Какой газ мы вдыхаем. Внутреннее дыхание и транспорт газов

Атмосфера представляет собой воздушную оболочку земной поверхности, состоящую из смеси газов, имеющую на разных высотах различную плотность. Это обстоятельство обусловлено земным притяжением. По мере удаления от поверхности земли плотность воздушной оболочки уменьшается и в конечном счете уравнивается с плотностью межзвездного пространства.

В составе воздушной оболочки больше всего азота, за ним следует кислород, далее углекислый газ и целый ряд так называемых нейтральных газов (аргон, неон, гелий и др.). В воздухе всегда находятся также различные количества водяных паров. Наконец, иногда наружный воздух содержит озон и перекись водорода, являющиеся, однако, временными примесями газового состава воздуха. О составе вдыхаемого (атмосферного) и выдыхаемого воздуха можно судить по рис. 1.

Рис. 1. Химический состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха.

Из диаграммы видно, что состав выдыхаемого воздуха значительно отличается от состава вдыхаемого воздуха. Если количество кислорода во вдыхаемом воздухе составляет 20,94%, то в выдыхаемом воздухе его остается примерно 15-16%, следовательно, уменьшение составляет около 25%. Количественные соотношения азота остаются примерно одинаковыми. Наиболее заметные изменения претерпевает углекислый газ, количество которого с 0,03-0,04% во вдыхаемом воздухе возрастает до 4% в выдыхаемом воздухе, т. е. увеличивается в 100 раз. Выдыхаемый воздух отличается и по своим физическим свойствам: температура его значительно возрастает (до 38°), а относительная влажность приближается к 100%. Из сказанного явствует, что выдыхаемый воздух имеет неблагоприятный химический состав и физические свойства, а поскольку легкие при усиленной работе пропускают от 350-450 до 3800 л/час воздуха, становится понятным, почему такой воздух (если нет притока свежего воздуха) может вызвать нарушения самочувствия человека и оказать неблагоприятное воздействие на его здоровье.

Остановимся подробнее на физиолого-гигиеническом значении отдельных ингредиентов газового состава воздушной смеси.

Кислороду принадлежит наиболее существенная роль в жизнедеятельности организма. Недостаточное обеспечение тканей кислородом вызывает нарушения жизнедеятельности организма, которые проявляются при снижении содержания кислорода во вдыхаемом воздухе до 7-8%. Дальнейшее уменьшение приводит к более тяжелым последствиям, а при резко выраженном кислородном голодании - к смертельному исходу вследствие поражения особенно нуждающейся в постоянном снабжении кислородом центральной нервной системы (в частности, в результате паралича дыхательного центра).

В воздушной среде все время происходит круговорот кислорода. Огромные количества этого газа расходуются на дыхание людей и животных, сгорание топлива, окисление органических веществ и др. Восстановление этого постоянного расхода кислорода происходит преимущественно за счет выделения его зелеными хлорофильными частями растений, которые под влиянием солнечной радиации усваивают находящуюся в воздухе двуокись углерода и в присутствии влаги разлагают ее с образованием кислорода. Благодаря указанному балансу концентрация кислорода в атмосферном воздухе почти не меняется (изменения достигают лишь 0,1-0,2%). Этим и объясняется тот факт, что практически в обычных условиях жизни человека не существует недостаточности кислорода. Исключением являются лишь такие условия, когда доступ кислорода ограничен (например, в шахтах глубокого заложения, подводных лодках и т. п.), а также когда в силу природных условий парциальное давление кислорода в воздухе значительно-уменьшено (на горных высотах более 2000 м над уровнем; моря, при полетах на большой высоте). Однако в этих случаях организм человека, используя компенсаторные механизмы (увеличение объема легочной вентиляции, рост количества красных кровяных шариков), в состоянии приспособиться к такому снижению парциального давления кислорода, конечно, в определенных пределах.

Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха

Физиология дыхания

Жизнедеятельность живого организма связана с поглощением им О 2 и выделœением СО 2 . По этой причине в понятие дыхание входят всœе процессы, связанные с доставкой О 2 из внешней среды внутрь клеток и выделœением СО 2 из клетки в окружающую среду.

Под физиологией дыхания понимают следующие процессы: внешнее дыхание, газообмен в легких, транспорт газов кровью, тканевое и клеточное дыхание.

Внешнее дыхание осуществляется дыхательным аппаратом человека. К нему относятся грудная клетка с мышцами, приводящими ее в движение и легкие с воздухоносными путями. Главными дыхательными мышцами являются диафрагма и межреберные мышцы – внутренние и наружные.

