§33. Строение легких. Газообмен в легких и тканей

Определения и обозначения

Лёгкие — парные органы дыхательной системы, расположенные в грудной полости по обе стороны от сердца. В них происходит обмен кислорода и углекислого газа между воздухом и кровью. Благодаря этому кровь получает газ, необходимый клеткам, и освобождается от части углекислого газа.

Бронхиальное дерево — разветвлённая система бронхов и бронхиол, проводящая воздух от трахеи к альвеолам. Крупные бронхи делятся на более мелкие ветви, подобно веткам дерева. Такое разветвление позволяет распределить воздух по всему объёму лёгких.

Альвеолы — многочисленные тонкостенные пузырьки на концах бронхиол. Снаружи их окружает густая сеть капилляров, то есть мельчайших кровеносных сосудов. Тонкая граница между воздухом и кровью облегчает переход газов, а множество пузырьков создаёт большую поверхность обмена.

Газообмен — переход кислорода и углекислого газа через стенки альвеол и капилляров, а также между кровью и тканями. Газы перемещаются в сторону, где их концентрация ниже. Поэтому газообмен обеспечивает поступление кислорода к клеткам и удаление углекислого газа.

Как это устроено

Воздух из трахеи попадает в два главных бронха, затем проходит по всё более мелким бронхам и бронхиолам. Ветвление нужно потому, что воздух должен достигнуть множества альвеол, распределённых по лёгким. Если бы дыхательные пути не разветвлялись, обмен происходил бы лишь на небольшой поверхности. На концах бронхиол находятся альвеолы, где воздух соприкасается с кровью через тонкие стенки.

Лёгкие разделены на доли: правое обычно состоит из трёх, левое — из двух, поскольку рядом расположено сердце. Снаружи лёгкие покрыты плеврой — оболочкой из двух листков. Один листок прилегает к лёгкому, другой выстилает изнутри грудную клетку; между ними находится тонкий слой жидкости. Жидкость уменьшает трение, поэтому при вдохе и выдохе лёгкие могут скользить по стенке грудной клетки и следовать за её движениями.

В альвеолах кислород из вдыхаемого воздуха проходит через стенку альвеолы и стенку капилляра в кровь. Там его концентрация ниже, чем в альвеолярном воздухе, поэтому возникает направленный переход. Углекислого газа, напротив, больше в крови, поступившей к лёгким, чем в альвеолярном воздухе. Он переходит из капилляров в альвеолы и удаляется при выдохе.

В тканях условия обратные: клетки постоянно используют кислород и образуют углекислый газ. Поэтому кислород из крови переходит через стенки капилляров в тканевую жидкость и далее в клетки, где его меньше. Углекислый газ движется из клеток в кровь, где его концентрация ниже. Направление перехода определяется различием концентраций, а не тем, что газы будто бы «выбирают» нужный путь.

Два участка газообмена работают как единая система благодаря кровообращению. Кровь, насыщенная кислородом в лёгких, направляется к тканям и отдаёт его клеткам. Затем она забирает образовавшийся в клетках углекислый газ и возвращается к лёгким. Там углекислый газ переходит в альвеолы, а кровь вновь получает кислород.

Сравнение газообмена в лёгких и тканях

Сначала сравни место обмена, затем проследи отдельно путь каждого газа: направление кислорода и углекислого газа противоположно. Столбцы помогают не перепутать, что происходит у альвеол и что — у клеток. Кровь связывает оба процесса, но её роль в лёгких и тканях меняется.

Разбор задач

Задача 1

Условие: укажите путь воздуха от трахеи до альвеол и назовите структуры, по которым он проходит. Нужно проследить не путь крови, а последовательность дыхательных путей. Каждый следующий участок направляет воздух глубже в лёгкие. Завершить цепочку следует местом, где происходит газообмен.

1. Начинаем с трахеи — трубки, по которой воздух поступает в грудную полость. Внизу трахея разделяется на два главных бронха. Каждый бронх ведёт к одному из лёгких.
2. В лёгком бронхи многократно ветвятся и становятся всё уже. Их мелкие продолжения называются бронхиолами. Такое ветвление распределяет воздух по разным участкам лёгкого.
3. На концах бронхиол расположены альвеолы. Именно туда поступает воздух, чтобы кислород мог перейти в окружающие капилляры. Следовательно, последовательность заканчивается альвеолами.

Ответ: трахея → бронхи → бронхиолы → альвеолы. В этой цепочке бронхи и бронхиолы проводят воздух, а альвеолы обеспечивают контакт воздуха с кровью. Поэтому нельзя пропускать бронхиолы или называть бронхи местом основного газообмена.

