7.2. Газообмен в легких

В обычных условиях состав атмосферного воздуха относи­тельно постоянен. В сухом воздухе содержится 20,93 % кислорода, 0,03 — диоксида углерода, 79,04 % азота и инертных газов. В про­мышленных городах, крупных животноводческих помещениях со­став воздуха может изменяться: в нем увеличивается концентра­ция диоксида углерода, появляются вредные примеси.

300

301

В выдыхаемом воздухе меньше кислорода (до 16 %) и больше диоксида углерода (до 4,5 %), а содержание азота немного боль­ше, чем в атмосферном (79,5 %). Это не означает, что азот уча­ствует в газообмене. Дело в том, что объем выдыхаемого воздуха несколько меньше, чем вдыхаемого. Часть кислорода в организ­ме, превращаясь в воду, удаляется с мочой, калом и потом, а тот же самый объем азота, попавший в легкие, распределяется в меньшем объеме воздуха.

Если выдыхаемый воздух разделить на порции, то окажется, что их состав будет изменяться от первой порции к последней. Первые порции выдыхаемого воздуха будут похожи на атмосфер­ный, это воздух из воздухоносных путей, где не совершается га­зообмен. В последующих порциях постепенно уменьшается со­держание кислорода и увеличивается диоксида углерода. Послед­ние же порции уже содержат 14 % кислорода, 5,5 — углекислого газа, 80,5 % азота и инертных газов. Состав выдыхаемого воздуха подобен альвеолярному.

Альвеолярный воздух является как бы внутренней газовой средой организма, и от его состава зависит газообмен между аль­веолами легких и кровью. В состоянии покоя состав альвеоляр­ного воздуха мало зависит от фазы дыхания, поэтому газообмен между альвеолярным воздухом и кровью совершается непрерыв­но—и при вдохе, и при выдохе. Это обстоятельство играет боль­шую роль в механизмах регуляции внешнего дыхания. Собствен­но говоря, значение внешнего дыхания и заключается в поддер­жании постоянного газового состава альвеолярного воздуха, что составляет основу постоянного содержания кислорода и диокси­да углерода в артериальной крови. Изменения в содержании га­зов в артериальной крови имеют ключевое значение в регуляции внешнего дыхания.

Состав альвеолярного воздуха зависит только от существенных изменений дыхательных движений. Так, при задержке дыхания (апноэ) или удушении (асфиксия) в альвеолярном воздухе накап­ливается диоксид углерода и уменьшается содержание кислорода, а при одышке (гиперпноэ, гипервентиляция легких), напротив, уровень кислорода увеличивается, а диоксида углерода уменьша­ется. И в том и в другом случае изменения в частоте или глубине дыхания сказываются на газовом составе крови.

В легочные капилляры поступает венозная кровь из сосудов малого круга кровообращения. По сосудам большого круга крово­обращения (бронхиальная артерия) артериальная кровь поступает для питания легочной ткани. Из альвеолярного воздуха кислород переходит в венозную кровь, а диоксид углерода — из венозной кро­ви в альвеолярный воздух. Кислород из альвеолярного воздуха сначала растворяется в сурфактанте, затем диффундирует через эндотелиальные клетки альвеол, две основные мембраны, аль­веолярную и сосудистую, и через эндотелиальные клетки крове-

носных капилляров поступает в кровь. Диоксид углерода дви­жется в противоположном направлении. Площадь соприкоснове­ния легочных капилляров со стенкой альвеол велика. Так, у овец общая поверхность альвеол, где происходит газообмен, в 100 раз и более превышает поверхность тела.

Газообмен между альвеолярным воздухом и кровью происходит по физическим законам осмоса и диффузии, т. е. газы переходят через полупроницаемые мембраны из области более высокого дав­ления в область более низкого давления. Активный транспорт га­зов через мембраны не обнаружен.

