органов брюшной или грудной полости изменяются.
n 4. Жизненная емкость легких и их вентиляция.
n Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) состоит из 3-х объемов воздуха, поступающих и выделяющихся из легких при дыхании:
n 1. Дыхательный – объем воздуха при спокойном вдохе и выдохе. У мелких животных (собаки, МРС) – 0,3-0,5 л, у крупных (КРС, лошадь) – 5-6 л.
n 2. Дополнительный или резервный объем вдоха – объем воздуха, который попадает в легкие при максимальном вдохе после спокойного вдоха. 0,5-1 и 5-15 л.
n 3. Резервный объем выдоха – объем воздуха при максимальном выдохе после спокойного выдоха. 0,5-1 и 5-15 л.
n ЖЕЛ определяется путем измерения объема максимального выдоха после предшествующего максимального вдоха методом спирометрии. У животных ее определяют при вдыхании газовой смеси с высоким содержанием двуокиси углерода.
n Остаточный объем – объем воздуха, который остается в легких даже после максимального выдоха.
n Воздух «вредного» или «мертвого» пространства – объем воздуха, который не участвует в газообмене и находится в верхней части дыхательного аппарата – носовая полость, глотка, трахея (20-30%).
n Значение «вредного» пространства :
n 1) воздух согревается (обильное снабжение кровеносными сосудами), что препятствует переохлаждению легких;
n 2) воздух очищается, увлажняется (альвеолярные макрофаги, много слизистых желез);
n 3) при раздражении ресничек мерцательного эпителия происходит чихание – рефлекторное удаление вредных веществ;
n 4) рецепторы обонятельного анализатора («обонятельный лабиринт»);
n 5) регуляция объема вдыхаемого воздуха.
n Процесс обновления газового состава альвеолярного воздуха при вдохе и выдохе – вентиляция легких .
n Интенсивность вентиляции определяется глубиной вдоха и частотой дыхательных движений.
n Глубину вдоха определяют по амплитуде движений грудной клетки, а также измеряя легочные объемы.
n Частоту дыхательных движений подсчитывают по числу экскурсий грудной клетки за определенный промежуток времени (в 4-5 раз меньше частоты сердечных сокращений) .
n Лошадь (в мин)– 8-16; КРС – 12-25; МРС – 12-16; свинья – 10-18; собака – 14-24; кролик – 15-30; пушные – 18-40.
n Минутный объем дыхания – это произведение дыхательного объема воздуха на частоту дыхательных движений в мин.
n Пр.: лошадь: 5 л х 8 = 40 л
n Методы изучения дыхания:
n 1. Пневмография – регистрация дыхательных движений с помощью пневмографа.
n 2. Спирометрия – измерение дыхательных объемов при помощи спирометров.
Лекция 25.
Физиология дыхания 2.
1. Газообмен между альвеолами и кровью. Состояние газов крови.
2. Транспорт газов и факторы, его определяющие. Тканевое дыхание.
3. Функции легких, не связанные с газообменом.
4. Регуляция дыхания, дыхательный центр и его свойства.
5. Особенности дыхания у птиц.
Газообмен между альвеолами и кровью. Состояние газов крови.
В альвеолах легких О2 и СО2 обмениваются между воздухом и кровью капилляров малого круга кровообращения.
Выдыхаемый воздух содержит больше О2 и меньше СО2, чем альвеолярный воздух, т.к. к нему примешивается воздух вредного пространства (7:1).
Величина диффузии газов между альвеолами и кровью определяется чисто физическими законами, действующими в системе газ - жидкость, разделенной полупроницаемой мембраной.
Основным фактором, определяющим диффузию газов из альвеол воздуха в кровь и из крови в альвеолы, является разность парциального давления, или градиент парциального давления . Диффузия происходит из области с более высоким парциальным давлением в область с более низким давлением.
Газовый состав воздуха
Парциальное давление (лат. partialic – частичный)- это давление того или иного газа в смеси газов, которое он оказывал бы при той же температуре, занимая один весь объем
Р = РА х а/100,
где Р – парциальное давление газа, РА – атмосферное давление, а – объем газа, входящего в смесь в %, 100 – %.
Р О2 вдых.= 760 х 21 / 100 = 159,5 мм рт. ст.
Р СО2 вдых. = 760 х 0,03 / 100 = 0,23 мм рт. ст.
