26. Газообмен в легких 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 переход газов между воздухом, кровью и клетками. Благодаря ему клетки получают кислород для обмена веществ, а образующийся углекислый газ удаляется.

Парциальное давление — давление, которое создаёт отдельный газ в смеси. Например, в воздухе есть кислород и другие газы, и каждый из них вносит свой вклад в общее давление. Различие парциальных давлений помогает определить, в какую сторону будет переходить газ между альвеолами, кровью и тканями.

Оксигемоглобин — соединение гемоглобина с кислородом, которое преимущественно образуется в лёгких. Гемоглобин находится в эритроцитах и способен связывать кислород. Такое соединение нужно, чтобы кровь могла переносить кислород от лёгких к органам и тканям.

Карбгемоглобин — соединение гемоглобина с углекислым газом. Часть углекислого газа переносится в таком виде от тканей к лёгким. Этот термин не означает, что весь углекислый газ связан с гемоглобином: кровь переносит его также другими способами.

Как это устроено

В альвеолах — маленьких воздушных пузырьках лёгких — парциальное давление кислорода выше, чем в крови, которая поступает к лёгочным капиллярам. Поэтому кислород проходит через тонкие стенки альвеол и капилляров в кровь. Его переход не требует, чтобы воздух «проталкивал» кислород в сосуд: направление задаёт разница парциальных давлений.

В лёгочных капиллярах кислород связывается с гемоглобином эритроцитов, образуя оксигемоглобин. Связывание позволяет крови переносить гораздо больше кислорода, чем могло бы перемещаться только в растворённом виде. Кровь движется по сосудам к органам, и вместе с ней кислород достигает тканей.

Кровь, притекающая к лёгким, содержит больше углекислого газа, чем альвеолярный воздух: парциальное давление этого газа в ней выше. Поэтому углекислый газ переходит из крови через стенки капилляров и альвеол в воздушное пространство. При выдохе воздух удаляется, а вместе с ним организм избавляется от части углекислого газа.

В тканях парциальное давление кислорода ниже, чем в крови, потому что клетки непрерывно используют кислород. Из-за этой разницы кислород отделяется от гемоглобина и переходит из капилляров в тканевую жидкость, а затем в клетки. Там он участвует в клеточном дыхании — процессах, при которых клетки получают энергию из питательных веществ.

При клеточном дыхании образуется углекислый газ, поэтому его парциальное давление в тканях выше, чем в крови, поступающей к ним. Углекислый газ переходит в капилляры и переносится кровью к лёгким. Часть связывается с гемоглобином, образуя карбгемоглобин, а остальная часть переносится в иных формах; в лёгких газ покидает кровь и затем выводится с выдохом.

Газообмен в лёгких и тканях

Сопоставляйте в таблице не только направление движения газов, но и среду, между которой происходит обмен. Главная причина перехода — различие парциальных давлений: газ движется из области с более высоким давлением в область с более низким. Так можно проверить, почему кислород и углекислый газ меняют направление при переходе от лёгких к тканям.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Укажите, в каком направлении движется кислород при газообмене в лёгких. Чтобы ответить, нужно сравнить парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе и в крови, которая поступает к лёгким. Затем следует определить, где давление выше.

1. В альвеолярном воздухе парциальное давление кислорода выше, чем в притекающей крови.
2. Кислород переходит из области с более высоким парциальным давлением в область с более низким.
3. Значит, кислород проходит через стенки альвеол и капилляров в кровь.

Ответ: в лёгких кислород движется из альвеолярного воздуха в кровь. Направление объясняется разницей парциальных давлений, а не самим вдохом или выдохом.

Задача 2

Условие. Определите, куда движутся кислород и углекислый газ в капиллярах тканей. Для каждого газа рассуждайте отдельно: сравните его парциальное давление в крови и тканях. Не переносите на ткани направления, характерные для лёгких.

1. Клетки используют кислород, поэтому его парциальное давление в тканях ниже, чем в крови.
2. Кислород переходит из крови в ткани и затем поступает в клетки.
3. Клетки образуют углекислый газ, поэтому его давление в тканях выше, чем в крови.
4. Углекислый газ переходит из тканей в кровь, которая переносит его к лёгким.

Ответ: кислород движется из крови в клетки, а углекислый газ — из клеток в кровь. Проверьте вывод для каждого газа отдельно: направление определяется его собственным перепадом давления.

Задача 3

Условие. Объясните путь кислорода от альвеол до клеток и путь углекислого газа от клеток до альвеол. Здесь нужно связать два участка газообмена переносом веществ кровью. Удобно проследить сначала путь одного газа, а затем другого.

1. В лёгких кислород переходит из альвеол в капилляры, потому что его парциальное давление там выше.
2. В капиллярах кислород связывается с гемоглобином эритроцитов; кровь переносит его к органам.
3. В тканях кислород отделяется от гемоглобина и поступает в клетки, где используется при обмене веществ.
4. Клетки образуют углекислый газ; он переходит в кровь и переносится к лёгким, в том числе частично в соединении с гемоглобином.
5. В лёгких углекислый газ переходит из крови в альвеолы, а затем выводится при выдохе.

Ответ: кислород проходит путь альвеолы — кровь — ткани — клетки, а углекислый газ движется от клеток через кровь к альвеолам. Гемоглобин помогает переносу кислорода и части углекислого газа, а направление перехода между средами задаёт разница парциальных давлений.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать, что газы переходят между альвеолами, кровью и тканями только благодаря дыхательным движениям. Так думают, потому что вдох и выдох заметны и связаны с работой лёгких, но непосредственный переход газа определяется различием парциальных давлений. Проверьте себя вопросом: где давление именно этого газа выше?

• Ошибка — путать направления газов в лёгких и тканях. Причина часто в том, что запоминают направление лишь для одного участка и переносят его на другой. Для проверки отдельно назовите, куда кислород поступает в лёгких и куда отдаётся в тканях, а затем проделайте то же для углекислого газа.

• Ошибка — утверждать, что кислород переносится кровью только в растворённом виде. Такое представление возникает, если не учитывать роль эритроцитов и гемоглобина. Вспомните, что основная часть кислорода связывается с гемоглобином; это соединение называется оксигемоглобином.

• Ошибка — смешивать газообмен в лёгких с газообменом в тканях. В обоих случаях участвует кровь, поэтому различие между участками легко упустить. Проверьте ответ, указав партнёра крови: в лёгких это альвеолярный воздух, а в тканях — клетки.

Связь с другими темами

Для понимания газообмена нужно знать, как устроены дыхательная система, альвеолы и капилляры, а также какую роль играют эритроциты и гемоглобин. Тема связана с клеточным дыханием: клетки используют кислород и образуют углекислый газ. Эти знания пригодятся при изучении кровообращения и состава крови, а также при объяснении того, почему физическая нагрузка влияет на работу организма и потребность тканей в кислороде.

Что запомнить

• Газообмен происходит за счёт различий парциальных давлений газов.
• В лёгких кислород переходит из альвеол в кровь.
• В лёгких углекислый газ переходит из крови в альвеолы.
• В тканях кислород переходит из крови в клетки.
• В тканях углекислый газ переходит из клеток в кровь.
• Гемоглобин участвует в переносе кислорода и части углекислого газа.