§ 20. Процеси газообміну в легенях і тканинах
Пригадайте будову кровоносної системи ссавців. Які кровоносні судини називають венами, а які – артеріями? Що таке мале та велике кола кровообігу, артеріальна й венозна кров? Які ви знаєте закони дифузії? Що таке гомеостаз?
Як відбувається обмін газів у легенях? Ви вже знаєте, що основна функція легень – це забезпечення газообміну між атмосферним повітрям і кров’ю. Під час вдиху атмосферне повітря надходить до легень і в альвеолах змішується з повітрям, яке залишилося в них після видиху.
По артеріях малого кола кровообігу венозна кров потрапляє в легені (пригадайте, який шлях проходить кров по малому колу кровообігу у ссавців). У венозній крові міститься значний відсоток вуглекислого газу. Через стінки капілярів альвеол відбувається газообмін між повітрям, яке міститься в альвеолах (альвеолярне повітря), та кров’ю: вона віддає вуглекислий газ і отримує кисень, тобто венозна кров перетворюється на артеріальну. Артеріальна кров виходить з легень через легеневі вени та прямує до серця.
Пригадаймо: атмосферне повітря є сумішшю різних газів, але основними його складовими є кисень, вуглекислий газ та азот. На кожного з них у цій газовій суміші припадає певна частка, яка відповідає такій у загальному атмосферному тиску. Вимірюють цю частку тиску в міліметрах ртутного стовпчика (скорочено мм рт. ст.). Концентрація газів у рідинах характеризується терміном напруження. Він означає, з якою силою розчинений газ намагається залишити рідину.
У повітрі, яке вдихає людина, кисню значно більше, ніж у венозній крові. Оскільки тиск кисню в альвеолярному повітрі більший (102 мм рт. ст.), ніж у венозній крові (40 мм рт. ст.), то згідно з основним законом дифузії кисень з альвеолярного повітря потрапляє крізь стінки альвеол та стінки капілярів у кров.
Вуглекислий газ переходить в альвеолярне повітря завдяки різниці між його напруженням у венозній крові (47 мм рт. ст.) і тиском в альвеолярному повітрі (40 мм рт. ст.). Як бачимо, ця різниця незначна, однак оскільки швидкість дифузії вуглекислого газу з крові приблизно у 25 разів більша, ніж кисню, то й цього достатньо для переходу вуглекислого газу з крові в альвеолярне повітря.
Цікаво знати
Щоб уявити масштаби газообміну, який відбувається в легенях, слід пам’ятати, що за добу в кожної людини за умов найбільшого спокою з альвеолярного повітря в кров надходить близько 500 л кисню, а з видихуваним повітрям виділяється близько 450 л вуглекислого газу. Зрозуміло, що за напруженої діяльності організму ці показники різко зростають.
Отже, завдяки інтенсивному обміну газів у легенях, тобто безперервному надходженню кисню та видаленню вуглекислого газу, склад альвеолярного повітря сталий, що має велике значення для підтримання гомеостазу.
Як відбувається газообмін у тканинах? Збагачена киснем артеріальна кров по великому колу кровообігу від серця надходить у капіляри, розміщені у всіх тканинах. Тут артеріальна кров перетворюється на венозну (позбавлену кисню і збагачену вуглекислим газом). Вона повертається до серця, а звідти – до легень. Таке переміщення газів з кровообігом має назву транспорт газів кров’ю. Значна частина кисню і вуглекислого газу переноситься у хімічно зв’язаному стані з білком гемоглобіном, який міститься в еритроцитах (1 г гемоглобіну зв’язує 1,34 мл кисню). Кров постачає до тканин кисень у вигляді окисненого гемоглобіну (оксигемоглобіну НbО2) – нестійкої сполуки, яка легко розпадається і вивільняє кисень (мал. 83).
Газообмін у тканинах також відбувається за основним законом дифузії. У тканинах кисень з капілярів, де його концентрація більша, переходить у тканинну рідину з меншою концентрацією цього газу, а з неї – у клітини. Вуглекислий газ, навпаки, переходить з клітин у міжклітинну рідину, а з неї – у кров. Як це відбувається? В артеріальній крові капілярів уміст кисню більший, ніж у клітинах. Завдяки дифузії кисень через стінки капілярів легко переходить у тканинну рідину, з якої проникає в клітини. Там він відразу вступає в реакції окиснення органічних речовин (білків, жирів, вуглеводів). Тому кисень в клітинах не запасається.
