| | 08.09.2021

Структура легкого увеличивает площадь поверхности, увеличивая диффузию газа. Из-за огромного количества альвеол (примерно 300 миллионов в каждом легком человека) площадь поверхности легкого очень велика (75 м 2). Такая большая площадь поверхности увеличивает количество газа, который может диффундировать в легкие и из них.

Основные принципы газообмена

Газообмен при дыхании происходит преимущественно за счет диффузии. Диффузия - это процесс, в котором перенос осуществляется за счет градиента концентрации. Молекулы газа перемещаются из области высокой концентрации в область низкой концентрации. Кровь с низким содержанием кислорода и высоким содержанием углекислого газа в легких подвергается газообмену с воздухом. Воздух в легких имеет более высокую концентрацию кислорода, чем в крови, обедненной кислородом, и более низкую концентрацию углекислого газа. Этот градиент концентрации обеспечивает газообмен во время дыхания.

Парциальное давление- это мера концентрации отдельных компонентов в смеси газов. Общее давление, оказываемое смесью, представляет собой сумму парциальных давлений компонентов в смеси. Скорость диффузии газа пропорциональна его парциальному давлению в общей газовой смеси. Эта концепция подробно обсуждается ниже.

Объемы и емкость легких

У разных животных разная емкость легких в зависимости от их деятельности. Гепарды развили гораздо большую емкость легких, чем люди; он помогает снабжать кислородом все мышцы тела и позволяет им работать очень быстро. У слонов также большая емкость легких. В данном случае это происходит не потому, что они быстро бегают, а потому, что у них большое тело и они должны быть способны поглощать кислород в соответствии с размером своего тела.

Размер легких человека определяется генетикой, полом и ростом. При максимальной емкости среднее легкое может вмещать почти шесть литров воздуха, но легкие обычно не работают на максимальной емкости. Воздух в легких измеряется с точки зрения объема легкихи емкости легких(рисунок 20.12 и таблица 20.1). Объем измеряет количество воздуха для одной функции (например, вдоха или выдоха). Емкость - это любые два или более объемов (например, сколько можно вдохнуть после окончания максимального выдоха).

Рисунок 20.12.

Показаны объемы и емкость легких человека. Общий объем легких взрослого мужчины составляет шесть литров. Дыхательный объем - это объем воздуха, вдыхаемого за один нормальный вдох. Емкость вдоха - это количество воздуха, вдыхаемого во время глубокого вдоха, а остаточный объем - это количество воздуха, оставшегося в легких после интенсивного дыхания.

Объем легких можно разделить на четыре единицы: дыхательный объем, резервный объем выдоха, резервный объем вдоха и остаточный объем. Дыхательный объем (TV)измеряет количество вдыхаемого и выдыхаемого воздуха при нормальном дыхании. В среднем этот объем составляет около полутора литров, что немного меньше вместимости бутылки для напитков на 20 унций. Выдохе резервный объем (ERV)является дополнительным количеством воздуха , которое может быть выдыхаемым после нормального выдоха. Это резервная сумма, которую можно выдохнуть сверх нормы. И наоборот, резервный объем вдоха (IRV)- это дополнительное количество воздуха, которое можно вдохнуть после обычного вдоха. Остаточный объем (RV)- это количество воздуха, которое остается после выдоха резервного объема выдоха. Легкие никогда не бывают полностью пустыми: в легких всегда остается немного воздуха после максимального выдоха. Если бы этого остаточного объема не существовало и легкие полностью опорожнялись бы, ткани легкого слипались бы, и энергия, необходимая для повторного наполнения легкого, могла бы быть слишком большой, чтобы ее можно было преодолеть. Поэтому в легких всегда остается немного воздуха. Остаточный объем также важен для предотвращения больших колебаний дыхательных газов (O 2 и CO 2 ). Остаточный объем - это единственный объем легких, который нельзя измерить напрямую, потому что невозможно полностью освободить легкое от воздуха. Этот объем можно только рассчитать, а не измерить.

Емкости - это измерения двух или более объемов. Жизненная емкость (VC)измеряет максимальное количество воздуха , которое можно вдохнуть или выдыхаемый в течение дыхательного цикла. Это сумма резервного объема выдоха, дыхательного объема и резервного объема вдоха. Вдохе емкость (IC), это количество воздуха , которое можно вдохнуть после окончания нормального срока. Следовательно, это сумма дыхательного объема и резервного объема вдоха. Функциональная остаточная емкость (FRC)включает в себя объем выдоха резервного и остаточный объем. FRC измеряет количество дополнительного воздуха, которое можно выдохнуть после нормального выдоха. Наконец, общая емкость легких (TLC)это измерение общего количества воздуха, которое может удержать легкое. Это сумма остаточного объема, резервного объема выдоха, дыхательного объема и резервного объема вдоха.

