Внешнее дыхание. Обмен газов в легких и тканях

Основные вопросы: Дыхание и его этапы. Механизм вдоха и выдоха. Общая и жизненная емкость легких (ЖЕЛ), ее составные части. Газовый состав воздуха (вдыхаемого, выдыхаемого, альвеолярного). Механизм поддержания постоянства состава альвеолярного воздуха. Парциальное давление и напряжение газов и их значение для газообмена. Обмен газов в легких и тканях.

 

Совокупность процессов, обеспечивающих поступление во внутреннюю среду О₂, который используется для окисления органических веществ, и удаление из организма СО₂, образовавшегося в результате тканевого метаболизма, называют дыханием.

Выделяют три этапа дыхания:

1) внешнее дыхание,

2) транспорт газов кровью,

3) внутреннее тканевое дыхание.

I этап - внешнее дыхание - это газообмен (обмен газов) в легких, включающий в себя два процесса: легочную вентиляцию и легочную диффузию газов.

Легочная вентиляция - это процесс обновления газового состава альвеолярного воздуха, который обеспечивает поступление в легкие кислорода (О₂ ) и выведение из них углекислого газа (СО₂).

Легочная диффузия газов - это процесс обмена газов между альвеолярным воздухом и кровью легочных капилляров.

Результаты внешнего дыхания:

Результатом деятельности легочной вентиляции является поддержание постоянства газового состава альвеолярного воздуха.

Результатом деятельности легочной диффузии газов является обогащение крови кислородом и освобождение ее от избытка углекислоты.

Основными факторами, обеспечивающими обновление газового состава крови в капиллярах легких являются:

1) Непрерывность вентиляции легких, которая достигается возвратно-поступательными перемещениями воздуха в просвете дыхательных путей.

2) Диффузионная проницаемость аэрогематического барьера легких.

3) Непрерывность кровотока в легочных капиллярах.

II этап - т ранспорт газов, который заключается в переносе кровью кислорода от капилляров легких к тканевым капиллярам и углекислоты - от тканевых к легочным капиллярам.

III этап - в нутреннее тканевое дыхание - это процесс обновления газового состава в тканях, включающий в себя газообмен между кровью тканевых капилляров и тканями, а также процессы клеточного дыхания.

Вентиляция легких обеспечивается за счет периодических изменений объема грудной полости в процессе дыхательного цикла.

Дыхательный цикл состоит из 3-х фаз:

1) фазы вдоха (инспирации),

2) фазы выдоха (экспирации),

3) дыхательной паузы.

Как правило, вдох короче выдоха, а дыхательная пауза является непостоянным компонентом дыхательного цикла и при увеличении частоты дыхания может отсутствовать.

Изменения объема грудной полости в процессе дыхательного цикла обусловлены ритмическими сокращениями и расслаблениями дыхательных мышц, которые подразделяются на инспираторные и экспираторные.

К основным инспираторным мышцам относятся:

1) диафрагма,

2) наружные косые межреберные и межхрящевые мышцы.

Главной инспираторной мышцей является диафрагма, которая обеспечивает около 70% глубины вдоха. При сокращении купол диафрагмы уплощается, что ведет к увеличению вертикального размера грудной полости. Сокращение наружных косых межреберных и межхрящевых мышц ведет к приподниманию ребер и увеличению передне-заднего и бокового размеров грудной полости.

При глубоком форсированном дыхании в акте вдоха могут участвовать вспомогательные инспираторные мышцы:

1) грудино-ключично-сосцевидная,

2) мышцы грудной клетки - большая и малая грудные, трапециевидные, ромбовидные, мышцы, поднимающие лопатку.

Во время вдоха инспираторные мышцы преодолевают:

1) эластическое сопротивление грудной клетки, легких и органов брюшной полости,

2) инерцию перемещаемых органов брюшной полости.

Эластическое сопротивление легких обусловлено двумя факторами:

1) упруго-растяжимыми (эластическими) свойствами эластических волокон легких,

2) наличием сурфактанта - комплекса поверхностно-активных веществ липопротеидной природы, которые выстилают изнутри альвеолы.

На долю сурфактанта приходится около 2/3 эластической тяги легких.

Функции сурфактанта:

1) стабилизация сферической формы альвеол,

2) противодействие перерастяжению альвеол при вдохе,

3) противодействие спадению альвеол при выдохе,

4) очищение поверхности альвеол.

Часть кинетической энергии сокращенных инспираторных мышц переходит в потенциальную энергию растянутых эластических тканей. При расслаблении инспираторных мышц под действием эластических сил объем грудной клетки уменьшается. Таким образом, спокойный выдох происходит пассивно за счет высвобождения потенциальной энергии тканей, растянутых во время фазы вдоха.

