§ 27. Лёгкие. Газообмен в лёгких и других тканях

Определения и обозначения

Лёгочные альвеолы — тонкостенные пузырьки на концах бронхиол, вокруг которых расположены капилляры. Капилляры — мельчайшие кровеносные сосуды, по которым кровь подходит близко к воздуху в альвеолах. Такое соседство создаёт условия для обмена газами между воздухом и кровью.

Газообмен — переход кислорода и углекислого газа между воздухом и кровью либо между кровью и тканями. Благодаря этому кровь получает кислород в лёгких и доставляет его клеткам. Одновременно углекислый газ переносится от клеток к лёгким, чтобы затем выйти из организма.

Диффузия — перемещение молекул из области с более высоким парциальным давлением в область с более низким. Для газов это основной способ перехода через стенки альвеол и капилляров. Диффузия объясняет, почему газ движется в определённую сторону без активной «перекачки» клетками.

Парциальное давление — давление, которое создаёт отдельный газ в составе смеси газов. Сравнение его значений по обе стороны преграды позволяет определить направление движения газа. Чем больше разница парциальных давлений, тем яснее выражено направление диффузии.

Как это устроено

Бронхи разветвляются внутри лёгких на всё более мелкие бронхи, а те — на бронхиолы. На концах бронхиол находятся многочисленные альвеолы, поэтому суммарная поверхность контакта с кровью получается большой. Если бы воздухоносные пути заканчивались небольшим числом крупных полостей, площадь обмена была бы меньше и кислород медленнее поступал бы в кровь.

Стенки альвеол и капилляров очень тонкие, поэтому молекулам газа приходится проходить короткое расстояние. Поверхность альвеол влажная: это помогает газам раствориться перед переходом через ткани. Густая сеть капилляров постоянно подводит кровь и уносит её после обмена, поддерживая контакт между воздухом и кровью. Вместе эти особенности делают газообмен быстрым и эффективным.

При вдохе в альвеолы поступает свежий воздух, а при выдохе часть воздуха с избытком углекислого газа удаляется. Это обновление называют вентиляцией лёгких. Оно помогает сохранять разницу парциальных давлений: кислорода в альвеолярном воздухе больше, чем в венозной крови, а углекислого газа — меньше. Если бы воздух в альвеолах не обновлялся, различие постепенно уменьшалось бы и газообмен замедлялся.

В лёгких кислород движется из альвеолярного воздуха в кровь, потому что его парциальное давление там выше. Он проходит через тонкие стенки альвеолы и капилляра и оказывается в крови. Углекислый газ, напротив, диффундирует из крови в альвеолы, где его парциальное давление ниже. Затем он покидает лёгкие с выдыхаемым воздухом.

В тканях направление обмена меняется. Кровь приносит кислород, а клетки непрерывно расходуют его, поэтому парциальное давление кислорода в клетках ниже, чем в крови. Кислород диффундирует из капилляров к клеткам. Углекислый газ образуется в клетках, поэтому его парциальное давление там выше; он переходит в кровь и переносится к лёгким.

Направление газообмена в лёгких и тканях

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите место газообмена: лёгкие или ткани. Затем отдельно проследите путь каждого газа, не меняя направление кислорода на направление углекислого газа. Последний столбец помогает проверить ответ: диффузия всегда идёт от более высокого парциального давления к более низкому.

Разбор задач

1. Укажите, в каком направлении перемещаются кислород и углекислый газ между альвеолярным воздухом и кровью.

Решение.

1. Определяем место обмена: это лёгкие, где воздух в альвеолах соприкасается с кровью капилляров.
2. Сравниваем парциальные давления. В альвеолярном воздухе кислорода больше, чем в венозной крови, а углекислого газа — меньше.
3. Применяем правило диффузии: каждый газ перемещается из области более высокого парциального давления в область более низкого. Поэтому кислород идёт из альвеол в кровь, а углекислый газ — из крови в альвеолы.

Ответ: кислород поступает из альвеолярного воздуха в кровь, углекислый газ — из крови в альвеолы.

2. Определите направление движения кислорода и углекислого газа между кровью капилляров и клетками ткани.

Решение.

1. Учитываем, что клетки постоянно расходуют кислород для своей жизнедеятельности. Поэтому его парциальное давление в клетках ниже, чем в крови капилляров.
2. Кислород диффундирует из крови туда, где его меньше, то есть к клеткам.
3. Клетки образуют углекислый газ, поэтому его парциальное давление в них выше. Этот газ переходит из клеток в кровь, которая уносит его от тканей.

Ответ: кислород движется из крови к клеткам, углекислый газ — из клеток в кровь.

3. Объясните, почему утолщение стенок альвеол затрудняет газообмен.

Решение.

1. Газообмен происходит, когда молекулы пересекают стенки альвеолы и капилляра путём диффузии.
2. Если стенка становится толще, увеличивается расстояние, которое молекулам нужно пройти от воздуха до крови или обратно.
3. При большем расстоянии переход занимает больше времени, поэтому за тот же срок через стенку проходит меньше газа. Значит, утолщение затрудняет и замедляет обмен кислорода и углекислого газа.

Ответ: утолщённые стенки увеличивают путь диффузии, поэтому газы переходят медленнее.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что газы между альвеолами и кровью перемещаются благодаря активной работе клеток. Так думают, потому что переход происходит через живые ткани, но основной механизм здесь — диффузия. Проверьте себя: если газ движется по разнице парциальных давлений, ему не требуется активная «перекачка» через стенку.

Ошибка — путать направление обмена в лёгких и тканях: например, считать, что кровь отдаёт кислород в лёгких. В обоих местах участвует одна и та же кровь, поэтому направления легко перепутать. Проверьте себя по месту: в лёгких кровь получает кислород, а в тканях отдаёт его клеткам.

Ошибка — утверждать, что углекислый газ в лёгких переходит из альвеол в кровь. Так можно решить, если забыть, что углекислый газ образуется в клетках и переносится кровью к лёгким. Сверьте направление с парциальным давлением: в крови его больше, поэтому в лёгких он переходит из крови в альвеолы.

Ошибка — объяснять движение газа только его общим количеством. Количество газа в смеси само по себе не показывает, куда пойдут его молекулы через границу. Проверяйте именно парциальное давление по обе стороны стенки: диффузия идёт от большего значения к меньшему.

Связь с другими темами

Чтобы представить путь воздуха, нужно знать строение органов дыхания: от носовой полости воздух проходит по дыхательным путям к бронхам, бронхиолам и альвеолам. Для объяснения перехода газов пригодятся знания о составе воздуха, кровообращении и переносе веществ кровью. Далее эта тема поможет понять дыхательные движения, перенос кислорода гемоглобином и клеточное дыхание. Так связываются поступление кислорода в лёгкие, его доставка к клеткам и использование клетками.

Что запомнить

• Газообмен происходит в лёгких и в тканях.
• В лёгких кислород переходит из альвеол в кровь.
• В лёгких углекислый газ переходит из крови в альвеолы.
• В тканях кровь отдаёт кислород клеткам.
• Углекислый газ из клеток поступает в кровь.
• Газы перемещаются путём диффузии — по градиенту парциального давления.
• Большая площадь и тонкие стенки альвеол способствуют газообмену.