Вдыхаемый и выдыхаемый альвеолярный воздух. Глава IV
Обмен газов в легких происходит путем диффузии. Газы диффундируют изобласти высокого давления в область низкого давления. В связи с этим кислород проникает из альвеол в венозную кровь, а углекислый газ - из венозной крови в альвеолы. В результате этих процессов кровь обогащается кислородом и становится артериальной.
Транспорт газов кровью. Кислород в основном транспортируется к тканям в составе оксигемоглобина. Небольшое количество углекислого газа переносится в составе карбгемоглобина. Большое количество СО 2 соединяясь с водой, образует угольную кислоту. Угольная кислота в тканевых капиллярах реагирует с солями натрия и калия и превращается в бикарбонаты. Перенос углекислого газа происходит в составе бикарбонатов калия эритроцитов (меньшая часть) и бикарбонатов натрия плазмы (большая часть). Большое значение для образования и распада угольной кислоты имеет фермент карбоангидраза.
Газообмен в тканях происходит по тому же принципу, что и в легких. Диффузия газов в тканях происходит следующим образом. Кислород проникает из крови в тканевую жидкость, а углекислый газ - из тканевой жидкости в кровь. В результате этих процессов клетки тканей обогащаются кислородом, а кровь из артериальной превращается в венозную.
Жизненная емкость легких. При спокойном уровне дыхания между легкими и внешней средой курсирует определенный объем воздуха, называемый дыхательным объемом. Он составляет 500 - 600 мл. После спокойного вдоха человек может дополнительно вдохнуть еще 1500 мл воздуха. Этот объем называют дополнительным объемом вдоха. После спокойного выдоха человек может выдохнуть еще примерно 1500 мл воздуха. Этот объем называется резервным объемом выдоха. Совокупность этих трех объемов составляет жизненную емкость легких (около 3500 мл для взрослого человека).
Общая емкость легких превышает жизненную емкость. Даже при самом глубоком выдохе в легких остается еще примерно 1000 мл так называемого остаточного воздуха.
Дыхательные движения осуществляются благодаря дыхательной мускулатуре, к которой относятся наружные и внутренние межреберные мышцы и диафрагма.
Вдох- активный процесс, при котором происходит сокращение наружных межреберных мышц и диафрагмы. При этом ребра приподнимаются, а диафрагма становится более плоской. В результате объем грудной клетки увеличивается. Давление в плевральной полости падает, и легкие растягиваются. Давление воздуха в них становится ниже атмосферного, и воздух входит в легкие.
При усиленном дыхании в акте вдоха принимают участие все мышцы, способные поднимать ребра и грудину, например, большие и малые грудные мышцы, мышцы плечевого пояса и др.
При выдохе наружные межреберные мышцы и диафрагма расслабляются и сокращаются внутренние межреберные мышцы. Вследствие этого объем грудной клетки уменьшается, легкие сжимаются, давление воздуха в них увеличиваются и воздух выходит наружу.
При активном выдохе сокращаются имышцы брюшной стенки (косые, поперечные и прямые), что усиливает поднятие диафрагмы.
В зависимости от того, в каком направлении изменяются размеры грудной клетки при дыхании, различают грудной, брюшной и смешанный типы дыхания. Диафрагмальное (брюшное) дыхание – дыхание, осуществляемое за счет сокращения диафрагмы и брюшных мышц. Грудное дыхание - дыхание, при котором происходит активное движение грудной клетки: расширение грудной клетки и втягивание живота при вдохе и обратные движения – при выдохе. Грудобрюшное дыхание (смешанное) – дыхание, при котором активны мышцы грудной и брюшной полостей, а также диафрагма.
Частота дыхательных движений у взрослого человека в среднем 16–20 в минуту. Изменение ее зависит от многих причин: от возраста – у новорожденных она составляет 40–55 дыханий в мин., у детей 1–2 лет – 30–40; от пола – у женщин на 2–4 дыхания в мин. больше, чем у мужчин; от положения тела – в лежачем положении происходит 14–16 дыханий в мин., в сидячем – 16–18, в стоячем – 18–20. Физическое напряжение, еда, повышение температуры тела, нервное возбуждение учащают дыхание. У спортсменов в покое частота дыханий может быть 6–8 в мин.
Глубина дыхания определяется по объему вдыхаемого и выдыхаемого воздуха в спокойном состоянии больного. У взрослого человека дыхательный объем в среднем составляет 500 мл.
Дыхание здорового человека осуществляется ритмично, с равными промежутками времени между вдохами и выдохами, с одинаковой глубиной и продолжительностью вдоха и выдоха. У новорожденных и грудных детей дыхание аритмично. Глубокое дыхание сменяется поверхностным. Паузы между вдохом и выдохом неравномерны.
