§ 30. Обмен газов в лёгких и тканях

Определения и обозначения

Газообмен — обмен кислородом и углекислым газом между организмом и окружающей средой, а также между кровью и тканями. Иначе говоря, это путь газов от воздуха к клеткам и обратно. Понятие помогает рассматривать дыхание не только как вдох и выдох, но и как передачу газов внутри организма.

Диффузия — перемещение молекул газа из области, где его парциальное давление выше, в область, где оно ниже. Молекулы движутся сами, без специального «насоса» через стенку. Именно диффузия объясняет, как газы проходят между воздухом, кровью и тканевой жидкостью.

Парциальное давление — часть общего давления газовой смеси, создаваемая отдельным газом. Сравнение парциальных давлений показывает, куда будет перемещаться именно этот газ. Например, общее давление воздуха не определяет направление движения кислорода так точно, как давление самого кислорода.

Оксигемоглобин — соединение гемоглобина с кислородом, которое образуется в лёгких и переносится кровью. Гемоглобин находится в эритроцитах, а связывание позволяет крови переносить к тканям гораздо больше кислорода, чем могло бы раствориться в плазме. В тканях кислород затем отделяется от гемоглобина и поступает к клеткам.

Как это устроено

Альвеолы — крошечные пузырьки в лёгких, где воздух соприкасается с кровью в капиллярах. Их окружает густая сеть тонких сосудов, поэтому между воздухом и кровью остаётся очень короткий путь. Стенки альвеол и капилляров тонкие и влажные: это облегчает растворение и прохождение молекул газов. Большая суммарная поверхность множества альвеол позволяет обменивать достаточно газа за короткое время.

В альвеолярном воздухе парциальное давление кислорода выше, чем в крови, поступившей к лёгким, поэтому кислород диффундирует в капилляры. Для углекислого газа соотношение обратное: его давление выше в венозной крови, чем в альвеолярном воздухе, и он переходит в альвеолы. Направления определяются не тем, куда движется воздух или кровь, а разницей давления каждого газа по обе стороны стенки. После этого углекислый газ удаляется при выдохе.

В капиллярах лёгких кислород проходит в эритроциты и связывается с гемоглобином. Так образуется оксигемоглобин — переносимая кровью форма кислорода. Связывание уменьшает количество свободного кислорода в плазме, поэтому новый кислород продолжает диффундировать из альвеол в кровь. Кровоток уносит насыщенную кислородом кровь от лёгких к органам.

В тканях кислород покидает кровь и движется через тканевую жидкость к клеткам, потому что клетки постоянно используют его при клеточном дыхании. Из-за этого парциальное давление кислорода в клетках оказывается ниже, чем в крови. Гемоглобин отдаёт кислород, а клетки получают его для высвобождения энергии из питательных веществ. Углекислый газ, образующийся в клетках, движется в обратную сторону — из ткани в кровь.

В результате кровь, прошедшая через ткани, уносит углекислый газ к лёгким, а после газообмена в лёгких снова получает кислород. Разница парциальных давлений поддерживается тем, что клетки непрерывно потребляют кислород и образуют углекислый газ, а вентиляция лёгких обновляет воздух в альвеолах. Движение крови связывает два места обмена в единый цикл переноса. При этом кровь переносит углекислый газ несколькими способами, а не только в виде растворённых молекул.

Обмен газов в лёгких и тканях

Сначала выберите газ, направление которого нужно определить, а затем сравните его парциальное давление по обе стороны капиллярной стенки. Газ движется от большего давления к меньшему. Сравнение столбцов помогает не перепутать обмен в лёгких с обменом в тканях.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Укажите, куда движутся кислород и углекислый газ между альвеолярным воздухом и кровью лёгочных капилляров. Нужно определить направление для каждого газа отдельно, а не считать, что оба движутся одинаково.

1. Сравним парциальное давление кислорода: в альвеолярном воздухе оно выше, чем в крови, поступающей к лёгким.
2. По правилу диффузии кислород направится из альвеол в кровь.
3. Для углекислого газа соотношение обратное: его парциальное давление выше в крови, поэтому он диффундирует в альвеолы.

