Дыхательная система. Газообмен

Определение. Дыхание

Дыхание — совокупность физиологических процессов, обеспечивающих поступление O₂ в организм, транспорт его к клеткам, использование в окислительных реакциях и удаление CO₂ и воды.

Различают внешнее дыхание (вентиляция лёгких, газообмен в альвеолах) и внутреннее, или тканевое (газообмен между кровью и клетками). Клеточное дыхание — биохимические реакции окисления глюкозы в митохондриях.

Органы дыхательной системы

Отдел|Орган|Функция Верхние дыхательные пути|Носовая полость|Очистка, увлажнение, согревание воздуха Верхние дыхательные пути|Носоглотка, гортань|Проведение воздуха; голосообразование (гортань) Нижние дыхательные пути|Трахея|Трубка с хрящевыми полукольцами; проведение воздуха Нижние дыхательные пути|Бронхи, бронхиолы|Разветвление трахеи («бронхиальное дерево») Дыхательный отдел|Альвеолы|Газообмен; 700 млн альвеол; площадь ~100–150 м²

Название|Альвеола Класс|Структура лёгкого Среда|Лёгочная ткань Факты|Микроскопический пузырёк диаметром ~0,2 мм; стенка — однослойный плоский эпителий; оплетена густой сетью капилляров; покрыта сурфактантом — не даёт спадаться при выдохе

Срез лёгкого при ×100: множество тонкостенных пузырьков — альвеол — разного размера; стенки кажутся ажурными. Между альвеолами видны капилляры с эритроцитами. Бронхиолы — небольшие трубочки с реснитчатым эпителием и гладкомышечным слоем. При окраске гематоксилин-эозином альвеолярный эпителий — светло-розовый.

Механизм вдоха и выдоха

Название|Вдох Шаг 1|Диафрагма сокращается и опускается; межрёберные мышцы поднимают рёбра Шаг 2|Объём грудной клетки увеличивается Шаг 3|Давление в плевральной полости падает → лёгкие расправляются Шаг 4|Давление в лёгких становится ниже атмосферного → воздух входит Итог|Вдох — активный процесс (требует сокращения мышц)

Название|Выдох (спокойный) Шаг 1|Диафрагма расслабляется, поднимается; рёбра опускаются Шаг 2|Объём грудной клетки уменьшается Шаг 3|Лёгкие упруго спадаются (сурфактант не даёт полному спадению) Итог|Выдох — пассивный процесс при спокойном дыхании; при форсированном — активный (мышцы живота)

Газообмен в альвеолах и тканях

Обмен газов происходит по закону диффузии — от высокой концентрации к низкой.

Место	O₂: откуда→куда	CO₂: откуда→куда
Альвеолы	Альвеолярный воздух → кровь капилляров	Кровь → альвеолярный воздух
Ткани	Кровь → клетки	Клетки → кровь

Парциальное давление (вклад газа в общее давление смеси):

• В альвеолах: pO₂ ≈ 100 мм рт. ст.; в венозной крови: pO₂ ≈ 40 мм рт. ст. → O₂ диффундирует в кровь.
• CO₂ в тканях накапливается → давление выше, чем в крови → CO₂ диффундирует в кровь.

Транспорт газов кровью

Кислород переносится гемоглобином эритроцитов (98%) и растворённым в плазме (2%).

Гемоглобин (Hb) в лёгких: Hb + O₂ → HbO₂ (оксигемоглобин, алый).

Гемоглобин в тканях: HbO₂ → Hb + O₂ (отдаёт кислород клеткам).

Углекислый газ переносится: растворённым в плазме (7%), в виде бикарбонатов (70%), в виде карбогемоглобина (23%).

⚠️ Опасность угарного газа: CO связывается с гемоглобином в 250 раз прочнее, чем O₂, образуя карбоксигемоглобин. Кровь теряет способность переносить кислород → клетки задыхаются при нормальной вентиляции. Именно поэтому угарный газ смертельно опасен.

Регуляция дыхания

Дыхательный центр находится в продолговатом мозге. Он регулирует ритм дыхания, реагируя на концентрацию CO₂ в крови (а не O₂, как думают многие). Накопился CO₂ → дыхание учащается и углубляется. Снизился CO₂ (гипервентиляция) → дыхание угнетается.

💡 Факт: можно задержать дыхание, сознательно перекрыв команды из мозга, но ненадолго — как только CO₂ накопится достаточно, рефлекторный вдох станет неудержимым.

Пример. Показатели лёгочной вентиляции

Показатель	Значение	Пояснение
Дыхательный объём	~500 мл	Объём одного спокойного вдоха
Резервный объём вдоха	~1500 мл	Максимальный дополнительный вдох
Резервный объём выдоха	~1500 мл	Максимальный дополнительный выдох
Жизненная ёмкость лёгких (ЖЕЛ)	~3500 мл	Сумма трёх выше
Остаточный объём	~1200 мл	Воздух, остающийся после максимального выдоха

ЖЕЛ у спортсменов достигает 7–8 л. Снижение ЖЕЛ — признак болезни лёгких.

Влияние высоты на дыхание

На большой высоте атмосферное давление и парциальное давление O₂ снижаются. На высоте 3000 м pO₂ составляет лишь ~70% от уровня моря, а на Эвересте (8849 м) — около 30%.

Название|Акклиматизация к высоте Шаг 1|Снижение pO₂ → меньше O₂ связывается с гемоглобином → гипоксия тканей Шаг 2|Почки выделяют эритропоэтин (ЭПО) → стимуляция эритропоэза в красном костном мозге Шаг 3|Через 2–3 недели количество эритроцитов возрастает → кислородная ёмкость крови увеличивается Шаг 4|Частота дыхания постепенно снижается по мере адаптации Итог|Горные жители имеют на 20–40% больше эритроцитов, чем жители равнин; их гемоглобин имеет более высокое сродство к O₂

Защитные рефлексы дыхательной системы

Чихание — резкий форсированный выдох через нос (скорость воздуха до 150 км/ч), вызванный раздражением слизистой носовой полости. Удаляет пыль, пыльцу, микробов.

Кашель — резкий выдох через рот при раздражении гортани, трахеи или бронхов. Скорость воздуха при кашле достигает 250–900 км/ч — это эффективное очищение дыхательных путей от слизи и инородных частиц.

Икота — непроизвольное судорожное сокращение диафрагмы при её раздражении. Быстрый вдох сопровождается закрытием голосовой щели — отсюда характерный звук. Биологическая функция до конца не выяснена.

Важно! Чистота воздуха и защита дыхательных путей

⚠️ Курение разрушает реснитчатый эпителий трахеи и бронхов, который задерживает пыль и микробы. Сажа и смолы оседают в альвеолах, снижая площадь газообмена. Хронический бронхит и рак лёгких — прямые следствия курения.