Газообмін в легенях людини — анатомія органу і схема процесу

Дихання – це один з найважливіших фізіологічних процесів, що відбуваються в організмі людини. Воно контролюється не тільки рефлекторно, а й свідомо.

Дихання здійснюється дихальною системою, що регулює взаємозв’язок органів дихання з навколишнім середовищем.

Найважливішою функцією дихальної системи є газообмін в легенях — засвоєння атмосферного кисню і виділення продуктів метаболізму, включаючи вуглекислий газ.

Особливості фізіології

Одне з головних умов життєдіяльності будь-якого організму – це отримання кисню з навколишнього середовища, без якого неможливі окислювальні процеси, що забезпечують клітини необхідною енергією.

Дорослій людині для нормального самопочуття в стані спокою досить робити близько 14 дихальних дій у хвилину, а новонародженому — одне в секунду. З ростом дитини відбувається розвиток і органів дихання.

Хімічні реакції з киснем супроводжуються утворенням нових сполук, що негативно впливають на організм. Особливо небезпечним є вуглекислий газ CO₂, при якому неможливе нормальне функціонування органів, тому життєво важливим є його виведення назад в атмосферу.

Ці важливі функції виконують органи дихання, що працюють безперервно протягом усього життя людини.

Частота дихання може мати різні значення в залежності від віку і стану людей.

Дихальна система

Дихання – це сукупність всіх фізіологічних і хімічних процесів, що забезпечують засвоєння кисню, що беруть участь у виведенні вуглекислого газу та отриманні шляхом окислення продуктів, необхідних для енергетичного забезпечення життєдіяльності організму людини.

До дихальної системи відносяться:

• Дихальні шляхи.
• Легені.
• Дихальні м’язи.
• Нервові структури.
• Кровоносна і серцево-судинна системи.

В анатомії людини дихальні шляхи поділяють на верхні та нижні. До перших відносяться порожнина рота, носа і носоглотка.

Їх будова і бактерицидні речовини, що покривають слизові поверхні, перешкоджають проникненню пилу і мікроорганізмів в нижні відділи системи. Гортань проводить повітря, що вдихається в трахею та є звукоутворюючим органом. Її внутрішня оболонка покрита чутливими клітинами, що викликають кашель при попаданні сторонніх тіл.

Трахея має вигляд трубки, розгалужується на два бронха. Більш дрібні бронхіальні відгалуження переходять через легеневі ворота в головний орган дихання — легені.

Для виконання своєї функції вони постійно скорочуються або розтягуються, що забезпечується міжреберними м’язами та діафрагмою — плоским м’язом між грудною і черевною порожнинами. Зовнішнє управління всіма процесами знаходиться в так званому центрі регуляції дихання – спеціальній області довгастого мозку.

Нейросигнали виробляються в залежності від показника насичення крові вуглекислим газом. Легені пов’язані з серцем легеневою артерією, яка постачає киснем всю кровоносну систему.

Будова легенів

В процесі еволюції органи дихання зазнали значних змін: від повітряних мішків безхребетних і комірчастої будови у плазунів до високоорганізованого органу у ссавців.

На анатомічних малюнках добре помітно розташування легенів на бронхіальному дереві. Зовні цей парний орган являє собою два усічених конусів і складається з величезного скупчення альвеол. Права легеня коротше і ширше лівої та розділене на дві частини.

Внизу переднього краю лівої легені знаходиться серцева вирізка (місце розташування серця), тому воно має тільки дві частини.

Кожна легеня вкрита оболонкою – плеврою, два листа якої утворюють герметичний мішок, званий плевральною порожниною.

Ця частина відіграє важливу роль при поверненні венозної крові в легені та забезпечує циклічні скорочення при вдиху-видиху.

Альвеола – це невеликий пухирець, утворений еластичною тканиною, що здатна значно збільшуватися в об’ємі. Загальна площа всіх альвеолярних поверхонь значно перевищує площу шкірних покривів, тому найбільший за розміром орган людського організму — це легені.

Важливою характеристикою органу є аерогематичний бар’єр. Він являє собою комплексну структуру і має ключове значення в газообмінних процесах.

До нього відносяться:

• епітелій альвеол;
• ендотелій капілярів;
• міжклітинний простір;
• базальні мембрани, що розділяють просвіти альвеол і капілярів.

Альвеоли легенів пронизані капілярами, а їх внутрішня поверхня покрита сурфактантом — речовиною, яка при стисненні знижує поверхневий натяг. Ця унікальна властивість забезпечує стабілізацію альвеол при видиху та утримує легені від спадання.

Додаткові функції

Крім газообміну, легені виконують і інші функції. Вони являють собою резервуар крові, оскільки їх судини легко збільшуються в обсязі навіть при незначному підвищенні кров’яного тиску. Тому ефективним способом надання першої допомоги є закритий масаж серця.

Фільтрувальна функція полягає в здатності легень очищати венозну кров від механічних домішок і тромбів і видаляти їх разом з мокротою через верхні дихальні шляхи. У нормі здорові люди не помічають такі виділення, а підвищене утворення мокротиння свідчить про порушення газообміну і можливих захворюваннях.

Легені мають і синтезуючу функцію: в них виробляються та активуються важливі для організму сполуки, наприклад:

• гепарин;
• ангіотензин;
• фосфоліпіди.

Крім того, цей орган регулює агрегатний стан крові. Дезінтоксикаційна функція полягає в нейтралізації агресивних речовин біологічного походження – брадикініну, серотоніну, норадреналіну і деяких видів простагландинів.

Етапи отримання кисню організмом

При вивченні роботи дихальної системи виділяють п’ять ступенів, що описують реакції із забезпеченням організму киснем. Схема, по якій відбувається процес:

• Вентиляція легенів.
• Обмін O₂ і CO₂ між повітрям в альвеолах і кров’ю.
• Транспортування газів кров’ю до тканин організму.
• Дифузія O₂ і CO₂ в тканинах.
• Клітинне дихання.