При вдохе происходит сокращение мышечных волокон диафрагмы, она уплощается и опускается вниз. При этом грудная клетка увеличивается в вертикальном направлении. Сокращение наружных реберных мышц поднимает ребра и отодвигает их в стороны, а грудину – вперед. При этом грудная клетка расширяется в поперечном и переднезаднем направлениях. При расширении грудной полости пассивно расширяются и легкие за счёт атмосферного давления, действующего через воздухоносные пути на внутреннюю поверхность легких. При расширении легких воздух в них распределяется в большем объёме и давление в полости легких становится ниже атмосферного (на 3-4мм.рт.ст.). Разность давления является причиной того, что атмосферный воздух начинает поступать в легкие – происходит вдох.

Выдох осуществляется в результате расслабления дыхательных мышц. Когда прекращается их сокращение грудная клетка опускается и возвращается в исходное положение. Расслабившаяся диафрагма поднимается вверх и принимает форму купола. Растянутые легкие уменьшаются в объёме. Все вместе взятое приводит к повышению внутрилегочного давления. Воздух выходит из легких наружу – происходит выдох.

Газообмен или вентиляция легких - ϶ᴛᴏ объём воздуха, проходящий через легкие в одну минуту – минутный объём дыхания. В покое он равен – 5-8 л/мин, при мышечной работе увеличивается.

Человек вдыхает атмосферный воздух, в котором содержится 20,94% кислорода, 78,03% азота͵ 0,03% углекислого газа. Выдыхаемый воздух содержит кислорода меньше (16,3%) и 4% углекислого газа. За счёт разности парционального давления О 2 во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе, кислород из воздуха поступает в альвеолы легких. Парциональное давление СО 2 в капиллярах венозной крови равно 47мм.рт.ст., а парциональное давление СО 2 в альвеолах равно 40. За счёт разности парционального давления СО 2 из венозной крови выходит в воздух. Азот в газообмене не участвует. Условия газообмена в легких настолько благоприятны, что, не смотря на то, что время прохождения крови через капилляры легких составляет около 1 секунды, напряжение газов в альвеолярной крови, оттекающих от легких таково, каким оно было бы и после длительного контакта.

В случае если вентиляция легких недостаточна и в альвеолах повышается содержание СО 2 ,то повышается уровень СО 2 и в крови, что немедленно приводит к усилению дыхания – одышке.

Перенос газов кровью.

Газы очень слабо растворяются в жидкости: 100мл крови могут физически растворить около 2% кислорода и 3-4% углекислого газа. Но в эритроцитах крови содержится гемоглобин, который способен химически связывать О 2 и СО 2 . Соединœение гемоглобина с кислородом принято называть оксигемоглобин Hb+О 2 ®HbО 2 , который содержится в артериальной крови. Оксигемоглобин – не прочное соединœение если учесть, что в крови человека содержится около 15% гемоглобина, то 100мл крови могут принœести до 21мл О 2 . Это так называемая кислородная емкость крови. Оксигемоглобин с артериальной кровью направляется к тканям и клеткам, где в результате непрерывно идущих окислительных процессов потребляется О 2 . Гемоглобин подхватывает выделившийся из тканей углекислый газ и образуется непрочное соединœение HbСО 2 – карбгемоглобин. В такое соединœение вступает около 10% выделившегося углекислого газа. Остальная часть соединяется с водой и превращается в угольную кислоту. Эта реакция ускоряется в тысячи раз особым ферментом – карбоангидразой, находящийся в эритроцитах. Далее угольная кислота в тканевых капиллярах реагирует с ионами натрия и калия, образуя бикарбонаты (NaHСО 3 , KHСО 3). Все эти соединœения транспортируются к легким.

Гемоглобин особенно легко соединяется с угарным газом СО 2 (оксид углерода) с образованием карбоксигемоглобина, неспособного к переносу кислорода. Его химическая сродство к гемоглобину почти в 300 раз выше, чем к О 2 . Так при концентрации СО в воздухе, равной 0,1%, около 80% гемоглобина крови оказывается в связи не с кислородом, а с угарным газом. Вследствие этого в организме человека возникают симптомы кислородного голодания (рвота͵ головная боль, потеря сознания). Легкая степень отравления угарным газом является обратимым процессом: СО постепенно отщепляется от гемоглобина и выводится при дыхании свежим воздухом. В тяжелых случаях наступает гибель организма.

Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха" 2017, 2018.

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).

Оставшиеся 1-1,5% объема большей частью приходятся на аргон и углекислый газ, а также незначительное количество других газов - неон, гелий, ксенон и другие. При этом доля углекислого газа в обыкновенном атмосферном воздухе, не подверженном какому-либо воздействию, чаще всего составляет около 0,3% по объему.

Выдыхаемый воздух

При этом состав воздуха, который получается в результате дыхательного процесса человека, существенно отличается от первоначального по содержанию ряда элементов. Так, известно, что в процессе дыхания организм человека потребляет кислород, поэтому закономерно, что его количество в выдыхаемом воздухе оказывается существенно меньше, чем во вдыхаемом. Если в первоначальном составе воздуха содержалось около 21% кислорода, то в воздухе на выдохе его будет лишь порядка 15,4%.