Р N2 вдых. = 760 х 79 / 100 = 600,7 мм рт. ст.
Равенство Р О2 или Р СО2 во взаимодействующих средах никогда не наступает. В легких идет постоянный приток свежего воздуха вследствие дыхательных движений грудной клетки, в тканях же разность напряжения газов поддерживается процессами окисления.
Разность между парциальным давлением О2 в альвеолярном воздухе и венозной крови легких составляет: 100 - 40 = 60 мм рт.ст., что вызывает диффузию О2 в кровь. При разности напряжения О2 1 мм рт. ст. у коровы в кровь переходит 100-200 мл О2 в 1 мин. Средняя потребность животного в О2 в покое составляет 2000 мл в 1 мин. Разности давления в 60 мл рт. ст. более чем достаточно для насыщения крови О2 как в покое, так и при нагрузке.
60 мм рт.ст. х 100-200 мл = 6000-12000 мл О2 в мин
ЛЕКЦИЯ № 15. Физиология дыхания.
1.
2. Внешнее дыхание (легочная вентиляция).
3.
4. Транспорт газов (О2, СО2) кровью.
5. Обмен газов между кровью и тканевой жидкостью. Тканевое дыхание.
6. Регуляция дыхания.
1. Сущность дыхания. Органы дыхания.
Дыхание физиологическая функция, обеспечивающая газообмен между организмом и внешней средой, а совокупность органов участвующих в газообмене – системой органов дыхания.
Эволюция дыхательной системы .
1.У одноклеточных организмов дыхание осуществляется через поверхность (мембрану) клетки.
2.У низших многоклеточных животных газообмен идёт через всю поверхность наружных и внутренних (кишечник) клеток организма.
3.У насекомых тело покрыто кутикулой и поэтому появляются специальные дыхательные трубочки (трахеи), пронизывающие всё тело.
4.У рыб органами дыхания являются жабры – многочисленные листочки с капиллярами.
5.У земноводных появляются воздухоносные мешки (лёгкие), в которых воздух обновляется с помощью дыхательных движений. Однако, основной обмен газов идёт через поверхность кожи и составляет 2/3 всего объёма.
6.У пресмыкающихся, птиц и млекопитающих лёгкие уже развиты хорошо, а кожа становится защитным покровом и через неё газообмен не превышает 1%. У лошадей при высокой физической нагрузке дыхание через кожу возрастает до 8%.
Органы дыхания.
Дыхательный аппарат млекопитающих представляет собой совокупность органов, выполняющих воздухопроводящую и газообменную функции.
Верхние воздухоносные пути : носовая полость, рот, носоглотка, гортань.
Нижние воздухоносные пути : трахея, бронхи, бронхиолы.
Газообменную функцию выполняет дыхательная пористая ткань – паренхима легкого. В структуру этой ткани входят легочные пузырьки – альвеолы.
стенка воздухоносных путей имеет хрящевой остов и их просвет никогда не спадается. Слизистая оболочка дыхательной трубки выстлана мерцательным эпителием с ресничками. Трахея перед входом в лёгкие дихотомически делится на два главных бронха (левый и правый), которые в дальнейшем делятся и образуют бронхиальное дерево. Заканчивается деление конечными (терминальными) бронхиолами (диаметр до 0,5-0,7мм).
Лёгкие расположены в грудной полости и имеют форму усеченного конуса. Основание лёгкого обращено назад и прилегает к диафрагме. Снаружи лёгкие покрыты серозной оболочкой – висцеральной плеврой. Париетальная плевра (костная) выстилает грудную полость и плотно срастается с рёберной стенкой. Между этими листками плевры имеется щелевидное пространство (5-10 мкм) – плевральная полость заполненная серозной жидкостью. Пространство между правым и левым легким называется средостением. Здесь находятся сердце, трахея, кровеносные сосуды и нервы. Лёгкие делятся на доли, сегменты и дольки. Степень выраженности такого деления у различных животных неодинакова.
Морфологической и функциональной единицей лёгкого является ацинус (лат. acinus - виноградная ягода). Ацинус включает ремпираторную (дыхательную) бронхиолу и альвеолярные ходы, которые заканчиваются альвеолярными мешочками. Один ацинус содержит 400-600 альвеол; 12-20 ацинусов образуют лёгочную дольку.