Объем легких измеряется методом спирометрии. Важным измерением, проводимым во время спирометрии, является объем форсированного выдоха (ОФВ), который измеряет, сколько воздуха может быть вытеснено из легких за определенный период, обычно за одну секунду (ОФВ1). Кроме того, измеряется форсированная жизненная емкость легких (FVC), которая представляет собой общее количество воздуха, которое можно принудительно выдохнуть. Соотношение этих значений ( соотношение ОФВ1 / ФЖЕЛ) используется для диагностики заболеваний легких, включая астму, эмфизему и фиброз. Если соотношение FEV1 / FVC высокое, легкие не податливы (это означает, что они жесткие и не могут правильно сгибаться), и у пациента, скорее всего, есть фиброз легких. Пациенты очень быстро выдыхают большую часть объема легких. И наоборот, когда соотношение ОФВ1 / ФЖЕЛ низкое, в легких возникает сопротивление, характерное для астмы. В этом случае пациенту трудно вывести воздух из легких, и требуется много времени, чтобы достичь максимального объема выдоха. В любом случае дыхание затруднено и возникают осложнения.

Респираторный терапевт

Респираторные терапевты или практикующие специалисты по респираторным заболеваниям оценивают и лечат пациентов с легочными и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Они работают в составе медицинской команды, разрабатывая планы лечения для пациентов. Респираторные терапевты могут лечить недоношенных детей с недоразвитыми легкими, пациентов с хроническими заболеваниями, такими как астма, или пожилых пациентов, страдающих такими заболеваниями легких, как эмфизема и хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ). Они могут работать с современным оборудованием, таким как системы доставки сжатого газа, аппараты ИВЛ, анализаторы газов крови и реанимационные аппараты. Специализированные программы, чтобы стать респираторным терапевтом, обычно приводят к получению степени бакалавра со специальностью респираторного терапевта. Ожидается, что из-за растущего старения населения возможности карьерного роста в качестве респираторного терапевта сохранятся.

Давление газа и дыхание

Дыхательный процесс можно лучше понять, изучив свойства газов. Газы движутся свободно, но частицы газа постоянно ударяются о стенки своего сосуда, создавая давление газа.

Воздух представляет собой смесь газов, в основном азота (N 2 ; 78,6 процента), кислорода (O 2 ; 20,9 процента), водяного пара (H 2 O; 0,5 процента) и диоксида углерода (CO 2 ; 0,04 процента). Каждый газовый компонент этой смеси оказывает давление. Давление отдельного газа в смеси - это парциальное давление этого газа. Примерно 21 процент атмосферного газа составляет кислород. Однако углекислый газ содержится в относительно небольших количествах, 0,04 процента. Парциальное давление кислорода намного больше, чем у углекислого газа. Парциальное давление любого газа можно рассчитать следующим образом:

Р атм , атмосферное давление, это сумма всех парциальных давлений атмосферных газов добавлены вместе,

× (процентное содержание в смеси).

Давление атмосферы на уровне моря составляет 760 мм рт. Следовательно, парциальное давление кислорода составляет:

и для углекислого газа:

На больших высотах P атм уменьшается, но концентрация не изменяется; снижение парциального давления связано с уменьшением P атм .

Когда воздушная смесь достигает легких, они увлажняются. Давление водяного пара в легких не влияет на давление воздуха, но оно должно быть включено в уравнение парциального давления. Для этого расчета давление воды (47 мм рт. Ст.) Вычитается из атмосферного давления:

а парциальное давление кислорода составляет:

Эти давления определяют газообмен или поток газа в системе. Кислород и углекислый газ будут течь в соответствии с их градиентом давления от высокого к низкому. Следовательно, понимание парциального давления каждого газа поможет понять, как газы движутся в дыхательной системе.

Газообмен через альвеолы

В организме кислород используется клетками тканей тела, а углекислый газ вырабатывается как отходы. Отношение производства углекислого газа к потреблению кислорода - это респираторный коэффициент (RQ). RQ варьируется от 0,7 до 1,0. Если бы для питания тела использовалась только глюкоза, RQ был бы равен единице. Один моль углекислого газа будет произведен на каждый моль потребленного кислорода. Однако глюкоза - не единственное топливо для организма. Белок и жир также используются в качестве топлива для тела. Из-за этого образуется меньше углекислого газа, чем потребляется кислорода, и RQ в среднем составляет около 0,7 для жира и около 0,8 для белка.