Ответ. Кислород переходит из альвеолярного воздуха в кровь, а углекислый газ — из крови в альвеолы, откуда удаляется при выдохе.

Задача 2

Условие. Определите, какие газы переходят из крови в тканевую жидкость, а какие — из тканевой жидкости в кровь. Учитывайте, что клетки потребляют кислород и выделяют углекислый газ.

1. В тканях клетки используют кислород, поэтому его парциальное давление там ниже, чем в крови капилляров.
2. Кислород движется из области большего давления в область меньшего: из крови через тканевую жидкость к клеткам.
3. Клетки образуют углекислый газ, поэтому его парциальное давление в тканях выше, чем в крови. Он переходит из тканевой жидкости в кровь.

Ответ. Кислород перемещается из крови в тканевую жидкость и к клеткам, а углекислый газ — из тканевой жидкости в кровь.

Задача 3

Условие. Проследите путь кислорода от альвеолы до клетки и углекислого газа от клетки до альвеолы. В схеме нужно показать роль гемоглобина и движения крови, а также не смешивать перенос газов с их диффузией через стенки.

1. Кислород диффундирует из альвеолы в капилляр и связывается с гемоглобином эритроцитов.
2. Кровь движется к тканям и доставляет туда кислород. В капиллярах тканей кислород отделяется от гемоглобина и диффундирует к клеткам.
3. Углекислый газ из клеток поступает в кровь и переносится кровотоком к лёгким. В лёгочных капиллярах он диффундирует в альвеолы.
4. При выдохе углекислый газ удаляется, а обновлённый альвеолярный воздух поддерживает условия для нового обмена.

Ответ. Путь кислорода: альвеола — кровь и гемоглобин — ткани — клетка. Путь углекислого газа обратный: клетка — кровь — лёгкие — альвеола; кровь переносит газы по сосудам, а через стенки они проходят диффузией.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что кислород просто «прикрепляется» к стенке альвеолы. Так могут думать, потому что обмен происходит рядом с альвеолами, но газ должен пройти через стенки альвеолы и капилляра, прежде чем связаться с гемоглобином. Проверьте себя: можете ли вы назвать сначала путь диффузии, а затем место связывания кислорода?

Ошибка — путать направления движения газов в лёгких и тканях. Путаница возникает из-за того, что в обоих местах одновременно движутся и кислород, и углекислый газ, но направление для каждого меняется. Проверка простая: в лёгких кислород входит в кровь, а в тканях выходит из неё к клеткам.

Ошибка — объяснять переход газов через стенки движением крови. Кровоток действительно переносит газы между лёгкими и органами, поэтому его роль легко переоценить. Однако через стенки кислород и углекислый газ диффундируют из-за разницы парциальных давлений; проверьте, можете ли вы указать, где давление конкретного газа выше.

Ошибка — считать, что углекислый газ переносится только растворённым в крови. Такой вывод может появиться, если помнить лишь о газах, растворённых в жидкости, но кровь переносит CO₂ несколькими способами. Проверяя ответ, не сводите транспорт углекислого газа к одной форме и не смешивайте его перенос с диффузией между тканями и кровью.

Связь с другими темами

Чтобы понять газообмен, нужно знать строение дыхательной системы, альвеол и кровеносных капилляров. Полезно также помнить, что эритроциты содержат гемоглобин, который связывает кислород. Эти знания объясняют, где именно происходит обмен и как кровь переносит газ между органами.

Тема связана с клеточным дыханием: клетки используют кислород и образуют углекислый газ. Она помогает разобраться в работе кровообращения, которое доставляет кровь к лёгким и тканям, и в регуляции дыхания, поддерживающей обмен газов.

Что запомнить

• Газообмен происходит благодаря диффузии.
• Газы диффундируют в сторону меньшего парциального давления.
• В лёгких кислород переходит из альвеол в кровь.
• В лёгких углекислый газ переходит из крови в альвеолы.
• В тканях кислород переходит из крови к клеткам.
• В тканях углекислый газ переходит от клеток в кровь.
• Гемоглобин связывает кислород и помогает переносить его кровью.