Газообмен в легких человека - анатомия органа и схема процесса

Особенности физиологии

Одно из главных условий жизнедеятельности любого организма — получение кислорода из окружающей среды, без которого невозможны окислительные процессы, обеспечивающие клетки необходимой энергией. Взрослому человеку для нормального самочувствия в состоянии покоя достаточно делать около 14 дыхательных действий в минуту, а новорожденному — одно в секунду. С ростом ребенка происходит развитие и органов дыхания.

Химические реакции с кислородом сопровождаются образованием новых соединений, негативно влияющих на организм. Особенно опасным является углекислый газ CO2, при котором невозможно нормальное функционирование органов, поэтому жизненно важным является его выведение назад в атмосферу. Эти важные функции выполняют органы дыхания, работающие беспрерывно на протяжении всей жизни человека. Частота дыхания может иметь разные значения в зависимости от возраста и состояния людей.

Дыхательная система

Дыхание — это совокупность всех физиологических и химических процессов, обеспечивающих усвоение кислорода, участвующих в выведении углекислого газа и получении путем окисления продуктов, необходимых для энергетического обеспечения жизнедеятельности организма человека. К дыхательной системе относятся:

1. Дыхательные пути.
2. Легкие.
3. Дыхательные мышцы.
4. Нервные структуры.
5. Кровеносная и сердечно-сосудистая системы.

В анатомии человека дыхательные пути разделяют на верхние и нижние. К первым относятся полость рта, носа и носоглотка. Их строение и бактерицидные вещества, покрывающие слизистые поверхности, препятствуют проникновению пыли и микроорганизмов в нижние отделы системы. Гортань проводит вдыхаемый воздух в трахею и является звукообразующим органом. Ее внутренняя оболочка покрыта чувствительными клетками, вызывающими кашель при попадании инородных тел. Трахея имеет вид трубки, разветвляющейся на два главных бронха. Более мелкие бронхиальные ответвления переходят через легочные ворота в главный орган дыхания — легкие.

Для выполнения своей функции они постоянно сокращаются или растягиваются, что обеспечивается межреберными мышцами и диафрагмой — плоской мышцей между грудной и брюшной полостями. Внешнее управление всеми процессами находится в так называемом центре регуляции дыхания — специальной области продолговатого мозга.

Нейросигналы вырабатываются в зависимости от показателя насыщения крови углекислым газом. Легкие связаны с сердцем легочной артерией, которая снабжает кислородом всю кровеносную систему.

Строение легких

В процессе эволюции органы дыхания претерпели значительные изменения: от воздушных мешков беспозвоночных и ячеистого строения у пресмыкающихся до высокоорганизованного органа у млекопитающих. На анатомических рисунках хорошо заметно расположение легких на бронхиальном дереве. Внешне этот парный орган представляет собой два усеченных конуса и состоит из огромного скопления альвеол. Правое легкое короче и шире левого и разделено на две доли.

Внизу переднего края левого легкого находится сердечная вырезка (место расположения сердца), поэтому оно имеет только две доли. Каждое легкое покрыто оболочкой — плеврой, два листа которой образуют герметичный мешок, называемый плевральной полостью. Эта часть играет важную роль при возврате венозной крови в легкие и обеспечивает циклические сокращения при вдохе-выдохе.

Альвеола — это небольшой пузырек, образованный эластичной тканью, способной значительно увеличиваться в объеме. Общая площадь всех альвеолярных поверхностей значительно превышает площадь кожных покровов, поэтому самый большой по размеру орган человеческого организма — легкие. Важной характеристикой органа является аэрогематический барьер. Он представляет собой комплексную структуру и имеет ключевое значение в газообменных процессах. К нему относятся:

• эпителий альвеол;
• эндотелий капилляров;
• межклеточное пространство;
• базальные мембраны, разделяющие просветы альвеол и капилляров.

Альвеолы легких пронизаны капиллярами, а их внутренняя поверхность покрыта сурфактантом — веществом, которое при сжатии снижает поверхностное натяжение. Это уникальное свойство обеспечивает стабилизацию альвеол при выдохе и удерживает легкие от спадания.

Дополнительные функции

Кроме газообмена, легкие выполняют и другие функции. Они представляют собой резервуар крови, так как их сосуды легко увеличиваются в объеме даже при незначительном повышении кровяного давления. Поэтому эффективным способом оказания первой помощи является закрытый массаж сердца. Фильтрующая функция заключается в способности легких очищать венозную кровь от механических примесей и тромбов и удалять их вместе с мокротой через верхние дыхательные пути. В норме здоровые люди не замечают такие выделения, а повышенное образование мокроты свидетельствует о нарушениях газообмена и возможных заболеваниях.

Легкие несут и синтезирующую функцию: в них вырабатываются и активируются важные для организма соединения, например, гепарин, ангиотензин и фосфолипиды. Кроме того, этот орган регулирует агрегатное состояние крови. Дезинтоксикационная функция заключается в нейтрализации агрессивных веществ биологического происхождения — брадикинина, серотонина, норадреналина и некоторых видов простагландинов.

Этапы получения кислорода организмом

При изучении работы дыхательной системы выделяют пять ступеней, описывающих реакции с обеспечением организма кислородом. Схема, по которой происходит процесс:

1. Вентиляция легких.
2. Обмен O2 и CO2 между воздухом в альвеолах и кровью.
3. Транспортирование газов кровью к тканям организма.
4. Диффузия O2 и CO2 в тканях.
5. Клеточное дыхание.