RQ используется для расчета парциального давления кислорода в альвеолярных пространствах в легких, альвеолярноеP O 2. Выше рассчитанное парциальное давление кислорода в легких составляло 150 мм рт. Однако легкие никогда полностью не сдуваются при выдохе; поэтому вдыхаемый воздух смешивается с остаточным воздухом и снижает парциальное давление кислорода в альвеолах. Это означает, что концентрация кислорода в легких ниже, чем в воздухе вне тела. Зная RQ, можно рассчитать парциальное давление кислорода в альвеолах:

При RQ 0,8 и PCO 2 в альвеолах 40 мм рт. Ст. Альвеолярный PO 2

Обратите внимание, что это давление меньше, чем у внешнего воздуха. Следовательно, кислород будет поступать из вдыхаемого воздуха в легкие (P O 2 = 150 мм рт. Ст.) В кровоток (P O 2 = 100 мм рт. Ст.).

В легких кислород диффундирует из альвеол в капилляры, окружающие альвеолы. Кислород (около 98 процентов) обратимо связывается с респираторным пигментом гемоглобином, содержащимся в красных кровяных тельцах (эритроцитах). Эритроциты переносят кислород в ткани, где кислород отделяется от гемоглобина и диффундирует в клетки тканей. В частности, альвеолярный P O 2 выше в альвеолах (P ALVO 2 = 100 мм рт. Ст.), Чем P O 2 в крови (40 мм рт. Ст.) В капиллярах. Поскольку этот градиент давления существует, кислород диффундирует вниз по своему градиенту давления, выходя из альвеол и попадая в кровь капилляров, где O 2 связывается с гемоглобином. В то же время альвеолярный P CO2 ниже PALVO2 = 40 мм рт. Ст., Чем P CO2 в крови = (45 мм рт. Ст.). CO 2 диффундирует вниз по градиенту давления, выходя из капилляров и попадая в альвеолы.

Кислород и углекислый газ движутся независимо друг от друга; они распространяются вниз по своим собственным градиентам давления. Поскольку кровь покидает легкие через легочные вены, венозное P O 2= 100 мм рт. Ст., Тогда как венозное P CO2 = 40 мм рт. Ст. Когда кровь попадает в системные капилляры, кровь теряет кислород и получает углекислый газ из-за разницы давления тканей и крови. В системных капиллярах P O 2 = 100 мм рт. Ст., А в клетках ткани P O 2 = 40 мм рт. Этот градиент давления вызывает диффузию кислорода из капилляров в клетки ткани. При этом P CO2 в крови = 40 мм рт. Ст. И системной ткани PCO2 = 45 мм рт. Градиент давления вытесняет CO 2 из клеток ткани в капилляры. Кровь, возвращающаяся в легкие через легочные артерии, имеет венозное P O 2 = 40 мм рт. Ст. И P CO2 = 45 мм рт. Ст. Кровь попадает в капилляры легких, где снова начинается процесс газообмена между капиллярами и альвеолами (рис. 20.13).

Какое из следующих утверждений неверно?

  1. В тканях P O 2 падает по мере того, как кровь переходит из артерий в вены, в то время как P CO2 увеличивается.
  2. Кровь перемещается из легких в сердце в ткани тела, затем обратно в сердце, а затем в легкие.
  3. Кровь перемещается из легких в сердце в ткани тела, затем обратно в легкие, а затем в сердце.
  4. P O 2 в воздухе выше, чем в легких.

Короче говоря, изменение парциального давления от альвеол к капиллярам направляет кислород в ткани и углекислый газ в кровь из тканей. Затем кровь транспортируется в легкие, где разница в давлении в альвеолах приводит к перемещению углекислого газа из крови в легкие и кислорода в кровь.

Концепция в действии

Посмотрите это видео, чтобы узнать, как проводить спирометрию.

Резюме

Легкие могут удерживать большой объем воздуха, но обычно они не заполнены до максимума. Измерения объема легких включают дыхательный объем, резервный объем выдоха, резервный объем вдоха и остаточный объем. Их сумма равна общей емкости легких. Движение газа в легкие или из легких зависит от давления газа. Воздух - это смесь газов; следовательно, можно рассчитать парциальное давление каждого газа, чтобы определить, как газ будет течь в легких. Разница между парциальным давлением газа в воздухе вытесняет кислород в ткани и углекислый газ из организма.