Альвеолы – это пузырьки, внутренняя поверхность которых выстлана однослойным плоским эпителием. Среди эпителиальных клеток различают: альвеолоциты 1-го порядка, которые вместе с эндотелием капилляров лёгких образуют аэрогематический барьер и альвеоциты 2-го порядка выполняют секреторную функцию, выделяя биологически активное вещество сурфактан. Сурфактан (фосфолипопротеины - поверхностно активное вещество) выстилает внутреннюю поверхность альвеолы, увеличивает поверхностное натяжение и не позволяет альвеолам спадаться.
Функции воздухоносных путей.
Воздухоносные пути (в них задерживается до 30% вдыхаемого воздуха) не принимают участия в газообмене и их называют «вредным» пространством. Однако, верхние и нижние воздухоносные пути играют большую роль в жизнедеятельности организма.
Здесь происходит согревание, увлажнение и очищение вдыхаемого воздуха. Это возможно благодаря хорошо развитой слизистой оболочке дыхательных путей, которая обильно васкуляризирована, содержит бокаловидные клетки, слизистые железы и большое количество ресничек мерцательного эпителия. Кроме этого здесь находятся рецепторы обонятельного анализатора, рецепторы защитных рефлексов кашля, чихания, фырканья и ирритантные (раздражения) рецепторы. Они расположены в бронхиолах и реагируют на пылевые частицы, слизь, пары едкого вещества. При раздражении ирритантных рецепторов возникает чувство жжения, першения, появляется кашель и учащается дыхание.
Газообмен между организмом и внешней средой обеспечивается совокупностью строго скоординированных процессов, входящих в структуру дыхания высших животных.
2. Внешнее дыхание (лёгочная вентиляция) постоянный процесс обновления газового соста.ва альвеолярного воздуха, который осуществляется при вдохе и выдохе.
Лёгочная ткань не имеет активных мышечных элементов и поэтому её увеличение или уменьшение в объёме происходит пассивно в такт движениям грудной клетки (вдох, выдох). Это обусловлено отрицательным внутриплевральным давлением (ниже атмосферного: при вдохе на 15-30 мм рт. ст., при выдохе на 4-6 мм рт. ст.) в герметически закрытой грудной полости.
Механизм внешнего дыхания.
Акт вдоха (лат. inspiration - инспирация) осуществляется за счёт увеличения объёма грудной клетки. В этом принимают участие мышцы инспираторы (вдыхатели): наружные межрёберные мышцы и диафрагма. При форсированном дыхании подключаются мышцы: подниматель рёбер, лестничная надрёберная мышца, дорзальный зубчатый вдыхатель. Объём грудной клетки при этом увеличивается в трёх направлениях – вертикальном, сагиттальном (переднезадним) и фронтальном.
Акт выдоха (лат. expiration - экспирация) в состоянии физиологического покоя носит преимущественно пассивный характер. Как только мышцы вдыхатели расслабляются, грудная клетка в силу своей тяжести и эластичности рёберных хрящей возвращается в исходное положения. Диафрагма расслабляется и купол её вновь становится выпуклым.
При форсированном дыхании акту выдоха способствуют мышцы экспираторы: внутренние межрёберные, наружные и внутренние косые, поперечные и прямые мышцы брюшной стенки, дорзальный зубчатый выдыхатель.
Типы дыхания.
В зависимости от преобразования тех или иных мышц участвующих в дыхательных движениях, различают три типа дыхания:
1 - грудной (рёберный) тип дыхания осуществляется при сокращении наружных межрёберных мышц и мышц грудного пояса;
2 – брюшной (диафрагмальный) тип дыхания – преобладают сокращения диафрагмы и мышц живота;
3 – смешанный (рёберно-брюшной) тип дыхания наиболее часто встречается у сельскохозяйственных животных.
При различных заболеваниях тип дыхания может изменяться. При заболевании органов грудной полости преобладает диафрагмальный тип дыхания, а при болезнях органов брюшной полости – рёберный тип дыхания.
Частота дыхательных движений.
Под частотой дыхания понимают количество дыхательных циклов (вдох-выдох) в 1 минуту.
