Легкие и газообмен

Одна из основных функций крови состоит в доставке кислорода тканям организма и удалении из них двуокиси углерода. Кровь животных поглощает кислород из окружающей среды и выделяет в среду С02 через дыхательные поверхности.

В процессе эволюции у животных возникли дыхательные поверхности нескольких различных типов (рис. 22.13). Мелкие животные, обитающие в воде или во влажной почве, используют для газообмена поверхность тела. Однако с увеличением размеров живых существ объем их тела растет быстрее, чем площадь поверхности (рис. 22.14). В какой-то момент объем тела животного, состоящего из клеток, которым необходим кислород, становится так велик, что площадь его поверхности не может обеспечить этим клеткам достаточное количество кислорода. У крупных животных имеются специализированные органы, такие, как жабры и легкие, обладающие достаточно большой дыхательной поверхностью.
Дыхательная поверхность всегда должна быть влажной, поскольку газы могут проникать в организм и покидать его только в том случае, если они растворены в воде. У млекопитающих, пресмыкающихся, птиц и насекомых дыхательные поверхности находятся внутри тела, где они защищены от высыхания и совершают газообмен с воздухом, поступающим при вдохе (рис. 22.13). -
Воздух поступает в дыхательную систему человека через нос или через рот. Для здоровья полезнее дышать через нос, поскольку при этом вдыхаемый воздух, прежде чем попасть в нежные ткани легких, проходит по воз-

духоносным путям носовых ходов и носоглотки, где он согревается, увлажняется и фильтруется. Затем воздух проходит через глотку-участок пути, общий для воздуха и пищи,- и через гортань поступает в трахею. Стенки трахеи содержат хрящевые кольца, придающие ей жесткость и не дающие ей спадаться. Внутренняя поверхность трахеи выстлана мерцательным эпителием, реснички которого перемещают попадающие с воздухом посторонние частицы вверх в глотку, где они заглатываются. Нижний конец трахеи делится на два бронха, которые затем разветвляются на все более и более тонкие

трубки -бронхиолы (рис. 22.15). Мельчайшие бронхиолы оканчиваются массой крошечных, напоминающих пену, пузырьков, заполненных воздухом, называемых альвеолами. Дыхательная поверхность легких слагающаяся из суммы поверхностей огромного числа альвеол, очень велика.
Каждая альвеола окружена сетью капилляров. Кровь, проходя по этим капиллярам, непрерывно поглощает кислород из содержащегося в альвеолах воздуха и выделяет в него двуокись углерода. Во всех остальных тканях, где клетки непрерывно расходуют кислород в процессе клеточного дыхания и выделяют двуокись углерода, газообмен идет в обратном направлении: кислород выделяется из крови во внеклеточную жидкость, а двуокись углерода поступает в кровь.
Некоторое количество кислорода растворено в плазме крови, однако основная его часть - примерно в 16 раз больше-непрочно связывается содержащимся в эритроцитах красным пигментом белковой природы -гемоглобином (рис. 9.25). Способность крови переносить кислород снижается двумя широко распространенными загрязнителями: окисью углерода (угарный газ) и азотистыми соединениями, молекулы которых блокируют участки гемоглобина, связывающие кислород. Окись углерода содержится в выхлопных газах автомобилей и в табачном дыму. Известны случаи, когда в сельскохозяйственных районах, например в долине Сан-Хоакин (Калифорния), азотные удобрения просачиваются даже в питьевую воду. Обитающие в кишечнике бактерии превращают азотные соединения в ядовитые азотистые. В организме маленьких детей активность этих бактерий выше, чем во взрослом организме.
В отличие от кислорода большая часть двуокиси углерода транспортируется кровью в растворенном состоянии, и лишь небольшая ее доля связывается гемоглобином и другими белками крови. При прохождении через легкие кровь выделяет в альвеолы всего лишь около 10% содержащейся в ней двуокиси углерода.