Нервная и гуморальная регуляция дыхания. Регуляция дыхания осуществляется дыхательным центром, который находится в продолговатом мозге. Он состоит из центра вдоха и центра выдоха и обладает автоматией. В дыхательном центре периодически возникает возбуждение, которое передается сначала на нейроны спинного мозга, а затем - к дыхательным мышцам, что приводит к их сокращению.
При вдохе альвеолы растягиваются, что раздражает нервные окончания блуждающего нерва Возникшее возбуждение передается в дыхательный центр, что тормозит центр вдоха; происходит выдох. Альвеолы возвращаются в исходное состояние, возбуждение рецепторов растяжения альвеол прекращается. В центре вдоха вновь возникает возбуждение, и процесс повторяется.
На работу дыхательного центра оказывает влияние кора больших полушарий. Человек может произвольно регулировать дыхание при разговоре, пении, может «держать дыхание или провести гипервентиляцию легких путем усиленного дыхания.
Рефлекторное изменение дыхания происходит при раздражении многих рецепторов: болевых, холодовых и др. Наиболее важным гуморальным фактором регуляции дыхания является изменение напряжение углекислого газа в крови. Чувствительные к содержанию СО 2 хеморецепторы располагаются в области дуги аорты, в месте разветвления сонных артерий. Повышение содержания углекислого газа в крови приводит к углублению и учащению дыхания.
Дыхание возможно только тогда, когда свободны воздухоносные пути. Костные стенки носовой полости, полукольца трахеи и кольца бронхов, состояние из хрящевой ткани, не дают спадаться дыхательным трубкам при дыхании. Воздух свободно проходит от носовых ходов до легочных пузырьков.
Охлаждение ног, сквозняки вызывают рефлекторное расширение кровеносных сосудов в стенке носовой полости и других участках верхних дыхательных путей. Носовые пути становятся узкими, забиваются слизью, и воздух через них пройти не может. Часто то же самое происходит при попадании в верхние дыхательные пути инфекции, а также пыли, веществ, вызывающих сильное раздражение слизистой, например табачного дыма. Изменение слизистой может быть вызвано и аллергией. Возникающие при этом кашель и насморк способствуют выведению слизи наружу и восстановлению нормального дыхания. Правда, бывают случаи, когда эти естественные реакции не дают эффекта и их приходится задерживать специальными препаратами или, наоборот, стимулировать, чтобы накопившаяся в трахее и бронхах слизь выходила скорее. Так, микстуры от кашля делают слизь более жидкой и она легче отделяется.
Занятие № 7.
Тема: Внешнее дыхание. Структура дыхательного цикла.
Дыхание - совокупность процессов, в результате которых происходит потребление организмом кислорода и выделение углекислого газа.
Дыхание у человека и высших животных включает следующие процессы:
1. Обмен воздуха между внешней средой и альвеолами легких.
2. Обмен газов между альвеолярным воздухом и кровью, протекающей через легочные капилляры.
3. Транспорт газов кровью.
4. Обмен газов между кровью и тканями в тканевых капиллярах.
5. Потребление клетками кислорода и выделение ими углекислого газа.
У одноклеточных организмов газообмен происходит через всю поверхность тела, у насекомых – через трахеи, которые пронизывают все тело, у рыб – в жабрах. У земноводных 2/3 газообмена осуществляется через кожу и 1/3 – через легкие. У млекопитающих животных газообмен почти полностью совершается в легких и незначительно через кожу и пищеварительный тракт.
Внешнее дыхание.
Легкие у сельскохозяйственных животных расположены в герметически закрытой грудной полости, где давление отрицательное (ниже атмосферного). Изнутри грудная полость выстлана плеврой, один из листков которой (париетальный) прилегает к грудной клетке, а другой (висцеральный) покрывает легкие. Между ними есть щель, заполненная серозной жидкостью для уменьшения трения легких во время вдоха и выдоха. Легкие лишены мускулатуры и пассивно следуют за движением грудной клетки: при расширении последней – расширяются и засасывают воздух (вдох), при спадении – спадаются (выдох). Дыхательная мускулатура грудной клетки и диафрагмы сокращается за счет импульсов, поступающих из дыхательного центра, обеспечивающего нормальное дыхание. Если вскрыть грудную клетку, воздух поступает в плевральную полость (пневмоторакс) и давление в ней станет – равным атмосферному, в результате легкие спадутся (ателектаз).
Отрицательное давление в плевральной полости.