Лошадь 8 - 12 Собака 10 - 30
Круп. рог. скот 10 - 30 Кролики 50 - 60
Овца 8 - 20 Куры 20 - 40
Свинья 8 - 18 Утки 50 - 75
Человек 10 - 18 Мышь 200
Следует учесть, что в таблице приведены средние показатели. Частота дыхательных движений зависит от вида животного, породы, продуктивности, функционального состояния, времени суток, возраста, температуры окружающей среды и т. д.
Лёгочные объёмы.
Различают общую и жизненную ёмкость лёгких. Жизненная ёмкость лёгких (ЖЁЛ) складывается из трёх объёмов: дыхательного и резервных объёмов вдоха и выдоха.
1.Дыхательный объём – это объём воздуха, который можно спокойно, без усилий вдохнуть и выдохнуть.
2.Резервный объём вдоха – это воздух, который можно дополнительно вдохнуть после спокойного вдоха.
3.Резервный объём выдоха – это объём воздуха, который можно максимально выдохнуть после спокойного выдоха.
После полного максимально глубокого выдоха в лёгких остаётся ещё часть воздуха – остаточный объём. Сумма ЖЁЛ и остаточного объёма воздуха составляют общую ёмкость лёгких.
Сумма остаточного объёма воздуха и резервного объёма выдоха называется альвеолярным воздухом (функциональная остаточная ёмкость).
Лёгочные объёмы (в литрах).
Лошадь Человек
1. Дыхательный V 5-6 0,5
2. Резервный V вдоха 12 1,5
3. Резервный V выдоха 12 1,5
4. Остаточный V 10 1
Вентиляция лёгких – это обновление газового состава альвеолярного воздуха при вдохе и выдохе. При оценке интенсивности вентиляции лёгких используют минутный объём дыхания (количество воздуха проходящего через лёгкие за 1 минуту), который зависит от глубины и частоты дыхательных движений.
У лошади дыхательный объём в состоянии покоя 5-6 литров , частота дыхания 12 дыхательных движений в 1 минуту.
Следовательно: 5 л .*12=60 литров минутный объём дыхания. при лёгкой работе он равен 150-200 литров, при тяжёлой работе 400-500 литров.
Во время дыхания отдельные участки лёгких вентилируются не все и с разной интенсивностью. Поэтому рассчитывают коэффициент альвеолярной вентиляции – это отношение вдыхаемого воздуха к альвеолярному объёму. При этом следует учитывать, что при вдохе лошадью 5 литров, 30% воздуха остаётся в воздухоносных путях «вредное пространство».
Таким образом до альвеол доходит 3,5 литров вдыхаемого воздуха (70% от 5 литров дыхательного объёма). Следовательно, коэффициент альвеолярной вентиляции равен 3,5 л.:22 л. или 1:6. Т. е. при каждом спокойном вдохе вентилируется 1/6 альвеол.
3. Диффузия газов (обмен газов между альвеолярным воздухом и кровью капилляров малого круга кровообращения).
Газообмен в лёгких осуществляется в результате диффузии диоксида углерода (СО 2) из крови в альвеолы лёгкого, а кислорода (О 2) из альвеолы в венозную кровь капилляров малого круга кровообращения. Расчётным путём установлено, что около 5% кислорода вдыхаемого воздуха остаётся в организме, а около 4% диоксида углерода выделяется из организма. Азот в газообмене участия не принимает.
Движение газов определяется чисто физическими законами (осмос и диффузия), действующими в системе газ-жидкость, разделённой полупроницаемой мембраной. В основе этих законов лежитразность парциального давления или градиент парциального давления газов.
Парциальное давление (лат. partialis - частичный) – это давление одного газа входящего в состав газовой смеси.
Диффузия газов происходит из области более высокого давления в область более низкого.
Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе 102 мм рт. ст., диоксида углерода 40 мм рт. ст. В венозной крови капилляров лёгких напряжение О2 =40 мм рт. ст., СО2=46 мм рт. ст.
Таким образом, разница парциального давления:
кислорода (О2) 102 – 40 = 62 мм рт. ст.;
диоксида углерода (СО2) 46 – 40 = 6 мм рт. ст.
Кислород быстро поступает через лёгочные мембраны и полностью соединяется с гемоглобином и кровь становится артериальной. Диоксид углерода, не смотря на небольшую разницу, парциального давления имеет более высокую скорость диффузии (25 раз) из венозной крови в альвеолы лёгкого.
4. Транспорт газов (О 2 , СО 2) кровью.
