Положение ребер при выдохе и вдохе

Учитель физики. (Объясняет понятия парциального давления газов и механизмов газообмена в легких и тканях.)

Воздух представляет собой смесь газов, в которую входят азот, кислород, углекислый газ, аргон и другие газы. Воздушная масса атмосферы оказывает на нас давление, равное примерно 760 мм рт. ст.
В смеси газов каждый газ оказывает независимое давление, которое называют парциальным давлением данного газа. Парциальное давление каждого газа в атмосферном воздухе легко подсчитать. Например, кислород на любой высоте составляет по объему 20,9% воздуха, поэтому его парциальное давление на уровне моря при полном (барометрическом) давлении 760 мм рт. ст. будет равно:

Р(О₂) = (760 х 20,9): 100 = 159 мм рт. ст.

Так же рассчитывается и давление других газов:

P(N₂) = 600,8 мм рт. ст.; Р(СО₂) = 0,2 мм рт. ст.

На схеме 1 изображен каскад процессов с участием дыхательных газов в соответствии с их парциальными давлениями. Ключевыми для дыхания в этом каскаде, несомненно, являются переходы газов из легких в кровь и из крови в ткани.

Схема 1

Стенки легочных альвеол человека состоят из однослойного плоского эпителия, покрытого слизью – сурфактантом. Сурфактант снижает поверх-ностное натяжение в альеолах, что позволяет с меньшими усилиями увеличивать объем легких при вдохе. Перенос газов через стенки альвеол происходит согласно закону диффузии. Направление и скорость этого процесса определяются разностью парциальных давлений газа, или его напряжений. В притекающей к капиллярам легких венозной крови напряжение кислорода составляет 40 мм рт. ст., а углекислого газа – 47 мм рт. ст.

Согласно законам физики, если над жидкостью находится смесь газов или две жидкости разделены проницаемой для газов мембраной, то газы будут диффундировать от места большего давления к месту меньшего до тех пор, пока не установится динамическое равновесие – равенство прямого и обратного потоков газов. Поскольку парциальное давление кислорода в альвеолах больше, чем в венозной крови, то кислород диффундирует из альвеолы в капилляры. Напротив, напряжение углекислого газа больше в венозной крови, чем в альвеолярном воздухе, поэтому углекислый газ диффундирует в альвеолы. Условия для газообмена в легких настолько благоприятны, что данный процесс приводит к равновесному состоянию примерно за 1 с.

Потребность человека в кислороде в состоянии покоя составляет 350 мл/мин; при физической работе она доходит до 5000 мл/мин. Ее можно полностью удовлетворить, поскольку при разности парциальных давлений в 1 мм рт. ст. в кровь переходит 250 мл кислорода, а разность между напряжениями О₂ в воздухе и в крови составляет не менее 70 мм рт. ст. что позволяет удовлетворять максимальные потребности организма.

Учитель биологии. (Проводит фронтальную беседу с использованием схемы 2.)

Второй этап дыхания человека – перенос газа кровью. В состоянии покоя за 1 мин мы в среднем потребляем 250 мл кислорода и выделяем 200 мл углекислого газа. Газы, входящие в состав воздуха, очень слабо растворяются в жидкостях. Однако в крови имеется удивительное вещество – гемоглобин, – которое способно химически связывать кислород и углекислый газ, а также поддерживать постоянную реакцию крови.

Схема 2

Кровь, поступив через легочную артерию в легкие, растекается по капиллярам альвеол, образующих густую сеть, что обеспечивает хороший газообмен. Кислород, переходя из альвеолярного воздуха в кровь, вступает в непрочное соединение с гемоглобином, образуя оксигемоглобин. В виде оксигемоглобина кислород от легких кровью переносится к тканям.

Связывание кислорода в гемоглобине осуществляется с помощью иона железа. Одна молекула гемоглобина присоединяет четыре молекулы кислорода. При этом гемоглобин превращается в оксигемоглобин, а кровь из вишневой венозной становится алой артериальной. Эта реакция обратима. Прямой перенос кислорода плазмой крови незначителен: в 100 мл артериальной крови растворено 3 мл свободного кислорода и 19 мл связано гемоглобином.

Перенос углекислого газа также связан с гемо-глобином. Примерно 10% газа соединяется с этим белком и образует непрочное химическое соединение карбогемоглобин. Остальная часть соединяется с водой и превращается в угольную кислоту. Далее кислота реагирует с ионами натрия и калия в плазме крови.

Учитель физики. Газообмен в тканях протекает по тем же физическим законам. Ткани поглощают О₂ и отдают СО₂, при этом газы переходят из области большего напряжения в область меньшего напряжения: Р(О₂) в тканях составляет 20–40 мм рт. ст, а P(СО₂) – около 60 мм рт. ст. На интенсивность газообмена влияют длина капилляров, разность напряжений, химический состав крови, скорость кровотока и т.д. Чем интенсивнее энергетический обмен в какой-либо ткани, органе или системе органов, тем больше требуется кислорода.

Вопрос классу. Как происходит диффузия газов в организме человека?

Ответ. Перенос газов в легких осуществляется за счет разности между их парциальными давлениями в альвеолах и в крови. Газы переходят из области высокого напряжения в область низкого напряжения. Кислорода много в альвеолах и мало в капиллярах; углекислого газа, наоборот, мало в альвеолах и много в капиллярах.

Обязательным условием нормального дыхания являются определенные концентрация кислорода в воздухе и величина атмосферного давления. Эти показатели меняются, если человек поднимается в горы или опускается под воду.