Газообмен в лёгких и тканях

Определения и обозначения

Газообмен в лёгких — переход кислорода из альвеолярного воздуха в кровь и углекислого газа из крови в альвеолы. Альвеолы — крошечные воздушные мешочки, окружённые капиллярами, то есть мельчайшими кровеносными сосудами. Через их стенки кровь получает кислород и отдаёт углекислый газ.

Газообмен в тканях — переход кислорода из крови в клетки и углекислого газа из клеток в кровь. Клеткам нужен кислород для клеточного дыхания — процессов, при которых они получают энергию. Углекислый газ образуется в клетках и должен быть доставлен кровью к лёгким для удаления.

Парциальное давление — часть общего давления газовой смеси, создаваемая отдельным газом. Если парциальное давление газа с одной стороны мембраны выше, его молекулы в результате диффузии перемещаются в сторону меньшего давления. Поэтому сравнение парциальных давлений помогает определить направление газообмена.

Оксигемоглобин — соединение кислорода с гемоглобином эритроцитов, образующееся преимущественно в лёгких. Гемоглобин — белок, который находится в эритроцитах и способен связывать кислород. Оксигемоглобин нужен, чтобы кровь могла перенести к тканям больше кислорода, чем растворено в её плазме.

Как это устроено

В альвеолярном воздухе кислорода больше, чем в венозной крови, возвращающейся от тканей, а углекислого газа меньше. Разница парциальных давлений создаёт условия для диффузии — самопроизвольного перемещения частиц из области большего давления в область меньшего. Поэтому кислород проходит через стенки альвеол и капилляров в кровь, а углекислый газ движется из крови в альвеолы. Газы идут в противоположных направлениях, потому что для каждого из них разница давлений направлена по-своему.

Стенки альвеол и капилляров очень тонкие и влажные, поэтому молекулам газов легко пройти через них. Множество альвеол создаёт большую суммарную поверхность контакта воздуха с кровью. Если бы поверхность была небольшой или стенки толстыми, за то же время переходило бы меньше газа. Постоянное обновление воздуха при дыхании и движение крови поддерживают различия парциальных давлений, необходимые для диффузии.

В лёгочных капиллярах кислород соединяется с гемоглобином эритроцитов, образуя оксигемоглобин. Связывание уменьшает количество свободного кислорода в крови и позволяет поступать новым молекулам из альвеол. Без гемоглобина большая часть кислорода могла бы переноситься только растворённой в плазме, и её не хватило бы для нужд органов. Затем кровь доставляет связанный кислород к тканям.

В тканях клетки расходуют кислород и выделяют углекислый газ, поэтому парциальное давление кислорода там ниже, а углекислого газа выше, чем в артериальной крови. Из-за этого кислород выходит из крови в клетки, а углекислый газ движется из клеток в кровь. Так направление обмена меняется по сравнению с лёгкими: кровь отдаёт тканям кислород и принимает углекислый газ. Кровь, отдавшая кислород, становится венозной.

В крови углекислый газ переносится несколькими способами: преимущественно в виде гидрокарбонатных ионов, а также растворённым в плазме и связанным с гемоглобином. Такая форма переноса позволяет доставить к лёгким значительное количество газа. В лёгочных капиллярах условия способствуют переходу углекислого газа из крови в альвеолярный воздух. При выдохе он удаляется из организма.

Сравнение газообмена в лёгких и тканях

Используй таблицу, чтобы сначала определить, где происходит газообмен, а затем проследить направление каждого газа. Не объединяй кислород и углекислый газ в одно направление: в каждом месте они движутся навстречу друг другу. Строка о составе крови показывает, как меняется её роль при прохождении через лёгкие и ткани.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, куда перемещаются кислород и углекислый газ между альвеолярным воздухом и кровью в лёгочных капиллярах. Чтобы ответить, нужно сравнить парциальные давления каждого газа отдельно. Направление определяем по правилу: из области большего давления — в область меньшего.

1. В альвеолярном воздухе парциальное давление кислорода выше, чем в венозной крови.
2. Значит, кислород диффундирует из альвеол через их стенки в кровь.
3. Углекислого газа больше в венозной крови, чем в альвеолярном воздухе, поэтому он переходит в альвеолы.

Ответ: кислород движется из альвеол в кровь, а углекислый газ — из крови в альвеолы. Эти направления противоположны, поскольку для каждого газа различие парциальных давлений направлено по-своему.