Остальные 90% остаются в крови, где они выполняют важнейшую роль буфера, вещества, способствующего поддержанию постоянного уровня pH крови. Содержащиеся в крови ферменты превращают С02 в уголь

ную кислоту, которая диссоциируетна ионы водорода и бикарбоната:
Если в крови содержится избыток ионов водорода (Н+), т.е. если кислотность крови повышена, то часть ионов водорода соединяется с ионами бикарбоната, образуя угольную кислоту и освобождая тем самым кровь от избытка Н + -ионов. Если же в крови слишком мало Н+-ионов, то угольная кислота диссоциирует и концентрация Н+-ионов в крови повышается.
Газообмен происходит посредством диффузии, а диффузия протекает тем быстрее, чем больше разница между концентрациями диффундирующего вещества в альвеолярном воздухе и в крови. Если концентрации 02 и С02 в этом воздухе и в крови одинаковы, то никакого газообмена происходить не будет. Следовательно, для продолжения газообмена необходимо, чтобы воздух в легких часто сменялся; это достигается посредством дыхательных движений, или вентиляции.
Вдох совершается в результате сокращения межреберных мышц и диафрагмы - мышечного слоя, образующего дно грудной полости. При этих сокращениях ребра поднимаются, выступают вперед и опускают диафрагму; в результате объем грудной полости увеличивается, а давление внутри нее понижается (рис. 22.16), и воздух устремляется через дыхательные пути в легкие, уравновешивая давление воздуха внутри легких с атмосферным давлением. Если зажать нос и чуть приоткрыть рот, то вы почувствуете, как всасывается воздух при вдохе, уравновешивая внутреннее давление с атмосферным. При выдохе диафрагма и межреберные мышцы расслабляются, объем грудной по-

Рис. 22.16. Дыхательные движения человека. Выдох представляет собой пассивный процесс. Когда ребра подняты, а диафрагма опущена, происходящий в результате расслабления дыха- объем грудной полости увеличивается. Воздух тельной мускулатуры, устремляется в нее через нос и(или) через рот.

лости возвращается к первоначальному и некоторое количество воздуха выходит из легких наружу. В легких всегда остается довольно много воздуха, поддерживающего альвеолы в расправленном состоянии и предотвращающего слипание их стенок.
От интенсивности дыхания зависит состав воздуха в легких: чем чаще вы дышите, тем больше содержится в альвеолах кислорода и меньше-двуокиси углерода. Дыхание должно регулироваться таким образом, чтобы количество кислорода, поступающего в ткани из крови, оставалось постоянным, и pH крови, зависящее в основном от концентрации С02, существенно не изменялось. Особые рецепторы в артериальных сосудах шеи регистрируют содержание в крови двуокиси углерода и в меньшей степени кислорода. Если содержание двуокиси углерода возрастает, то в центры головного мозга по нервным волокнам поступают соответствующие сигналы. В ответ на это мозг отдает команду повысить частоту дыхания, посылая нервные импульсы, стимулирующие сокращения межреберных мышц и диафрагмы. Усилившаяся вентиляция легких понижает концентрацию двуокиси углерода в альвеолярном воздухе, а тем самым и в крови.
Если концентрация двуокиси углерода в крови падает ниже некоторого критического уровня, то дыхание подавляется. После гипервентиляции, т. е. нескольких последовательных глубоких и частых вдохов, можно задержать дыхание на более длительный срок; к этому часто прибегают пловцы, чтобы иметь возможность дольше оставаться под водой. Однако при каждом вдохе содержание двуокиси углерода в крови понижается, и если оно снижается слишком сильно, человек теряет сознание и у него автоматически восстанавливается нормальное дыхание. Этот важный механизм предотвращает снижение концентрации двуокиси углерода в крови ниже опасного уровня. Аналогичным образом если надолго задержать дыхание, то концентрация двуокиси углерода в крови возрастет; если она превысит определенный уровень, то человек теряет сознание и опять-таки автоматически начинает дышать нормально. Самоубийство путем задержки дыхания неосуществимо, хотя можно покалечиться, падая в момент потери сознания.

<< | >>

Источник: Кемп П., Арме К.. Введение в биологию. 1988

Еще по теме Легкие и газообмен:

- Биология индивидуального развития - Для внеклассного чтения - История биологии - Книги по биологии - Научно-популярная биология - Теория эволюции - Физиология животных -

- Биология - Ветеринария - Взаимоотношения животных - Все животные - Геология - Зоопсихология - Коровы - Кошки - Лечение животных - Лошади - Насекомые - Науки о Земле - Опасные растения и животные - Растительный мир - Редкие животные - Сельское хозяйство - Собаки - Экология -