Другое значительное изменение, которое происходит с воздухом в процессе дыхания, касается содержания углекислого газа. Так, если в воздухе, попадающем в организм человека, его содержание обычно не превышает 0,3% объема, то в выходящем из организма воздухе объем углекислого газа достигает 4%. Это связано с тем, что в процессе функционирования человеческого организма его органы и ткани выделяют углекислый газ, который выводится в процессе дыхания. А вот содержание других газов в выдыхаемом воздухе практически не изменяется по отношению к первоначальному. Это связано с тем, что для человеческого организма они являются инертными, то есть никак не взаимодействуют с ним - не усваиваются и не выделяются.

При этом стоит иметь в виду, что воздух, выдыхаемый человеком, изменяет не только свой состав, но и некоторые физические характеристики. Его температура приближается к температуре человеческого тела, которая в норме составляет 36,6оС. Таким образом, если человек вдохнул холодный воздух, его температура повысится, а если горячий - понизится. Кроме того, выдыхаемый воздух обычно характеризуется более высоким уровнем влажности по сравнению с вдыхаемым.

Атмосферный воздух , который вдыхает человек, находясь вне помещения (или в хорошо вентилируемых помещениях), содержит 20,94% кислорода, 0,03% углекислого газа, 79,03% азота. В закрытых помещениях, заполненных людьми, процентное содержание углекислого газа в воздухе может быть несколько выше.

Выдыхаемый воздух содержит в среднем 16,3% кислорода, 4% углекислого газа, 79,7% азота (эти цифры приведены в перерасчете на сухой воздух, т. е. за вычетом паров воды, которыми всегда насыщен выдыхаемый воздух).

Состав выдыхаемого воздуха весьма непостоянен; он зависит от интенсивности обмена веществ организма и от объема легочной вентиляции. Стоит сделать несколько глубоких дыхательных движений или, напротив, задержать дыхание, чтобы состав выдыхаемого воздуха изменился.

Азот в газообмене не участвует, однако процентное содержание азота в видимом воздухе на несколько десятых долей процента выше, чем во вдыхаемом. Дело в том, что объем выдыхаемого воздуха несколько меньше, чем объем вдыхаемого, а потому то же самое количество азота, распределяясь в меньшем объеме, дает больший процент. Меньший объем выдыхаемого воздуха по сравнению с объемом вдыхаемого объясняется тем, что углекислого газа выделяется несколько меньше, чем поглощается кислорода (часть поглощаемого кислорода используется в организме на обращение соединений, которые выделяются из организма с мочой и потом).

Альвеолярный воздух отличается от выдыхаемого большим процентом некислоты и меньшим процентом кислорода. В среднем состав альвеолярного воздуха таков: кислорода 14,2-14,0%, углекислого газа 5,5- 5,7%, азота около 80%.

Определение состава альвеолярного воздуха важно для понимания механизма газообмена в легких. Холден предложил простой метод для определения состава альвеолярного воздуха. После нормального вдоха исследуемый делает возможно более глубокий выдох через трубку длиной 1-1,2 м и диаметром 25 мм. Первые порции выдыхаемого воздуха,уходящие через трубку, содержат воздух вредного пространства; последние же порции, остающиеся в трубке, содержат альвеолярный воздух. Для анализа в газоприемник берут воздуха из той части трубки, которая находится ближе всего ко рту.

Состав альвеолярного воздуха несколько различается в зависимости от того, произведён ли забор пробы воздуха для анализа на высоте вдоха или выдоха. Если сделать быстрый, короткий и неполный выдох в конце нормального вдоха, то проба воздуха отразит состав альвеолярного воздуха после наполнения легких дыхательным воздухом, т. е. во время вдоха. Если же сделать глубокий выдох после нормального выдоха, то проба отразит состав альвеолярного воздуха во время выдоха. Понятно, что в первом случае процент углекислого газа будет несколько меньше, а процент кислорода несколько больше, чем во втором. Это видно из результатов опытов Холдена, который установил, что процент углекислого газа в альвеолярном воздухе в конце вдоха составляет в среднем 5,54, а в конце выдоха - 5,72.

Таким оораэом, имеется сравнительно небольшое различие в содержании углекислого газа в альвеолярном воздухе на вдохе и на выдохе: всего на 0,2-0,3%. Это в большой степени объясняется тем, что при нормальном дыхании, как сказано выше, ется всего, обновляется всего 1/7 объема воздуха в легочных альвеолах. Относительное постоянство состава альвеолярного воздуха имеет большое физиологическое значение, что выяснено ниже.

Главная » Для начинающих » Какой газ мы вдыхаем. Внутреннее дыхание и транспорт газов