Давление одного газа в смеси газов называется парциаль­ным. Оно зависит от общего давления и концентрации данного газа и показывает, какая часть давления приходится на тот или иной газ. Например, если при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. содержание кислорода составляет 20,9 %, то парциальное давле­ние кислорода будет равно 158,9 мм рт. ст., а парциальное давление диоксида углерода, если его содержится 0,03 %, — 0,22 мм рт. ст. При более высоком атмосферном давлении парциальное давление кислорода и диоксида углерода повышается, а в высокогорных местностях — понижается.

Парциальное давление газов в альвеолярном воздухе ниже, чем в атмосферном, из-за того, что в альвеолах присутствуют водя­ные пары. В среднем давление водяных паров при нормальной температуре тела около 47 мм рт. ст., поэтому на долю других га­зов приходится меньшее давление. Так, если атмосферное давле­ние 760 мм рт. ст., то давление в альвеолах будет на 47 мм меньше, т. е. составит 713 мм рт. ст. Тогда парциальное давление кислорода будет равно 100 мм рт. ст., углекислого газа — 40, а азота вместе с инертными газами — 573 мм рт. ст.

В крови растворенные газы создают парциальное давление, или напряжение (для воздушной смеси обычно используют по­нятие «парциальное давление», а для жидкостей — «напряжение газов»). Оно зависит от общего давления крови и содержания в ней данного газа.

Венозная кровь, поступающая в легкие, содержит 12 об.% кисло­рода (т. е. 12 мл кислорода в 100 мл крови), 55...58 — диоксида угле­рода и около 1 об.% азота. При том уровне гидростатического давле­ния крови, которое имеется в капиллярах, примыкающих к альве­олам, напряжение кислорода составляет 40 мм рт. ст., а диоксида уг­лерода — 46 мм рт. ст. Таким образом, между альвеолярным воздухом и венозной кровью создаются условия, при которых кислород из аль­веол под давлением 100 мм рт. ст. диффундирует в кровь, где его давление 40 мм рт. ст. (рис. 7.6). Одновременно диоксид углерода из крови под давлением 46 мм рт. ст. диффундирует в альвеолярный воздух, где его давление 40 мм рт. ст. Каждый газ перемещается из одной области в другую только под воздействием собственного дав­ления, независимо один от другого, как бы в пустоту.

302

303

Альвеола

легкого

Р₀ = 102 мм рт.ст.

Р_со =40 мм рт.ст.

Р₀ =95 мм рт.ст.

В

А ^ В

Р_со=40мм рт.ст.

Рис. 7.6. Обмен газов между альвеолярным возду­хом, кровью и тканями:

А — артериальная кровь; В — венозная кровь; стрелки показывают направление тока крови

Большое значение в газообмене имеет процесс растворения га­зов в крови. Коэффициент растворимости кислорода при темпе­ратуре тела составляет 0,022, диоксида углерода —0,5116, а азо­та — 0,011. Поскольку азот и инертные газы при обычных колеба­ниях атмосферного давления в крови не растворяются, то, несмот­ря на высокое парциальное давление, они не попадают в кровь.

Растворимость газов в крови увеличивается при повышении барометрического давления. Поэтому для лучшей насыщаемости крови кислородом за счет увеличения растворения его в плазме крови пациента помещают в камеру, где создается повышенное давление воздуха. Такой метод лечения называется гипербаричес­кой оксигенацией. Однако при этом азот также может раство­ряться в крови.

Аналогичная ситуация создается при глубоководных погруже­ниях. Опасность заключается в том, что при быстром снижении атмосферного давления до нормального уровня азот из растворен­ного состояния переходит в газообразное и кровь «вскипает» пу­зырьками азота, что может привести к тяжелой патологии. Поэто­му при поднятии водолаза с глубины на поверхность и при выве­дении пациента из барометрической камеры необходимо давление снижать постепенно. Тогда и азот постепенно выводится из кро­ви, не превращаясь в пузырьки.