Кислород, переходя из альвеолы в кровь, находится в двух формах – около 3% растворённого в плазме и около 97% соединённого с гемоглобином эритроцитов (оксигемоглобин). Насыщение крови кислородом называется оксигенацией .
В одной молекуле гемоглобина 4 атома железа, следовательно, 1 молекула гемоглобина может соединить 4 молекулы кислорода.
НН b + 4О 2 ↔ НН b (О 2) 4
Оксигемоглобин (ННb (О 2) 4) – проявляет свойство слабой, легко диссоциирующей кислоты.
Количество кислорода, находящееся в 100 мм крови при полном переходе гемоглобина в оксигемоглобин, называется кислородной ёмкостью крови. Установлено, что 1 г. гемоглобина может в среднем связать 1,34 мм кислорода. Зная концентрацию гемоглобина в крови, а она в среднем составляет 15 г . / 100 мл, можно рассчитать кислородную ёмкость крови.
15 * 1,34 = 20,4 об.% (объёмных процентов).
Транспорт диоксида углерода кровью.
Перенос диоксида углерода кровью представляет собой сложный процесс, в котором принимают участие эритроциты (гемоглобин, фермент карбоангидраза) и буферные системы крови.
Диоксид углерода находится в крови в трёх формах: 5% - в физически растворённом виде; 10% - в виде карбогемоглобина; 85% - в виде бикарбонатов калия в эритроцитах и бикарбонатах натрия в плазме.
СО 2 попав в плазму крови из ткани, сразу же диффундирует в эритроциты, где происходит реакция гидратации с образованием угольной кислоты (Н 2 СО 3) и её диссоциацию. Обе реакции катализируются ферментом карбоангидразой, который содержится в эритроцитах.
Н 2 О + СО 2 → Н 2 СО 3
карбоангидраза
↓
Н 2 СО 3 → Н + + НСО 3 -
По мере повышения концентрации бикарбонатных ионов (НСО 3 -) в эритроцитах, одна их часть диффундирует в плазму крови и соединяется с буферными системами, образуя бикарбонат натрия (NaHCO 3). Другая часть НСО 3 - остаётся в эритроцитах и соединяется с гемоглобином (карбогемоглобин) и с катионами калия – бикарбонат калия (КНСО 3).
В капиллярах альвеол гемоглобин соединяется с кислородом (оксигемоглобин) – это более сильная кислота, которая вытесняет угольную кислоту из всех соединений. Под действием карбоангидразы происходит её дегидратация.
Н 2 СО 3 → Н 2 О + СО 2
Таким образом растворённый и освободившийся при диссоциации карбогемоглобина диоксид углерода диффундирует в альвеолярный воздух.
5. Обмен газов между кровью и тканевой жидкостью. Тканевое дыхание.
Обмен газов между кровью и тканями совершается так же, в силу разницы парциального давления газов (по законам осмоса и диффузии). Поступившая сюда артериальная кровь насыщена кислородом, его напряжение составляет 100 мм рт. ст. В тканевой жидкости напряжение кислорода составляет 20 - 40 мм рт. ст., а в клетках его уровень падает до 0.
Соответственно: О 2 100 – 40 = 60 мм рт. ст.
60 – 0 = 60 мм рт. ст.
Поэтому оксигемоглобин отщипляет кислород, который быстро переходит в тканевую жидкость, а затем в клетки тканей.
Тканевое дыхание – это процесс биологического окисления в клетках и тканях. Поступающий в ткани кислород затрагивается на окисление жиров, углеводов и белков. Освобождающаяся при этом энергия накапливается в форме макроэргических связей – АТФ. Кроме окислительного фосфолирирования кислород также используется при микросомальном окислении – в микросомах эндоплазматического ретикулума клеток . Пори этом конечными продуктами окислительных реакций становится вода и диоксид углерода.
Диоксид углерода, растворяясь в тканевой жидкости, создаёт там напряжение 60-70 мм рт. ст., что выше, чем в крови (40 мм рт. ст.).
СО 2 70 - 40 = 30 мм рт. ст.
Таким образом, высокий градиент напряжения кислорода и разница парциального давления диоксида углерода в тканевой жидкости и крови является причиной его диффузии из тканевой жидкости в кровь.
6. Регуляция дыхания.