У плодов животных легкие заполняют всю грудную полость. Газообмен происходит через плаценту. Легкие плода в дыхании не участвуют.
После рождения при первом вдохе ребра поднимаются, но в исходное положение вернуться не могут, так как фиксируются в позвонках.
Эластичная ткань легких стремится к спадению, между легкими и грудной клеткой образуется щель, в которой давление ниже атмосферного. Так, в альвеолах легких давление равно атмосферному –760, в плевральной полости – 745-754 мм рт.ст. Эти 10-30 мм и обеспечивают расширение легких. При вдохе объем грудной полости увеличивается, давление понижается воздух поступает в легкие. При спадении грудной клетки грудная полость уменьшается, в ней повышается давление и воздух вытесняется наружу – происходит выдох.
Под частотой дыхания понимают количество дыхательных циклов (вдох- выдох) в 1 мин. Частота дыхательных движений у животных зависит от интенсивности обмена веществ, температуры окружающей среды, продуктивности животных и т.д.
Крупные животные дышат реже, чем мелкие, молодые чаще, чем взрослые. Высокопродуктивные коровы дышат чаще, чем низкопродуктивные. Физическая работа, прием корма, возбуждение учащают дыхание.
Частота дыхательных движений
У животных в 1 мин
| Вид животного | Частота |
| Лошадь Крупный рогатый скот Свинья Собака Курица | 8-12 10-30 8-18 10-30 22-25 |
В акте дыхания принимают участие наружные и внутренние межреберные мышцы, мышцы диафрагмы. В зависимости от того, какие мышцы в больше степени участвуют в расширении грудной клетки, различают три типа дыхания: реберный, или грудной (при вдохе в основном сокращаются наружные межреберные мышцы); брюшной, или диафрагмальный (за счет сокращения диафрагмы); реберно-брюшной, когда в дыхании участвуют мышцы грудной клетки и диафрагмы. При беременности, заболеваниях брюшных органов тип дыхания изменяется на грудной, так как животные «оберегают» больные органы.
При дыхании происходит расширение и спадение грудной клетки. Запись дыхательных движений носит название пневмограммы, по которой можно определить частоту и глубину дыхания.
К защитным дыхательным рефлексам относят кашель, чихание, остановка, увеличение или учащение дыхания.
Кашель, чихание возникают вследствие раздражения рецепторов верхних дыхательных путей механическими частицами, слизью. Во время кашля, чихания происходит резкий выдох при закрытой голосовой щели, в результате чего раздражающие вещества удаляются.
Защитной реакцией организма является остановка дыхания. Если животному дать вдыхать нашатырный спирт, эфир, хлор или другие остро пахнущие вещества, происходит остановка дыхания, что препятствует проникновению в легкие раздражающих веществ.
Болевое раздражение вначале вызывает задержку, а затем усиление дыхания.
Перенос газов кровью.
При вдохе воздух поступает в альвеолы легких, где происходит газообмен протекающий через капилляры. Вдыхаемый воздух – это смесь газов: кислород – 20,82%, углекислый газ – 0,03 и азот – 79,15% . Газообмен в легких происходит в результате диффузии углекислого газа из крови в альвеолярный воздух и кислорода из альвеолярного воздуха в кровь в силу разности парциального давления газов в альвеолярном воздухе и крови.
Парциальное давление – это часть общего давления газовой смеси, приходящегося на долю того или иного газа в смеси. Так, напряжение углекислого газа в венозной крови равняется 46 мм рт. ст., а в альвеолярном воздухе – 40, кислорода в альвеолах легких – 100 мм рт. ст., а венозной крови – 90.
Поступивший в кровь кислород растворяется в плазме в количестве 0,3 об.%, а остальной связывается с гемоглобином, в результате чего образуется оксигемоглобин, который распадается в тканях. Количество кислорода, которое может связать 100 мл крови, называется кислородной емкостью крови . Освободившийся гемоглобин связывается с углекислотой (образуя карбогемоглобин), 2,5 об.% углекислоты растворяется в плазме крови. Из легких углекислый газ выделяется с выдыхаемым воздухом.
Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха
Атмосферный воздух, поступающий в легкие во время вдоха, называется вдыхаемым воздухом; воздух, выделяемый наружу через дыхательные пути во время выдоха, - выдыхаемым . Выдыхаемый воздух - это смесь воздуха, заполнявшего альвеолы, - альвеолярного воздуха - с воздухом, находящимся в воздухоносных путях (в полости носа, гортани, трахеи и бронхов). Состав вдыхаемого, выдыхаемого и альвеолярного воздуха в нормальных условиях у здорового человека довольно постоянен и определяется следующими цифрами (табл. 3).