Задача 2

Условие: определите, в каком направлении переходят кислород и углекислый газ между альвеолярным воздухом и кровью. Чтобы ответить, сравним содержание каждого газа по обе стороны тонких стенок. Газ переходит туда, где его меньше. Направления для кислорода и углекислого газа нужно установить отдельно.

1. В альвеолярном воздухе кислорода больше, чем в крови, поступившей к лёгким. Поэтому кислород проходит через стенки альвеолы и капилляра в кровь. Так кровь обогащается кислородом.
2. В крови, пришедшей к лёгким, углекислого газа больше, чем в альвеолярном воздухе. Следовательно, этот газ переходит из крови в альвеолу. При выдохе он удаляется из организма.
3. Проверяем, не перепутаны ли направления: кислород должен оказаться в крови, а углекислый газ — в альвеолярном воздухе. Это соответствует разнице концентраций каждого газа.

Ответ: кислород переходит из альвеолярного воздуха в кровь, а углекислый газ — из крови в альвеолы. Оба газа проходят через тонкие стенки, но движутся в противоположных направлениях. Вентиляция обновляет воздух в альвеолах, а переход через стенки и есть газообмен.

Задача 3

Условие: объясните путь молекулы кислорода от альвеолы до клетки ткани и обратный путь молекулы углекислого газа. Здесь нужно соединить обмен в лёгких, перенос кровью и обмен в тканях. Не следует представлять, что молекула сама перемещается по дыхательным путям до клетки: между лёгкими и тканями её переносит кровь. Проследим каждую молекулу по этапам.

1. Кислород переходит из воздуха альвеолы через её стенку и стенку капилляра в кровь. Далее кровоток переносит его от лёгких к органам и тканям. В капиллярах тканей кислород покидает кровь и поступает в клетки.
2. Клетки образуют углекислый газ в ходе жизнедеятельности. Он переходит из клеток в тканевую жидкость, а затем в капилляры. Кровь переносит его от тканей к лёгким.
3. В лёгочных капиллярах углекислый газ проходит через стенки в альвеолы. Затем он выводится с выдыхаемым воздухом. Так замыкается путь газа от клетки до внешней среды.

Ответ: кислород проходит путь «альвеола → кровь → ткани → клетка», а углекислый газ — «клетка → кровь → лёгкие → альвеола». Направления перехода через стенки определяются различием концентраций. Кровообращение соединяет оба участка обмена и доставляет газы между ними.

Типичные ошибки

Ошибка: считать бронхи местом газообмена. Бронхи проводят воздух, но их стенки не обеспечивают основной обмен кислорода и углекислого газа. Такую путаницу вызывает то, что воздух сначала проходит именно по бронхам. Проверь себя: назови структуру, оплетённую капиллярами и имеющую тонкие стенки, — это альвеола.

Ошибка: менять направления газов местами. В лёгких кислород переходит из альвеол в кровь, а в тканях — из крови в клетки. Путаница возникает, если не уточнить, о каком участке организма идёт речь. Проверь себя по источнику и месту назначения каждого газа: кислород нужен клеткам, а углекислый газ образуется в них.

Ошибка: путать вентиляцию с газообменом. Вентиляция — это движение воздуха при вдохе и выдохе, а газообмен — переход молекул через тонкие стенки. Эти процессы связаны, потому что вентиляция обновляет воздух в альвеолах, но не заменяет переход газов в кровь. Проверь себя: если речь идёт о вдохе или выдохе, это вентиляция; если о переходе через стенку — газообмен.

Ошибка: считать, что кровь переносит оба газа в одном направлении. К тканям кровь доставляет кислород, а от тканей уносит углекислый газ. Ошибка появляется, если представить перенос как движение газов без указания их назначения. Проверь себя, проследив путь: кислород направляется к клеткам, углекислый газ — от клеток к лёгким.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать органы дыхательной системы и путь воздуха от носовой полости до трахеи. С газообменом связаны состав крови и работа кровеносной системы: без кровотока кислород не достиг бы тканей, а углекислый газ не вернулся бы к лёгким. Эти знания понадобятся при изучении клеточного дыхания, где клетки используют кислород, и влияния физических нагрузок на организм. При нагрузке тканям требуется больше кислорода, поэтому согласованная работа дыхательной и кровеносной систем особенно важна.

Что запомнить

• Лёгкие — парный орган дыхательной системы.
• Воздух проходит от трахеи по бронхам и бронхиолам к альвеолам.
• Альвеолы оплетены капиллярами, а их тонкие стенки облегчают газообмен.
• 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.
• Кровь связывает газообмен в лёгких и тканях.