Раздел 8. Дыхание

Определения и обозначения

Дыхание — совокупность процессов, обеспечивающих поступление кислорода в организм, его использование клетками и удаление углекислого газа. Это не только вдох и выдох: к дыханию относятся также газообмен и клеточное использование кислорода. Такое определение помогает проследить весь путь газов — от воздуха до клеток и обратно.

Дыхательные пути — органы, по которым воздух проходит к лёгким и обратно: носовая полость, гортань, трахея и бронхи. По дороге воздух очищается, согревается и увлажняется, поэтому меньше раздражает ткани лёгких. Дыхательные пути проводят воздух, но основной газообмен происходит не в них, а в лёгочных пузырьках.

Альвеолы — мельчайшие пузырьки лёгких, через тонкие стенки которых происходит газообмен между воздухом и кровью. Они окружены кровеносными капиллярами — очень мелкими сосудами, по которым течёт кровь. Благодаря альвеолам кислород может перейти в кровь, а углекислый газ — покинуть её.

Газообмен — переход кислорода и углекислого газа между воздухом, кровью и тканями организма. Газы перемещаются туда, где их содержание ниже, поэтому направления для кислорода и углекислого газа различаются. Понятие газообмена связывает работу лёгких с переносом веществ кровью и процессами в клетках.

Как это устроено

При вдохе воздух сначала попадает в носовую полость, затем проходит через гортань, трахею и бронхи к альвеолам. В носу крупные частицы задерживаются волосками и слизью, а реснички слизистой помогают перемещать загрязнения наружу. Многочисленные кровеносные сосуды согревают воздух, а влажная поверхность увлажняет его; это важно, потому что сухой, холодный или запылённый воздух может повредить дыхательные ткани. При выдохе воздух проходит по тому же пути в обратном направлении.

Трахея делится на два главных бронха, которые входят в лёгкие и многократно разветвляются на более мелкие трубки. Их ветвление напоминает дерево: оно распределяет воздух по всему объёму лёгких. На концах мелких ветвей расположены скопления альвеол, поэтому к воздуху подходит большое количество тонких стенок. Большая суммарная поверхность и близость капилляров дают возможность обменивать достаточно газа за короткое время.

Стенка альвеолы и стенка капилляра очень тонкие, поэтому газам легко пройти сквозь них. В воздухе альвеол кислорода больше, чем в крови, которая поступает к лёгким; кислород движется из области с большим содержанием в область с меньшим и попадает в кровь. В притекающей крови углекислого газа больше, чем в альвеолярном воздухе, поэтому он переходит в альвеолу. Затем углекислый газ удаляется при выдохе.

Вдох начинается, когда наружные межрёберные мышцы сокращаются и приподнимают рёбра, а диафрагма сокращается и опускается. Грудная клетка расширяется, объём грудной полости становится больше, и давление внутри неё уменьшается. Из-за разницы давлений воздух входит в лёгкие; сами лёгкие не втягивают его активным расширением. При выдохе мышцы расслабляются, рёбра опускаются, диафрагма поднимается, объём уменьшается и воздух выходит.

После перехода в кровь кислород переносится к тканям, преимущественно соединяясь с гемоглобином — веществом эритроцитов, способным связывать кислород. В капиллярах тканей кислород выходит из крови и поступает в клетки, где используется для получения энергии из питательных веществ. При этом образуется углекислый газ, который переходит в кровь. Кровоток доставляет его к лёгким, где он перемещается в альвеолы и удаляется при выдохе.

Органы дыхательной системы и их функции

В таблице путь воздуха показан от начального отдела до места газообмена. Сопоставляй особенности строения с функцией: например, ветвление бронхов помогает распределить воздух, а тонкие стенки альвеол облегчают переход газов. Так можно отличить органы, которые проводят воздух, от тех, где он обменивается газами с кровью.

Разбор задач

Задача 1. Расположите органы дыхательной системы в порядке прохождения воздуха при вдохе. Чтобы решить задачу, нужно идти от места, куда воздух поступает извне, к участку лёгких, где он соприкасается с кровью. Не следует ставить альвеолы раньше бронхов: они находятся на концах их разветвлений.

1. Определяем вход для воздуха — это носовая полость.
2. Прослеживаем путь дальше: из носовой полости воздух проходит через гортань и трахею.
3. После трахеи он попадает в бронхи, а по их ветвям — в альвеолы.