Данные цифры могут несколько колебаться в зависимости от различных условий (состояние покоя или работы и др.). Но при всех условиях альвеолярный воздух отличается от вдыхаемого значительно меньшим содержанием кислорода и большим содержанием углекислого газа. Это происходит в результате того, что в легочных альвеолах из воздуха поступает в кровь кислород, а обратно выделяется углекислый газ.
Газообмен в легких обусловлен тем, что в легочных альвеолах и венозной крови , притекающей к легким, давление кислорода и углекислоты различно: давление кислорода в альвеолах выше, чем в крови, а давление углекислого газа, наоборот, в крови выше, чем в альвеолах. Поэтому в легких и осуществляется переход кислорода из воздуха в кровь, а углекислоты - из крови в воздух. Такой переход газов объясняется определенными физическими законами: если давление какого-нибудь газа, находящегося в жидкости и в окружающем ее воздухе, различно, то газ переходит из жидкости в воздух и наоборот, пока давление не уравновесится.
Таблица 3
В смеси газов, какой является воздух, давление каждого газа определяется процентным содержанием данного газа и называется парциальным давлением (от латинского слова pars - часть). Например, атмосферный воздух оказывает давление, равное 760 мм ртутного столба. Содержание кислорода в воздухе равно 20,94%. Парциальное давление кислорода атмосферного воздуха будет составлять 20,94% от общего давления воздуха, т. е. 760 мм, и равно 159 мм ртутного столба. Установлено, что парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе составляет 100 - 110 мм, а в венозной крови и капиллярах легких - 40 мм. Парциальное давление углекислого газа равняется в альвеолах 40 мм, а в крови - 47 мм. Разницей в парциальном давлении между газами крови и воздуха и объясняется газообмен в легких. В этом процессе активную роль играют клетки стенок легочных альвеол и кровеносных капилляров легких, через которые происходит переход газов.
Газообмен в легких - обмен газов путем диффузии между альвеолярным воздухом и кровью. Происходит это совокупность процессов в альвеолах и ближайших к ним элементах переходной зоны дыхательных путей: бронхиолах, альвеолярных мешочках.
В состав атмосферного воздуха входит почти 21% кислорода, около 79% азота, примерно 0,03% углекислого газа, небольшое количество водяных паров и инертных газов. Такой воздух мы вдыхаем, и называют его вдыхаемым. Воздух, который мы выдыхаем, называют выдыхаемым. Его состав по сравнению с вдыхаемым другой: 16,3% кислорода, около 79% азота, примерно 4% углекислого газа и др. Разное содержание кислорода и углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе объясняется обменом газов в легких.
Газообмен в легких происходит при диффузии газов через стенки альвеол и кровеносных капилляров вследствие разницы между парциальным давлением O2 и СO2 в альвеолярном воздухе и в крови.
Парциальное давление O2 и СO2 в альвеолярном воздухе и в крови
Для быстрого газообмена в легких разница между парциальным давлением газов в альвеолярном воздухе и их напряжением в крови составляет для O2 - около 70 мм рт. Ст, для СО2 - около 7 мм рт. ст.
Транспортировка газов - перенос кровью O2 от легких к клеткам и СО2 от клеток к легким.
Осуществляется этот этап кровеносной системой, а транспортным средством является кровь. Коэффициенты растворимости дыхательных газов разные (O2 - 0,022, СО2 - 0,53), поэтому и транспортируются они по-разному. Транспортировка кислорода обеспечивается основным переносчиком кислорода - гемоглобином крови, и очень незначительная часть 02 растворяется в плазме. В молекуле гемоглобина содержится одна молекула глобина и 4 молекулы гема, каждый из которых имеет один атом двухвалентного железа, связывает одну молекулу кислорода: Нb + 4O2 = НbO8. Присоединение кислорода к гемоглобину с образованием оксигемоглобина происходит при парциальном давлении 70-73 мм рт. ст. Один грамм гемоглобина может присоединить 1,34 мл. кислорода. Для транспорта углекислого газа существует три способа переноса углекислоты кровью: 1) в растворенном состоянии - 5%; 2) в виде карбгемоглобин - 10-20%; 3) в виде карбонатов (в основном гидрокарбонаты натрия и калия) - 85%.
Газообмен в тканях - обмен газов путем диффузии между кровью и тканями в капиллярах. Обусловлен этот этап напряжением газов в крови и тканях (для O2 - около 70 мм рт. Ст, для СО2 - около 7 мм рт. Ст.) И осуществляется также вследствие диффузии. В тканях разница напряжения поддерживается непрерывным процессом биологического окисления.