При форсированном дыхании в фазу выдоха включаются экспираторные мышцы (внутренние косые межреберные мышцы), которые способствуют дополнительному уменьшению объема грудной полости.

Легкие находятся внутри грудной клетки и отделены от ее стенок плевральной щелью - герметически замкнутой полостью, которая располагается между париетальным и висцеральным листками плевры.

Давление в плевральной полости во время вдоха и выдоха остается ниже атмосферного. Отрицательное по сравнению с атмосферным давление в плевральной щели обусловлено эластической тягой легких - силой, направленной на спадение легких (уменьшение их объема).

Увеличение объема грудной полости во время спокойного вдоха последовательно вызывает:

1) снижение давления в плевральной щели с -3 мм рт. ст. до -6 -9 мм рт. ст.,

2) расширение воздуха в легких и их растяжение,

3) снижение внутрилегочного давления до -2 мм рт. ст. по сравнению с атмосферным,

4) поступление воздуха в легкие по градиенту давления между атмосферным и альвеолярным воздухом.

Таким образом, непосредственной причиной поступления воздуха в легкие во время вдоха является градиент давления между атмосферным и альвеолярным воздухом (2 мм рт. ст.).

Уменьшение объема грудной полости во время спокойного выдоха последовательно вызывает:

1) повышение давления в плевральной щели с -6 -9 мм рт. ст. до -3 мм рт. ст.,

2) уменьшение объема легких за счет их эластической тяги,

3) повышение внутрилегочного давления до +2 мм рт. ст. по сравнению с атмосферным,

4) выход воздуха из легких в атмосферу по градиенту давления.

Непосредственной причиной выхода воздуха из легких во время выдоха является градиент давления между внутрилегочным и атмосферным воздухом (2 мм рт. ст.).

По структурно-функциональным особенностям легкие подразделяются на: воздухопроводящие пути и альвеолярную респираторную зону.

Основные функции воздухоносных путей:

1) проведение воздуха в респираторную зону,

2) согревание воздуха,

3) увлажнение воздуха,

4) очищение воздуха.

Воздухопроводящие пути подразделяют на верхние: носовые ходы, полость рта, носоглотка и придаточные пазухи носа и нижние: гортань, трахея и бронхи.

Трахею и следующие за ней 16 первых генераций (разветвлений) бронхов и бронхиол относят к кондуктивной (проводящей) зонелегких. В этой зоне отсутствует контакт между воздухом и легочными капиллярами.

Последующие три генерации бронхиол (17-19) составляют переходную (транзиторную) зону, где наряду с проведением воздуха начинает осуществляться газообмен.

Последние четыре генерации бронхиол (с 20 по 23) представляют собой альвеолярные ходы и альвеолярные мешочки, переходящие в альвеолы, которые формируют респираторную зонулегких, где происходит газообмен.

Объем воздуха, который находится в легких после максимально глубокого вдоха, называется общей емкостью легких (ОЕЛ).

У взрослого человека ОЕЛ составляет от 4200 до 6000 мл и состоит из двух частей:

1) жизненной емкости легких (ЖЕЛ) - 3500-5000 мл,

2) остаточного объема легких (ООЛ) - 1000-1200 мл.

Остаточный объем легких - это количество воздуха, которое остается в легких после максимально глубокого выдоха. Этот воздух никогда (даже после смерти) не покидает легкие.

Жизненная емкость легких - это объем воздуха, который можно максимально выдохнуть после максимально глубокого вдоха.

ЖЕЛ состоит из трех частей:

1) дыхательного объема (ДО) - 400-500 мл,

2) резервного объема вдоха - около 2500 мл,

3) резервного объема выдоха - около 1500 мл.

Дыхательный объем - это количество воздуха, удаляемого из легких при спокойном выдохе после спокойного вдоха.

Резервный объем вдоха - это максимальное количество воздуха, которое можно дополнительно вдохнуть после спокойного вдоха.

Резервный объем выдоха - это максимальное количество воздуха, которое можно дополнительно выдохнуть после спокойного выдоха.

Резервный объем выдоха и остаточный объем легких составляют функциональную остаточную емкость (ФОЕ) - количество воздуха, остающееся в легких после спокойного выдоха (2000-2500 мл).

Имеется два основных способа изучения внешнего дыхания: спирометрия - метод измерения легочных объемов и спирография - метод графической регистрации показателей функции внешнего дыхания.

Для оценки функции внешнего дыхания измеренные легочные объемы сравниваются с их должными величинами. Индивидуальную норму ЖЕЛ называют должной жизненной емкостью легких (ДЖЕЛ).

Величина ДЖЕЛ зависит от антропометрических показателей:

1) пола,

2) веса,

3) роста,

4) возраста.