Задача 2. В тканях парциальное давление кислорода ниже, а углекислого газа выше, чем в артериальной крови. Определите направление перехода обоих газов. Условие уже сообщает, где давление каждого газа больше, поэтому остаётся применить правило диффузии. Рассматривай кислород и углекислый газ по отдельности.

1. У кислорода парциальное давление выше в артериальной крови, чем в тканях; значит, он движется из крови в клетки.
2. У углекислого газа давление выше в тканях, чем в крови; следовательно, он переходит из клеток в кровь.
3. Проверь результат: клетки используют кислород и выделяют углекислый газ, поэтому найденные направления соответствуют обмену веществ.

Ответ: кислород переходит из артериальной крови в клетки, углекислый газ — из клеток в кровь. При прохождении через ткани кровь теряет кислород и получает углекислый газ.

Задача 3. Проследите путь кислорода от альвеолярного воздуха до клетки и углекислого газа от клетки до альвеол. Здесь нужно связать два участка газообмена с переносом газов кровью. Важно не остановиться на переходе через одну мембрану, а выстроить последовательность этапов.

1. Кислород диффундирует из альвеол в кровь лёгочных капилляров и связывается с гемоглобином эритроцитов, образуя оксигемоглобин.
2. Кровь переносит кислород к тканям; там он отделяется от гемоглобина и переходит из капилляров в клетки.
3. Углекислый газ из клеток поступает в кровь и переносится преимущественно как гидрокарбонатные ионы, а также растворённым в плазме и связанным с гемоглобином.
4. В лёгких углекислый газ переходит из крови в альвеолы и удаляется при выдохе.

Ответ: путь кислорода: альвеолы — кровь — гемоглобин — ткани — клетки; путь углекислого газа: клетки — кровь — лёгкие — альвеолы. Гемоглобин переносит основную часть кислорода, а углекислый газ транспортируется в нескольких формах.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что кислород и углекислый газ в лёгких движутся в одном направлении. Так думают, если воспринимают газообмен как общий перенос воздуха, не рассматривая каждый газ отдельно. В действительности кислород идёт из альвеол в кровь, а углекислый газ — из крови в альвеолы. Проверка: укажи для каждого газа, где его парциальное давление выше.

Ошибка: путать газообмен в лёгких и тканях. Причина — в обоих случаях участвует кровь, но меняются её соседи: в лёгких это воздух альвеол, а в тканях — клетки. Запомни: в лёгких кровь получает кислород, в тканях отдаёт его клеткам. Самопроверка: назови, откуда и куда движется кислород на каждом участке.

Ошибка: объяснять переход газов активной работой клеток. Диффузия происходит вследствие разницы парциальных давлений и не требует, чтобы клетки специально «перекачивали» кислород или углекислый газ через стенки. Энергию клетки расходуют на другие процессы, например на поддержание своей жизнедеятельности. Проверяй объяснение вопросом: где давление данного газа больше и куда оно меньше?

Ошибка: полагать, что весь кислород растворён в плазме, а весь углекислый газ связан с гемоглобином. Такое представление упрощает перенос, но не соответствует действительности: основная доля кислорода связана с гемоглобином, а углекислый газ переносится несколькими способами. Большая его часть находится в крови в виде гидрокарбонатных ионов. Проверь себя, если в ответе встречается слово «весь»: обычно оно здесь неверно.

Связь с другими темами

Чтобы понять газообмен, нужно знать устройство дыхательной системы, особенно альвеол и окружающих их капилляров. Также пригодятся знания о составе крови, эритроцитах и гемоглобине, который связывает кислород. Эти темы объясняют, где происходит переход газов и как они переносятся между лёгкими и органами.

Газообмен связывает работу дыхательной и кровеносной систем: лёгкие насыщают кровь кислородом, а кровообращение доставляет его клеткам. В клетках кислород используется при клеточном дыхании, а образовавшийся углекислый газ возвращается к лёгким. Так становится понятным, как организм обеспечивает органы кислородом и удаляет продукт клеточной работы.

Что запомнить

• Газы диффундируют из области большего парциального давления в область меньшего.
• В лёгких кислород переходит из альвеол в кровь, а углекислый газ — из крови в альвеолы.
• В тканях кислород переходит из крови в клетки, а углекислый газ — из клеток в кровь.
• Основная часть кислорода переносится кровью в соединении с гемоглобином.
• Углекислый газ переносится кровью в нескольких формах, преимущественно в виде гидрокарбонатных ионов.
• Газообмен происходит через тонкие стенки альвеол и капилляров.