Дыхательный центр – это совокупность нейронов, расположенных во всех отделах ЦНС и принимающих участие в регуляции дыхания.
Главная часть «ядро» дыхательного центра Миславского расположено в продолговатом мозге, в области ретикулярной формации на дне четвёртого мозгового желудочка. Среди нейронов этого центра существует строгая специализация (распределение функций). Одни нейроны регулируют акт вдоха, другие акт выдоха.
Бульбарный отдел дыхательного цен тра обладает уникальной особенностью – автоматией, которая сохраняется даже при полной его деафферентации (после прекращения воздействия со стороны различных рецепторов и нервов).
В области варолиева моста расположен «пневмотаксический центр». Он не обладает автоматией, но оказывает влияние на деятельность нейронов дыхательного центра Миславского, поочерёдно стимулируя активность нейронов акта вдоха и выдоха.
От дыхательного центра идут нервные импульсы к мотонейронам ядра грудобрюшного нерва (3-4 шейные позвонки – центр диафрагмальных мышц) и к мотонейронам расположенных в латеральных рогах грудного отдела спинного мозга (иннервирует наружные и внутренние межрёберные мышцы).
В лёгких (между гладкими мышцами воздухоносных путей и вокруг капилляр малого круга кровообращения) располагаются три группы рецепторов: растяжения и спадения, ирритантные, юкстакапилярные. Информация от этих рецепторов, о состоянии лёгких (растяжение, спадение), их наполнение воздухом, попадание раздражающих веществ в дыхательные пути (газ, пыль), изменение кровяного давления в легочных сосудах, по афферентным нервам попадает в дыхательный центр. Это оказывает влияние на частоту и глубину дыхательных движений, проявление защитных рефлексов кашля и чихания.
Большое значение в регуляции дыхания имеют гуморальные факторы. На изменение газового состава крови реагируют сосудистые рефлексогенные зоны каротидного синуса, аорты и продолговатого мозга.
Увеличение концентрации диоксида углерода в крови приводит к возбуждению дыхательного центра. В результате этого дыхание учащается – диспное (одышка). Уменьшение уровня диоксида углерода в крови замедляет ритм дыхательных движений – апное.
Что такое газообмен? Без него не сможет обойтись практически ни одно живое существо. Газообмен в легких и тканях, а также крови помогает насыщать клетки питательными веществами. Благодаря ему мы получаем энергию и жизненные силы.
Что такое газообмен?
Для существования живым организмам необходим воздух. Он представляет собой смесь из множества газов, основную долю которых составляют кислород и азот. Оба эти газа являются важнейшими компонентами для обеспечения нормальной жизнедеятельности организмов.
В ходе эволюции разные виды выработали свои приспособления для их получения, у одних развились легкие, у других - жабры, а третьи используют только кожные покровы. При помощи этих органов осуществляется газообмен.
Что такое газообмен? Это процесс взаимодействия внешней среды и живых клеток, в ходе которого происходит обмен кислорода и углекислого газа. Во время дыхания вместе с воздухом в организм поступает кислород. Насыщая все клетки и ткани, он участвует в окислительной реакции, превращаясь в углекислый газ, который выводится из организма вместе с другими продуктами метаболизма.
Газообмен в легких
Каждый день мы вдыхаем больше 12 килограмм воздуха. В этом нам помогают легкие. Они являются самым объемным органом, способным вместить до 3 литров воздуха за один полный глубокий вдох. Газообмен в легких происходит при помощи альвеол - многочисленных пузырьков, которые переплетены с кровеносными сосудами.
Воздух попадает в них через верхние дыхательные пути, проходя трахею и бронхи. Соединенные с альвеолами капилляры забирают воздух и разносят его по кровеносной системе. В то же время они отдают альвеолам углекислый газ, который покидает организм вместе с выдохом.
Процесс обмена между альвеолами и сосудами называется двусторонней диффузией. Он происходит всего за несколько секунд и осуществляется благодаря разнице в давлении. У насыщенного кислородом атмосферного воздуха оно больше, поэтому он устремляется к капиллярам. Углекислый газ имеет меньшее давление, отчего и выталкивается в альвеолы.
Кровообращение
Без кровеносной системы газообмен в легких и тканях был бы невозможен. Наше тело пронизано множеством кровеносных сосудов различной длины и диаметра. Они представлены артериями, венами, капиллярами, венулами и т. д. В сосудах кровь непрерывно циркулирует, способствуя обмену газов и веществ.
