§ 29. Общие сведения о дыхании

Определения и обозначения

Дыхание — совокупность процессов, обеспечивающих поступление кислорода в организм, его использование клетками и удаление углекислого газа. Иными словами, это путь газов от воздуха к клеткам и обратно, а не только движения грудной клетки. Такое понятие помогает увидеть, что для дыхания нужны и лёгкие, и кровь, и сами клетки.

Газообмен — обмен кислородом и углекислым газом между организмом и окружающей средой, а также между кровью и тканями. Газы движутся через тонкие стенки там, где их содержание по разные стороны различается. Понятие газообмена нужно, чтобы описать, как кислород и углекислый газ переходят между воздухом, кровью и клетками.

Клеточное дыхание — использование кислорода клетками для окисления органических веществ с высвобождением энергии. Оно происходит внутри клеток и связано с их обеспечением энергией. Этот термин помогает отличить работу клеток от вентиляции лёгких и обмена газами.

Окисление органических веществ — процесс их распада при участии кислорода, в результате которого образуются углекислый газ и вода. При этом высвобождается энергия, которую клетка может использовать для своей работы. Это понятие объясняет, почему кислород нужен клеткам и откуда в организме берётся углекислый газ.

Как это устроено

Клеткам постоянно нужна энергия: например, для сокращения мышц, роста и обновления веществ. Её получают при окислении органических веществ, поступающих с пищей. Кислород участвует в этом процессе, и энергия высвобождается в доступной клеткам форме. Поэтому дыхание снабжает клетки не энергией из воздуха, а кислородом, необходимым для получения энергии из питательных веществ.

Связь между поступлением кислорода и выделением углекислого газа объясняется клеточным дыханием. Кислород используется при окислении органических веществ, а углекислый газ образуется как один из продуктов этого процесса. Если углекислый газ останется в тканях, нормальная работа организма будет нарушаться. Поэтому его нужно перенести к лёгким и удалить с выдохом.

В лёгких воздух соприкасается с кровью через тонкие стенки дыхательных поверхностей. Кислород переходит из воздуха в кровь, а углекислый газ движется из крови в воздух, потому что обмен идёт в противоположных направлениях. В тканях условия другие: клетки расходуют кислород и образуют углекислый газ. Поэтому там кислород переходит из крови к клеткам, а углекислый газ — от клеток в кровь.

Кровь служит связующим звеном между лёгкими и тканями, поскольку переносит газы по всему организму. Она забирает кислород в лёгких и доставляет его к клеткам, которым он нужен для клеточного дыхания. Затем кровь уносит углекислый газ от тканей к лёгким. Если перенос нарушен, клетки могут испытывать недостаток кислорода даже при нормальной работе лёгких.

Дыхание складывается из нескольких взаимосвязанных процессов: вентиляции лёгких, газообмена и клеточного дыхания. Вентиляция обновляет воздух в лёгких, газообмен обеспечивает переход газов, а клеточное дыхание использует кислород внутри клеток. Каждый этап нужен для следующего, поэтому сбой в любом из них затрудняет снабжение тканей кислородом и удаление углекислого газа.

Основные этапы дыхания

Читайте таблицу как последовательность: воздух обновляется в лёгких, затем газы обмениваются и переносятся кровью к нужным местам. В тканях кислород используют клетки, а образовавшийся углекислый газ отправляется обратно к лёгким. Если мысленно пройти этапы в обратную сторону, можно проследить удаление углекислого газа.

Разбор задач

Направление движения газов в лёгких

Условие. Укажите, какой газ поступает из воздуха в кровь в лёгких и какой газ движется в противоположном направлении. Чтобы ответить, нужно определить, где находится каждый газ до и после газообмена. Не следует путать лёгкие с тканями, где направления другие.

1. В лёгких кровь получает газ, который нужен клеткам для окисления органических веществ.
2. Этим газом является кислород, поэтому он движется из воздуха в кровь.
3. Углекислый газ образуется в тканях и переносится кровью к лёгким, откуда переходит в воздух.

