Как происходит газообмен в легких и тканях

Что такое газообмен

Это основная функция дыхательной системы. Тело человека окружено и защищено слоями кожи. Клетки в тканях, которым необходим кислород для дыхания, находятся слишком далеко, слишком защищены и слишком многочисленны, чтобы обеспечить прямую диффузию с окружающей средой. Человеку необходим механизм для поддержания свежего запаса O2 и избавления от избытка CO2.

У растений газообмен происходит в процессе фотосинтеза. У животных газообмен происходит в процессе дыхания. Такой обмен необходим для выживания большинства аэробных организмов, поскольку кислород требуется для клеточного дыхания — процесса, в результате которого вырабатывается энергия для метаболизма организма. Мелкие одноклеточные организмы могут легко диффундировать газ внутрь и наружу клетки, если они находятся в среде, где существуют градиенты концентрации для пассивной диффузии. Например, O2 в воде может диффундировать в протист до тех пор, пока концентрация кислорода в окружающей воде выше, чем уровень кислорода внутри клетки протиста.

Этапы дыхания:

1. Внешнее дыхание — это обмен газами с внешней средой, который происходит в альвеолах легких.
2. Транспорт газа кровью — перенос кислорода (O2) и углекислого газа (CO2) к тканям организма и обратно.
3. Внутреннее дыхание — это обмен газами с внутренней средой, происходящий в тканях.

Фактический обмен газами происходит за счет простой диффузии. Чем больше площадь поверхности, тем выше скорость. Чем больше длина пути, тем медленнее скорость. Для перемещения кислорода или углекислого газа через мембраны не требуется энергия. Вместо этого газы перемещаются под действием градиента давления, что позволяет им диффундировать. Анатомия легкого максимально способствует диффузии газов: мембрана дыхательных путей обладает высокой проницаемостью для газов; мембраны дыхательных и кровеносных капилляров очень тонкие; площадь поверхности легких велика.

Источник: studwood.net

Как происходит газообмен в легких

Легочная артерия несет дезоксигенированную кровь в легкие от сердца, где она разветвляется и в конечном итоге превращается в капиллярную сеть, состоящую из легочных капилляров. Эти капилляры образуют дыхательную мембрану с альвеолами. При прокачке крови через эту капиллярную сеть происходит газообмен. Хотя небольшое количество кислорода способно раствориться непосредственно в плазме крови из альвеол, большая часть кислорода захватывается эритроцитами (красными кровяными тельцами) и связывается с белком, называемым гемоглобином. Насыщенный кислородом гемоглобин имеет красный цвет, что приводит к появлению ярко-красной насыщенной кислородом крови, которая возвращается к сердцу по легочным венам. Углекислый газ выделяется в направлении, противоположном кислороду, — из крови в альвеолы. Часть углекислого газа возвращается на гемоглобин, но может также растворяться в плазме или присутствовать в преобразованном виде.

Внешнее дыхание происходит в результате разницы парциальных давлений кислорода и углекислого газа между альвеолами и кровью в легочных капиллярах.

При внешнем дыхании кислород диффундирует через дыхательную мембрану из альвеол в капилляры, а углекислый газ — из капилляров в альвеолы.

Хотя растворимость кислорода в крови невелика, существует резкая разница в парциальном давлении кислорода в альвеолах по сравнению с кровью легочных капилляров. Эта разница составляет около 64 мм рт. ст: Парциальное давление кислорода в альвеолах составляет около 104 мм рт. ст., в то время как его парциальное давление в крови капилляров — около 40 мм рт. ст. Такая большая разница в парциальном давлении создает очень сильный градиент давления, который заставляет кислород быстро пересекать дыхательную мембрану из альвеол в кровь.

Парциальное давление углекислого газа в альвеолярном воздухе и в крови капилляра также различно. Однако разница в парциальном давлении меньше, чем у кислорода, — около 5 мм рт. ст. Парциальное давление углекислого газа в капиллярной крови составляет около 45 мм рт. ст., тогда как в альвеолах — около 40 мм рт. ст. Однако растворимость углекислого газа значительно превышает растворимость кислорода — примерно в 20 раз — как в крови, так и в альвеолярных жидкостях. В результате относительные концентрации кислорода и углекислого газа, диффундирующих через дыхательную мембрану, оказываются одинаковыми.

Строение легкого

Источник: probolezny.ru

Соединительная ткань включает в себя эластичные волокна, которые позволяют альвеолам растягиваться и расширяться при наполнении воздухом во время вдоха. Во время выдоха волокна позволяют альвеолам растягиваться и выводить воздух. Специальные клетки в стенках альвеол выделяют пленку из жировых веществ, называемую сурфактантом. Это вещество выполняет защитную функцию, не позволяя стенкам альвеол разрушаться и слипаться при выходе воздуха. К другим клеткам альвеол относятся макрофаги — подвижные мусорщики, поглощающие и уничтожающие инородные частицы, которым удается попасть в легкие с вдыхаемым воздухом.

Альвеолы расположены группами, как виноградные гроздья. Каждая альвеола покрыта эпителием толщиной всего в одну клетку. Орган окружает ложе легочных капилляров, стенка каждого из которых состоит из эпителия толщиной всего в одну клетку. В результате для прохождения газов между альвеолой и окружающими ее капиллярами необходимо пересечь всего две клетки. Хотя каждая альвеола крошечная, в легких здорового взрослого человека их сотни миллионов, поэтому общая площадь поверхности для газообмена огромна. Площадь этой поверхности может достигать 100 м².

Как осуществляется газообмен в тканях организма человека

Внутреннее дыхание — это газообмен, происходящий на уровне тканей организма. Подобно внешнему дыханию, внутреннее также происходит в виде простой диффузии под действием градиента парциального давления. Однако градиенты парциального давления противоположны тем, которые существуют на дыхательной мембране. Парциальное давление кислорода в тканях низкое, около 40 мм рт.ст., поскольку кислород постоянно используется для клеточного дыхания. Напротив, парциальное давление кислорода в крови составляет около 100 мм рт. ст. Это создает градиент давления, благодаря которому кислород диссоциирует от гемоглобина, диффундирует из крови, пересекает интерстициальное пространство и попадает в ткани. Гемоглобин, с которым связано мало кислорода, теряет свою яркость, поэтому кровь, возвращающаяся к сердцу, имеет более бордовый цвет.

Кислород диффундирует из капилляра в клетки, а углекислый газ — из клеток в капилляр.

Учитывая, что при клеточном дыхании постоянно выделяется углекислый газ, парциальное давление углекислого газа в крови ниже, чем в тканях, в результате чего углекислый газ диффундирует из тканей, пересекает интерстициальную жидкость и попадает в кровь. Затем он переносится обратно в легкие либо связанным с гемоглобином, либо растворенным в плазме, либо в преобразованном виде. К моменту возвращения крови к сердцу парциальное давление кислорода составляет около 40 мм рт. ст., а парциальное давление углекислого газа — около 45 мм рт. ст. Затем кровь перекачивается обратно в легкие для повторного насыщения кислородом в процессе внешнего дыхания.