Газообмен в крови осуществляется при помощи двух кругов кровообращения. При дыхании воздух начинается двигаться по большому кругу. В крови он переносится, прикрепляясь к специальному белку гемоглобину, который содержится в эритроцитах.
Из альвеол воздух попадает в капилляры, а затем в артерии, направляясь прямо к сердцу. В нашем организме оно исполняет роль мощного насоса, перекачивая насыщенную кислородом кровь к тканям и клеткам. Они, в свою очередь, отдают кровь, наполненную углекислым газом, направляя её по венулам и венам обратно к сердцу.
Проходя через правое предсердие, венозная кровь завершает большой круг. В правом желудочке начинается По нему кровь перегоняется в Она движется по артериям, артериолам и капиллярам, где совершает обмен воздухом с альвеолами, чтобы начать цикл заново.
Обмен в тканях
Итак, мы знаем, что такое газообмен легких и крови. Обе системы переносят газы и обмениваются ими. Но ключевая роль принадлежит тканям. В них происходят главные процессы, изменяющие химический состав воздуха.
Насыщает клетки кислородом, который запускает в них целый ряд окислительно-восстановительных реакций. В биологии они называются циклом Кребса. Для их осуществления необходимы ферменты, которые также приходят вместе с кровью.
В ходе образуются лимонная, уксусная и другие кислоты, продукты для окисления жиров, аминокислот и глюкозы. Это один из важнейших этапов, который сопровождает газообмен в тканях. Во время его протекания освобождается энергия, необходимая для работы всех органов и систем организма.
Для осуществления реакции активно используется кислород. Постепенно он окисляется, превращаясь в углекислый газ - СО 2 , который выделяется из клеток и тканей в кровь, потом в легкие и атмосферу.
Газообмен у животных
Строение организма и систем органов у многих животных значительно варьируется. Наиболее схожими с человеком являются млекопитающие. Небольшие животные, например планарии, не имеют сложных систем для обмена веществами. Для дыхания они используют внешние покровы.
Амфибии для дыхания используют кожные покровы, а также рот и легкие. У большинства животных, обитающих в воде, газообмен осуществляется при помощи жабр. Они представляют собой тонкие пластины, соединенные с капиллярами и переправляющие в них кислород из воды.
Членистоногие, например многоножки, мокрицы, пауки, насекомые, не обладают легкими. По всей поверхности тела у них расположены трахеи, которые направляют воздух прямо к клеткам. Такая система позволяет им быстро передвигаться, не испытывая одышки и усталости, ведь процесс образования энергии происходит быстрее.
Обмен газов у растений
В отличие от животных, у растений газообмен в тканях включает потребление и кислорода, и углекислого газа. Кислород они потребляют в процессе дыхания. Растения не обладают для этого специальными органами, поэтому воздух поступает в них через все части тела.
Как правило, листья имеют наибольшую площадь, и основное количество воздуха приходится именно на них. Кислород поступает в них через небольшие отверстия между клетками, называемые устьицами, перерабатывается и выводится уже в виде углекислого газа, как и у животных.
Отличительной особенностью растений является способность к фотосинтезу. Так, они могут преобразовывать неорганические компоненты в органические при помощи света и ферментов. Во время фотосинтеза поглощается углекислый газ и производится кислород, поэтому растения являются настоящими «фабриками» по обогащению воздуха.
Особенности
Газообмен является одной из важнейших функций любого живого организма. Он осуществляется при помощи дыхания и кровообращения, способствуя освобождению энергии и обмену веществ. Особенности газообмена заключаются в том, что он не всегда протекает одинаково.
В первую очередь он невозможен без дыхания, его остановка в течение 4 минут способна привести к нарушениям работы клеток мозга. В результате этого организм умирает. Существует множество заболеваний, при которых наблюдается нарушение газообмена. Ткани не получают достаточно кислорода, что замедляет их развитие и функции.
Неравномерность газообмена наблюдается и у здоровых людей. Он значительно увеличивается при усиленной работе мышц. Буквально за шесть минут он достигает предельной мощности и придерживается её. Однако при усилении нагрузки количество кислорода может начать увеличиваться, что также неприятно скажется на самочувствии организма.
Loading...