ДЖЕЛ рассчитывают по специальным формулам или определяют по номограмме. Отклонения ЖЕЛ менее чем на 15% от ее должной величины расценивают как несущественные, что свидетельствует о нормальном функционировании аппарата внешнего дыхания.

Легочная вентиляция характеризуется минутным объемом дыхания (МОД) - количеством воздуха, который вдыхается или выдыхается за 1 мин. МОД зависит от величины дыхательного объема (ДО) и частоты дыхания (ЧД): МОД = ДО х ЧД. У взрослого человека частота дыхания в покое составляет 12-16 дыхательных цикл./мин. Поэтому МОД колеблется от 6 до 10 л/мин. При физической нагрузке МОД может повышаться до 100-120 л/мин за счет увеличения значений ДО и ЧД.

В обычных условиях человек вдыхает атмосферный воздух, в составе которого содержится: О₂ - 21%, СО₂ - 0,03%, N₂ - 79%.

В выдыхаемом воздухе: О₂ - 16,3%, СО₂ - 4%, N₂ -79,7%.

В альвеолярном воздухе: О₂ - 14,2-14,6%, СО₂ - 5,2-5,7%, N₂ - 80%.

Воздух, заполняющий альвеолы, называется альвеолярным газом. Различие в составе выдыхаемого и альвеолярного воздуха обусловлено смешиванием альвеолярного газа с воздухом дыхательного мертвого пространства.

Различают анатомическое и физиологическое мертвое пространство.

Анатомическое дыхательное мертвое пространство (АДМП) - это объем воздухоносных путей от полости носа до бронхиол, в которых не происходит газообмен между воздухом и кровью.

Физиологическое дыхательное мертвое пространство (ФДМП) - это объем всех участков дыхательной системы, в которых не происходит газообмен.

К физиологическому мертвому пространству относится объем воздухоносных путей дыхательной системы (то есть АДМП), а также объем невентилируемых и неперфузируемых кровью альвеол.

Объем анатомического дыхательного мертвого пространства составляет примерно 150 мл. Поэтому из 500 мл ДО в альвеолах может обмениваться только около 350 мл воздуха. Этот воздух, поступая в альвеолы смешивается с альвеолярным газом, который составляет функциональную остаточную емкость (ФОЕ) легких. Величина ФОЕ равняется 2500 мл. Поэтому при каждом спокойном вдохе обновляется только 1/7 часть альвеолярного воздуха (350 мл: 2500 мл). Это обеспечивает относительное постоянство состава альвеолярного воздуха и непрерывность газообмена между альвеолами и легочными капиллярами независимо от фазы дыхательного цикла.

Количество воздуха, который участвует в обновлении альвеолярного газа за 1 мин, называется минутной вентиляцией легких (МВЛ). МВЛ определяется как произведение разности дыхательного объема (ДО) легких и объема дыхательного мертвого пространства (ДМП) на частоту дыхания: МВЛ = (ДО - ДМП) х ЧД.

Перенос газов в воздухоносных путях происходит в результате конвекции и диффузии.

Конвективный способ переноса в воздухоносных путях обусловлен движением смеси газов по градиенту их общего давления.

В ходе ветвления воздухоносных путей их суммарное сечение значительно возрастает, а линейная скорость потока вдыхаемого воздуха по мере приближения к альвеолам уменьшается со 100 см/с до 0,02 см/с. Поэтому к конвективному способу переноса газов присоединяется диффузионный обмен.

Диффузия газа - это пассивное движение молекул газа из области большего парциального давления или напряжения в зону меньшего.

Парциальное давление газа - это часть общего давления, которая приходится на какой-либо газ, смешанный с другими газами.

Напряжение газа - это парциальное давление газа, растворенного в жидкости, которое уравновешивается давлением этого же газа над жидкостью.

Градиент давления О₂ направлен в альвеолы, где его парциальное давление ниже, чем во вдыхаемом воздухе. Молекулы СО₂ движутся в обратном направлении. Чем медленнее и глубже дыхание, тем интенсивнее идет внутрилегочная диффузия О₂ и СО₂.

Постоянство состава альвеолярного воздуха и соответствие его потребностям метаболизма обеспечивается вентиляцией легких.

Различают несколько основных типов вентиляции:

Эйпноэ - это нормальная вентиляция легких в состоянии покоя, которая сопровождается ощущением комфорта.

Гиперпноэ - это увеличение глубины дыхания выше нормы.

Тахипноэ - это увеличение частоты дыхания выше нормы.

Брадипноэ - это уменьшение частоты дыхания ниже нормы.

Апноэ - это остановка дыхания, обусловленная отсутствием физиологической стимуляции дыхательного центра.

Диспноэ (одышка) - это недостаточность или затрудненность дыхания, которые сопровождаются неприятными субъективными ощущениями.