Тканевое дыхание - потребление 02 клетками и выделение ими СО2. Это многоэтапный ферментативный процесс использования кислорода клетками для окисления органических соединений с образованием СО2 и Н2О и получения энергии для жизнедеятельности. В клетках кислород доставляется к митохондрий, где и происходит окисление органических соединений и синтез АТФ. Подробнее клеточное дыхание изучается биохимией.
Основные показатели дыхания
Различают несколько показателей, характеризующих функциональное состояние легких, их измеряют с помощью специального прибора, который называется спирометра. В основном определяют жизненную емкость легких (ЖЕЛ). Жизненная емкость легких - это самый большой объем воздуха, который человек может выдохнуть после самого глубокого вдоха. Этот показатель состоит из таких объемов, как:
1) дыхательный объем (ДО ) - объем воздуха, который человек вдыхает и выдыхает при спокойном дыхании (около 500 мл)
2) дополнительный объем (ГТО ), или резервный объем вдоха - максимальный объем воздуха, который можно вдохнуть после окончания спокойного вдоха (около 1500-2000 мл)
3) резервный объем выдоха (РО ) - максимальный объем воздуха, выдыхаемого после спокойного выдоха (1000-1500 мл)
ЖЕЛ = К (0, 5 л) + ГТО (1,5-2 л) + РО (1,5 л) = 3,5-4 л
В норме ЖЕЛ составляет около 3/4 общей емкости легких и характеризует максимальный объем, в пределах которого человек может изменять глубину своего дыхания. ЖЕЛ зависит от возраста (с возрастом уменьшается, что объясняется уменьшением эластичности легких), пола (в женщин - 3-3,5 л, у мужчин - 3,5-4,8 л), физического развития (у физически тренированных людей - 6 -7 л), положение тела (в вертикальном положении несколько больше), роста (у молодых людей эта зависимость выражается формулой: ЖЕЛ = 2,5 × рост в метрах) и др.
Вместе с остаточным объемом, то есть объемом воздуха, остается в легких после глубокого выдоха, ЖЕЛ образует общую емкость легких (ЗЕЛ).
I. Организационный момент
Приветствие. Обращение внимания учащихся к теме предыдущего урока «Значение дыхания. Органы дыхательной системы».
II. Актуализация опорных знаний и мотивация учебной деятельности
С целью актуализации опорных знаний проводим проверку изученного материала.
1. Индивидуальная работа.
Обсуждение высказывания Гиппократа: «Воздух – это пастбище жизни».
2. Письменная работа по карточкам-заданиям. Самопроверка по ключу (работа над ошибками).
3. Обсуждение устных ответов.
III. Изучение нового материала
Учитель биологии. Дыхание – свойство и признак всех живых организмов. И сегодня мы продолжим изучение этого процесса, который как и все процессы в живых организмах, подчинен физическим законам.
Дыхательная система состоит из воздухоносных путей и легких. Изучение особенностей строения и функций легких проведем в виде самостоятельной работы с учебником.
Прочитайте в учебнике статью о строении легких (§ 24, с. 103, 104), выделите:
– знакомую информацию;
– новую информацию;
– «хочу спросить».
После выполнения работы проводится ее обсуждение.
Учитель биологии. Человек дышит атмосферным воздухом, представляющим собой смесь газов. Проанализируйте данные таблицы, сравните, сделайте вывод о составе вдыхаемого и выдыхаемого воздуха.
Таблица. Изменение состава вдыхаемого и выдыхаемого воздуха
Вывод: в выдыхаемом воздухе увеличивается количество углекислого газа на 4% и водяных паров, используется 5% кислорода.
Для экспериментальной проверки результатов сравнения выполните лабораторную работу (с. 105).
Лабораторная работа. Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха
Цель: исследовать состав выдыхаемого воздуха.
Оборудование: прибор для сравнения содержания углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе, известковая вода.
Вывод: известковая вода под действием углекислого газа выдыхаемого воздуха мутнеет, и образуется осадок в соответствии с реакцией:
Са (ОН) 2 + СО 2 ––> СаСО 3 + Н 2 О
Учитель биологии. У человека дыхание осуществляется благодаря следующей последовательности процессов.
Сегодня мы рассмотрим легочное и тканевое дыхание.
При дыхании количество кислорода в легких уменьшается, а углекислого газа увеличивается.
Кислород из воздуха, находящегося в альвеолах, переходит в кровь, а углекислота переходит из крови в альвеолярный воздух.
Почему и как это происходит?
Чтобы объяснить этот процесс, мы должны обратиться к физике, потому что переход газов из окружающей среды в жидкость и из жидкости в воздух подчиняется физическим законам.