Перший і другий етап відносяться до зовнішнього дихання, яке бере участь в газообміні між повітрям з атмосфери та кров’ю. Решта етапу є внутрішньою ланкою дихання, що зв’язує клітини з зовнішнім середовищем.

Вентиляція легень є циклічним процесом, що складається з вдихів і видихів.

При вдиху забезпечується надходження необхідного обсягу повітря з атмосфери в легеневі альвеоли. Потім відбувається дифузія газів між капілярами та альвеолами, а також транспортування O₂ і CO₂ до клітин інших органів і тканин.

Клітинне дихання супроводжується окислювально-відновними реакціями в мітохондріях і синтезом АТФ (аденозинтрифосфату) — речовини, що незамінна в процесах метаболізму.

Механізм газообміну

Легені отримують від органів зовнішнього дихання вже підготовлені повітряні маси. В альвеоли потрапляє очищене від механічних домішок, прогріте і зволожене повітря. Температура і тиск суміші газів в альвеолах не залежить від атмосферних показників і підтримується в потрібних для нормальної роботи межах — близько 30-32 °C і приблизно 47 мм ртутного стовпа.

У легеневих альвеолах відбувається постійний процес переміщення газів між їх повітрям і кров’ю капілярів, що відносяться до малого кола кровообігу.

Газообмін в легенях відбувається як дифузія газів з середовища з великим парціальним тиском в середовище з меншим його значенням. Термін “парціальний тиск” застосовується до суміші газів і означає частину загального тиску, що припадає на окремий газ, присутній в суміші.

Оскільки поняття фізіології газообміну в легенях охоплює кров, то використовується термін “напруга”, що відповідає парціальному тиску для рідин.

Важливою характеристикою повітряних мас, що беруть участь в газообмінних процесах, є вміст в них O₂, CO₂ та інших елементів. Процентний склад повітря наведено в таблиці.

При видиху альвеолярне повітря змішується з повітрям з дихальних шляхів, тому вміст вуглекислого газу в ньому підвищений. У дітей у видихуваному і альвеолярному повітрі відсоток вмісту кисню більше, ніж у дорослих. Це говорить про те, що необхідний газ гірше засвоюється дитячим організмом, і дітям потрібно частіше здійснювати вдихи і видихи.

Процес дифузії

Газообміну в легенях сприяє густа мережа капілярів, що обплітають кожну альвеолу, що забезпечує необхідну площу поверхні, через які з найбільшою ефективністю дифундують гази.

Основне завдання дифузійного процесу – підтримка постійного значення напруги О₂ і СО₂ під час їх обміну в крові капілярів, що пронизують альвеоли.

Рушійною силою дифузії виступає різниця напруг О₂ і СО₂ з обох сторін дуже тонкого аерогематичного бар’єру. При цьому і кисень, і двоокис вуглецю знаходяться в розчиненому стані — або в крові, або в слизу повітроносних шляхів. Легенева тканина, розташована між капілярами і альвеолярним простором, має високу газопроникність.

Дифузійний шлях газів полягає в їх проходженні через всі складові бар’єру, плазму крові і мембрани основних кров’яних клітин до потрапляння у внутрішню область еритроцитів.

Дифузія в легенях можлива завдяки градієнту тисків. Цей показник визначається різницею між натягом газу в венозній крові і парціальним тиском альвеол і обчислюється для кожного газоподібної речовини окремо.

Значення напруги в крові, що повернулася від тканин, для кисню становить близько 40 мм рт. ст. артеріальний тиск кисню має таку ж величину, як і парціальний в альвеолах і налічує приблизно 100 мм рт. ст. Значення градієнта становить відповідно 60 мм рт. СТ. для венозної крові і прагне до нуля для артеріальної.

За рахунок такої різниці кисень активно дифундує з повітря альвеол в венозну кров, поки показники тиску і напруги не зрівняються, а кров не збагатиться киснем до рівня артеріальної.

Градієнт тиску для CO₂ являє собою різницю між 40 мм рт. ст. парціального альвеолярного тиску і 46 мм рт. ст. напруги у відпрацьованій крові, отже, він дифундує в бік альвеол, а його градієнт дорівнює 6 мм рт. ст. Двоокис вуглецю виводиться з венозної крові і не може потрапляти в артеріальну, так як напруга в ній для CO₂ дорівнює парціальному тиску в альвеолах.

Транспорт газів

Потрапляючи в кров, кисень взаємодіє з гемоглобіном, при цьому відбувається утворення нестабільного з’єднання оксигемоглобіну, яке забезпечує доставку O₂ від легень до всіх тканин організму. Його передача клітинам відбувається під час дисоціації гемоглобіну в місцях низької напруги O₂.

Близько 98% кисню зв’язується з гемоглобіном, а невелика частина переноситься в розчиненому плазмою стані. Насичення крові CO₂ перешкоджає зв’язуванню кисню гемоглобіном і може викликати у людей важку гіпоксію.

Двоокис вуглецю переноситься від тканин до легень кількома способами. Близько 6-7% переноситься в розчиненому вигляді плазмою крові. Частина CO₂ вступає в реакцію з гемоглобіном, утворюючи нестійке з’єднання карбаміногемоглобіну, що швидко дисоціює в капілярах легенів з виділенням СО₂. Але основна маса двоокису транспортується гемоглобіном еритроцитів у формі бікарбонатів натрію і калію.

Газообмін в легенях людини залежить від інтенсивності окислювально-відновних процесів в організмі і з плином життя змінюється, але його правильне протікання завжди залишається незмінною умовою хорошого здоров’я.