Унаслідок процесів окиснення у клітинах збільшується вміст вуглекислого газу. Він так само завдяки дифузії з клітин через тканинну рідину надходить у капіляри, у яких частина (близько 25 %) вуглекислого газу зв’язується з гемоглобіном, утворюючи нестійку сполуку (карбгемоглобін). Решта (близько 75 %) вуглекислого газу зв’язується з плазмою крові, утворюючи карбонатну кислоту (Н2СО3). Так артеріальна кров перетворюється на венозну, яка по венах великого кола кровообігу надходить до серця, звідти судинами малого кола кровообігу – до легень. У легенях карбгемоглобін розпадається, вуглекислий газ вивільняється і виводиться з організму.
Чи змінюється склад повітря в легенях? Ви пам’ятаєте, що до складу атмосферного повітря входить майже 21 % кисню, близько 79 % азоту, приблизно 0,03 % вуглекислого газу, невелика кількість водяної пари та інертних газів. Саме такий склад вдихуваного повітря, яке надходить до нашого організму. Завдяки змінам частоти і глибини дихання в альвеолах підтримується відносно стабільний склад газів. Повітря, яке видихається, називають видихуваним. Його склад порівняно з вдихуваним інший: вміст у ньому кисню знижується, а вуглекислого газу збільшується (див. таблицю 5).
Мал. 83. Молекула гемоглобіну здатна приєднувати та віддавати кисень
СКЛАД АТМОСФЕРНОГО ПОВІТРЯ ТА ПОВІТРЯ ПІСЛЯ ВИДИХУ
Вміст газів (%)
Газообмін у легенях і тканинах людини
Газообмін здійснюється між повітрям в альвеолах і кров’ю в кровоносних капілярах. Внутрішній шар альвеол застилає шар епітеліальних залозистих клітин, що виділяють біологічно активні речовини. Ця плівка (сурфактант) підтримує їх поверхневий натяг і здатність до роздування при вдиху і протидіє спаду при видиху. Сурфактант знешкоджує мікроорганізми, що надходять в складі вдихуваного повітря. Сурфактант полегшує газообмін (рис. 81).
Альвеоли є важливою частиною в структурі дихання. У легенях людини міститься 600-700 млн альвеол.
Газообмін
Між повітрям альвеол і кров’ю газообмін відбувається безперервно. У нормальних умовах кров не вступає у взаємодію з атмосферним повітрям. Повітря, що міститься в альвеолах, називають дихальним центром. Це “газ в стані депо”, він забезпечує постійний газообмін при всіх процесах дихання.
Газообмін здійснюється на поверхні альвеол, впритул контактуючи з поверхнею кровоносних капілярів. Мембрани кровоносних капілярів і альвеол утворюють структуру, що виконує єдину функцію. Тому цю структуру називають альвеолярно-капілярної мембраною. У трьохстах мільярдах кровоносних капілярів циркулює 60-90 мл крові, загальна поверхня якої 65-70 м2. Такий обсяг крові в капілярах циркулює у вигляді плівки товщиною 0,01 мм, тобто у вигляді рухомої плівки. Плівка дуже проникна для газів дихання. Тому рівновага газів дифузією по обидві сторони мембрани підтримується навіть в тих умовах, коли відбувається зменшення різниці між парціальними тисками газів.
Вдихуваний атмосферне повітря містить близько 21% кисню, 0,03% двоокису вуглецю, 79% азоту і водяної пари.
Склад повітря, що видихається відрізняється від складу атмосферного повітря. У складі повітря, що видихається міститься 16% кисню, 4% двоокису вуглецю і більше водяної пари.
В основі газообміну в легенях лежить різниця концентрацій двох газів: концентрація кисню в надійшов в альвеоли повітрі вище, ніж в кровоносних капілярах. Тому кисень з альвеол переходить через стінки капілярів в кров, проникає в еритроцити. Потім кисень вступає в безсила з’єднання з гемоглобіном еритроцитів крові і утворює оксигемоглобін. Насичена киснем артеріальна кров по артеріальним судинам великого кола кровообігу розноситься по органах і притікає в тканину. У тканинах концентрація кисню набагато нижче, ніж в артеріальній крові. Тому кисень з артеріальної крові переходить в тканину. Концентрація вуглекислого газу, навпаки, в тканинах більше, ніж в артеріальній крові, тому він переходить в кров. По венах венозна кров приносить вуглекислий газ в легені. Концентрація вуглекислого газу в венозної крові більше, ніж в альвеолах, тому вуглекислий газ з венозної крові переходить в альвеоли.
Газообміном називають процес переходу газів з середовища високого їх парціального тиску в середу з низьким парціальним тиском.