Ответ. Кислород поступает из воздуха в кровь, а углекислый газ движется из крови в воздух лёгких. Такое направление позволяет пополнить кровь кислородом и подготовить углекислый газ к удалению.

Учащённое дыхание после нагрузки

Условие. После физической нагрузки дыхание учащается. Нужно объяснить, почему это помогает организму, связав работу мышц с потребностью клеток. Один лишь факт, что человек дышит чаще, не объясняет его пользу.

1. При нагрузке мышцы работают активнее и расходуют больше энергии.
2. Чтобы получить эту энергию, клеткам требуется больше кислорода для окисления органических веществ.
3. Учащённая вентиляция обновляет воздух в лёгких, а газообмен и перенос кровью помогают доставлять кислород к тканям и удалять больше углекислого газа.

Ответ. Более частое дыхание помогает обеспечить возросшую потребность клеток в кислороде и ускорить удаление углекислого газа. Так организм поддерживает работу мышц во время нагрузки.

Нарушен перенос кислорода кровью

Условие. Лёгкие работают нормально, но кровь плохо переносит кислород. Нужно определить, почему в такой ситуации клеткам может его не хватать, хотя газообмен в лёгких не нарушен. Для этого проследим полный путь кислорода.

1. Сначала кислород должен перейти из воздуха в кровь в лёгких.
2. Затем кровь должна доставить его по сосудам к тканям. Если перенос нарушен, нормальный газообмен в лёгких не обеспечивает клетки кислородом.
3. Без достаточного кислорода клеточное дыхание затрудняется, поэтому клетки не могут нормально получать энергию при окислении органических веществ.

Ответ. Клетки могут испытывать недостаток кислорода, потому что кровь не доставляет его от лёгких к тканям. Этот пример показывает, что все этапы дыхания связаны и важны для снабжения клеток.

Типичные ошибки

Считать дыханием только вдох и выдох — значит смешивать вентиляцию лёгких со всем процессом. Такую ошибку допускают, потому что дыхательные движения заметны, а клеточное дыхание происходит внутри организма. Проверьте себя: можете ли вы назвать переход газов в лёгких и тканях и использование кислорода клетками? Если нет, представление о дыхании неполное.

Путать газообмен в лёгких и тканях легко, потому что в обоих случаях участвуют одни и те же газы и кровь. Но в лёгких кислород идёт в кровь, а в тканях — из крови к клеткам; для углекислого газа направления обратные. Проверяйте себя, всегда уточняя место газообмена и откуда куда движется каждый газ.

Неверно считать кислород самостоятельным источником энергии: он участвует в окислении органических веществ, при котором энергия высвобождается. Ошибка возникает из-за того, что кислород необходим для получения энергии. Чтобы проверить ответ, спросите себя, какое вещество окисляется: это органические вещества, а кислород участвует в процессе.

Углекислый газ не поступает в организм только из воздуха: он образуется в клетках при обмене веществ и переносится кровью к лёгким. Можно ошибиться, заметив, что этот газ есть в окружающем воздухе, и забыв о его образовании внутри организма. Проверьте путь газа: от клеток он попадает в кровь, затем в лёгкие и удаляется с выдохом.

Связь с другими темами

Для понимания дыхания нужны знания о крови: она переносит вещества между органами и тканями. Также важно помнить, что клетки используют питательные вещества, а при их превращениях происходит обмен энергии. Поэтому дыхание связано с обменом веществ и превращением энергии в клетке. Эти представления пригодятся при изучении органов дыхательной системы, кровообращения и реакции организма на физическую нагрузку.

Что запомнить

• Дыхание необходимо для снабжения клеток кислородом и удаления углекислого газа.
• При клеточном дыхании органические вещества окисляются, и высвобождается энергия.
• В лёгких кислород поступает в кровь, а углекислый газ выходит из крови.
• В тканях кислород переходит из крови к клеткам, а углекислый газ — от клеток в кровь.
• Кровь связывает газообмен в лёгких с газообменом в тканях.
• Вентиляция лёгких, газообмен и клеточное дыхание — взаимосвязанные процессы.