Первый и второй этап относятся к внешнему дыханию, которое участвует в газообмене между воздухом из атмосферы и кровью. Остальные этапы являются внутренним звеном дыхания, связывающим клетки с внешней средой. Вентиляция является циклическим процессом, состоящим из вдохов и выдохов.

При вдохе обеспечивается поступление необходимого объема воздуха из атмосферы в легочные альвеолы. Затем происходит диффузия газов между капиллярами и альвеолами, а также транспортирование O2 и CO2 к клеткам других органов и тканей. Клеточное дыхание сопровождается окислительно-восстановительными реакциями в митохондриях и синтезом АТФ (аденозинтрифосфата) — вещества, незаменимого в процессах метаболизма.

Механизм газообмена

Легкие получают от органов внешнего дыхания уже подготовленные воздушные массы. В альвеолы попадает очищенный от механических примесей, прогретый и увлажненный воздух. Температура и давление смеси газов в альвеолах не зависит от атмосферных показателей и поддерживается в нужных для нормальной работы границах — около 30‑32 °C и примерно 47 мм ртутного столба. В легочных альвеолах происходит постоянный процесс перемещения газов между их воздухом и кровью капилляров, относящихся к малому кругу кровообращения.

Основные понятия

Газообмен в легких происходит как диффузия газов из среды с большим парциальным давлением в среду с меньшим его значением. Термин «парциальное давление» применяется к смеси газов и означает часть общего давления, приходящегося на отдельный газ, присутствующий в смеси. Поскольку понятие физиологии газообмена в легких включает в себя кровь, то используется термин «напряжение», соответствующий парциальному давлению для жидкостей.

Важной характеристикой воздушных масс, участвующих в газообменных процессах, является содержание в них O2, CO2 и других элементов. Процентный состав воздуха приведен в таблице.

При выдохе альвеолярный воздух смешивается с воздухом из дыхательных путей, поэтому содержание углекислого газа в нем повышенное. У детей в выдыхаемом и альвеолярном воздухе процент содержания кислорода больше, чем у взрослых. Это говорит о том, что необходимый газ хуже усваивается детским организмом, и детям нужно чаще совершать вдохи и выдохи.

Процесс диффузии

Газообмену в легких способствует густая сеть капилляров, оплетающих каждую альвеолу, что обеспечивает необходимую площадь поверхности, через которые с наибольшей эффективностью диффундируют газы. Основная задача диффузионного процесса — поддержание постоянного значения напряжения О2 и СО2 во время их обмена в крови капилляров, пронизывающих альвеолы.

Движущей силой диффузии выступает разность напряжений О2 и СО2 с обеих сторон очень тонкого аэрогематического барьера. При этом и кислород, и двуокись углерода находятся в растворенном состоянии — или в крови, или в слизи воздухоносных путей. Легочная ткань, расположенная между капиллярами и альвеолярным пространством, обладает высокой газопроницаемостью.

Диффузионный путь газов заключается в их прохождении через все составляющие барьера, плазму крови и мембраны основных кровяных клеток до попадания во внутреннюю область эритроцитов.

Диффузия в легких возможна благодаря градиенту давлений. Этот показатель определяется разницей между натяжением газа в венозной крови и парциальным давлением альвеол и вычисляется для каждого газообразного вещества отдельно. Значение напряжения в вернувшейся от тканей крови для кислорода составляет около 40 мм рт. ст. Артериальное давление кислорода имеет такую же величину, как и парциальное в альвеолах и насчитывает примерно 100 мм рт. ст. Значение градиента составляет соответственно 60 мм рт. ст. для венозной крови и стремится к нулю для артериальной.

За счет такой разницы кислород активно диффундирует из воздуха альвеол в венозную кровь, пока показатели давления и напряжения не сравняются, а кровь не обогатится кислородом до уровня артериальной. Градиент давлений для CO2 представляет собой разницу между 40 мм рт. ст. парциального альвеолярного давления и 46 мм рт. ст. напряжения в отработанной крови, следовательно, он диффундирует в сторону альвеол, а его градиент равен 6 мм рт. ст. Двуокись углерода выводится из венозной крови и не может попадать в артериальную, так как напряжение в ней для CO2 равно парциальному давлению в альвеолах.

Транспорт газов

Попадая в кровь, кислород взаимодействует с гемоглобином, при этом происходит образование нестабильного соединения оксигемоглобина, которое обеспечивает доставку O2 от легких ко всем тканям организма. Его передача клеткам происходит во время диссоциации гемоглобина в местах низкого напряжения O2. Около 98% кислорода связывается с гемоглобином, а небольшая часть переносится в растворенном плазмой состоянии. Насыщение крови CO2 препятствует связыванию кислорода гемоглобином и может вызвать у людей тяжелую гипоксию.

Двуокись углерода переносится от тканей к легким несколькими способами. Около 6−7% переносится в растворенном виде плазмой крови. Часть CO2 вступает в реакцию с гемоглобином, образуя нестойкое соединение карбаминогемоглобин, быстро диссоциирующее в капиллярах легких с выделением СО2. Но основная масса двуокиси транспортируется гемоглобином эритроцитов в форме бикарбонатов натрия и калия.

Газообмен в легких человека зависит от интенсивности окислительно-восстановительных процессов в организме и с течением жизни изменяется, но его правильное протекание всегда остается неизменным условием хорошего здоровья.