Ответ: носовая полость → гортань → трахея → бронхи → альвеолы. Стрелки показывают последовательность движения при вдохе. При выдохе воздух направляется по этому пути в обратном порядке.

Задача 2. Объясните, почему кислород переходит из альвеол в кровь, а углекислый газ — из крови в альвеолы. Нужно сравнить содержание каждого газа по обе стороны тонкой стенки, а не предполагать, что оба газа движутся в одном направлении. Газ переходит из области, где его больше, в область, где его меньше.

1. В альвеолярном воздухе кислорода больше, чем в крови, поступающей к лёгким, поэтому кислород переходит в кровь.
2. В этой крови углекислого газа больше, чем в воздухе альвеол, поэтому он переходит из крови в альвеолы.
3. Проверяем направления: кислород пополняет кровь, а углекислый газ удаляется с выдыхаемым воздухом.

Ответ: газы движутся в противоположных направлениях из-за различия их содержания по обе стороны стенки альвеолы. Тонкая стенка и соседство капилляров делают такой обмен возможным. Важно сравнивать содержание отдельно для каждого газа.

Задача 3. При физической нагрузке дыхание учащается. Объясните, как это связано с работой мышц и потребностью организма в кислороде. В ответе нужно связать работу мышечных клеток с потреблением кислорода, образованием углекислого газа и изменением вентиляции лёгких. Одного утверждения «мышцы работают быстрее» недостаточно.

1. При нагрузке мышцам нужно больше энергии, поэтому клеточное дыхание усиливается и кислорода расходуется больше.
2. Одновременно клетки образуют больше углекислого газа, который необходимо перенести к лёгким и удалить.
3. Дыхание учащается, чтобы усилить поступление кислорода в альвеолы и выведение углекислого газа.

Ответ: учащённое дыхание помогает удовлетворить возросшую потребность мышц в кислороде и быстрее удалить углекислый газ. Кровь при этом доставляет кислород к работающим тканям и уносит от них углекислый газ. Так дыхательная система действует совместно с кровообращением.

Типичные ошибки

Ошибка — считать дыханием только вдох и выдох. Такое представление легко возникает, потому что движения грудной клетки заметны, а газообмен и работа клеток скрыты от глаз. Проверка: проследи, куда после вдоха попадает кислород, как он доходит до клеток и что происходит с углекислым газом.

Ошибка — называть трахею или бронхи местом основного газообмена. Воздух действительно движется по этим трубкам, поэтому их роль можно спутать с ролью альвеол. Проверь себя вопросом: где воздух отделён от крови тонкой стенкой и где рядом расположены капилляры? Это место — альвеолы.

Ошибка — считать, что кислород и углекислый газ переносятся кровью одинаково. Газы различаются и по способу переноса, и по направлению движения: кислород направляется от лёгких к тканям, углекислый газ — от тканей к лёгким. Чтобы проверить ответ, нарисуй для каждого газа отдельную стрелку и назови пункт назначения.

Ошибка — думать, что при вдохе лёгкие сами расширяются и затягивают воздух. Так забывают, что изменение их объёма связано с движениями грудной клетки и диафрагмы. Вспомни последовательность: диафрагма сокращается и опускается, объём грудной полости увеличивается, давление снижается — и воздух входит.

Связь с другими темами

До изучения дыхания полезно знать, какие органы находятся в грудной полости, и понимать, что кровь переносит вещества по организму. Это помогает представить, как лёгкие связаны с сосудами и почему воздух в них нужен не сам по себе. Движение газов можно проследить от дыхательных путей до тканей.

Дыхание тесно связано с кровообращением: кровь забирает кислород в лёгких, доставляет его тканям и переносит углекислый газ обратно. Поэтому нарушение работы одного звена затрудняет работу другого. Вместе эти системы обеспечивают обмен газами между внешней средой и клетками.

Тема пригодится при изучении клеточного дыхания и обмена веществ, где рассматривается использование кислорода для получения энергии. Она также помогает объяснить, почему при физической нагрузке меняются частота и глубина дыхания. Так можно связать работу органов с потребностями всего организма.

Что запомнить

• Воздух проходит к лёгким по дыхательным путям.
• Дыхательные пути очищают, согревают и увлажняют воздух.
• Газообмен между воздухом и кровью происходит в альвеолах.
• Кислород из лёгких поступает в кровь, а углекислый газ переходит из крови в альвеолы.
• Вдох и выдох обеспечиваются изменением объёма грудной полости.
• Кровь переносит кислород к тканям и углекислый газ к лёгким.