"Биология ", Жемчугова М.Б., Романова Н.И
Газообмен обеспечивает клетки организма кислородом и удаляет углекислый газ. Он происходит в альвеолах лёгких и в тканях благодаря диффузии — перемещению веществ из области большей концентрации в область меньшей. Вдох и выдох возникают из-за изменения объёма грудной клетки и давления в лёгких. Частоту и глубину дыхания регулируют дыхательный центр, нервные импульсы и состав крови, особенно содержание углекислого газа.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Газообмен — обмен кислорода и углекислого газа между воздухом, кровью и тканями организма. Он нужен для снабжения клеток кислородом и удаления углекислого газа, образующегося при обмене веществ.
Вдох — поступление воздуха в лёгкие вследствие увеличения объёма грудной клетки и снижения давления в лёгких. Благодаря вдоху альвеолы получают новую порцию воздуха, содержащего кислород.
Выдох — удаление воздуха из лёгких вследствие уменьшения объёма грудной клетки и повышения давления в лёгких. Так организм выводит воздух, в котором стало больше углекислого газа.
Нервная и гуморальная регуляция дыхания — управление частотой и глубиной дыхательных движений нервными импульсами и изменениями состава крови. Она позволяет подстраивать дыхание под потребности организма, например при физической нагрузке.
Газообмен лучше всего происходит в альвеолах — маленьких пузырьках на концах дыхательных путей. Их стенки очень тонкие, поверхность огромна, а снаружи находится густая сеть капилляров. Поэтому путь для диффузии короткий, а большая площадь позволяет одновременно обменивать значительное количество газов.
Газы перемещаются по градиенту концентрации, то есть из области, где их больше, в область, где их меньше. В альвеолярном воздухе кислорода больше, чем в венозной крови, поэтому он проходит через стенку альвеолы в кровь. Углекислого газа больше в венозной крови, поэтому он движется в обратную сторону — в альвеолу.
В тканях сохраняется такой же принцип диффузии, но направление меняется. Кровь приносит клеткам кислород, и его содержание в крови выше, чем внутри работающих клеток. Углекислый газ, образующийся в клетках, переходит в кровь, где его концентрация ниже.
Дыхательные мышцы не втягивают воздух непосредственно в лёгкие, а изменяют объём грудной клетки. При сокращении диафрагма опускается, а межрёберные мышцы поднимают рёбра; объём грудной полости увеличивается. Давление в лёгких становится ниже атмосферного, и воздух входит внутрь.
При расслаблении диафрагма поднимается, рёбра опускаются, объём грудной клетки уменьшается, а давление в лёгких повышается. Воздух выходит наружу. Ритм задаёт дыхательный центр, а хеморецепторы — чувствительные клетки, реагирующие на состав крови, — особенно быстро возбуждают его при повышении содержания углекислого газа.
| Процесс | Место | Изменение давления или концентрации | Направление движения газов | Результат |
|---|---|---|---|---|
| Вдох | Дыхательные пути и лёгкие | Объём грудной клетки увеличивается, давление в лёгких уменьшается | Воздух поступает в лёгкие | Альвеолы заполняются воздухом |
| Лёгочный газообмен | Альвеолы и капилляры лёгких | Содержание кислорода выше в альвеолах, углекислого газа — в венозной крови | Кислород поступает в кровь, углекислый газ — в альвеолы | Кровь насыщается кислородом |
| Выдох | Дыхательные пути и лёгкие | Объём грудной клетки уменьшается, давление в лёгких увеличивается | Воздух выходит из лёгких | Удаляется воздух с повышенным содержанием углекислого газа |
| Тканевой газообмен | Капилляры и клетки тканей | Содержание кислорода выше в крови, углекислого газа — в клетках | Кислород поступает в клетки, углекислый газ — в кровь | Клетки получают кислород |
Таблицу удобно читать как цепочку причин и результатов: сначала меняется объём грудной клетки или соотношение газов, затем возникает движение воздуха или диффузия. Для проверки направления газа сравните, где его больше: он перемещается к месту с меньшим содержанием.
Нужно сравнить содержание обоих газов по разные стороны альвеолярно-капиллярной мембраны. Затем применить правило диффузии: частицы перемещаются из области большей концентрации в область меньшей. Направление каждого газа определяют отдельно.
Ответ: кислород входит в кровь, а углекислый газ выходит из крови в альвеолы, потому что каждый газ движется по своему градиенту концентрации.
Нужно проследить изменения от работы мышцы до движения воздуха. Диафрагма отделяет грудную полость от брюшной и при сокращении становится более плоской. Это изменяет пространство, в котором находятся лёгкие.
Ответ: сокращение диафрагмы вызывает увеличение объёма грудной клетки, снижение давления в лёгких и поступление воздуха внутрь.
После бега или другой работы мышцы используют больше кислорода и образуют больше углекислого газа. Изменение состава крови улавливают хеморецепторы. Они передают сигналы дыхательному центру, который меняет работу мышц.
Ответ: дыхание становится частым и глубоким из-за возросшей потребности тканей и накопления углекислого газа; после восстановления состава крови ритм постепенно нормализуется.
Ошибка: считать, что лёгкие сами активно расширяются и сжимаются. Так думают из-за слов «вдох» и «выдох», но движение лёгких вызывают грудная клетка и изменения давления. Проверьте себя: назовите сначала работу диафрагмы и рёбер.
Ошибка: путать направление газов в лёгких и тканях. В лёгких кислород идёт в кровь, а в тканях — из крови к клеткам. Для проверки сравните, где каждого газа больше.
Ошибка: объяснять вдох только поступлением воздуха. Причиной вдоха являются увеличение объёма грудной клетки и снижение давления в лёгких. Если эти звенья не названы, объяснение неполное.
Ошибка: считать дыхание только нервным процессом. Дыхательный центр получает сигналы и от хеморецепторов, реагирующих на состав крови. Спросите себя, что происходит при накоплении углекислого газа.
Для понимания темы нужны знания о строении органов дыхания, составе вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, крови и кровообращении. Газообмен связан с клеточным дыханием, при котором клетки получают энергию с участием кислорода. Эти знания помогают объяснить влияние нагрузки, высоты, загрязнения воздуха и заболеваний органов дыхания.
Почему кислород не перемещается из крови обратно в альвеолы?
Венозная кровь, поступающая к лёгким, содержит меньше кислорода, чем воздух альвеол. Поэтому кислород диффундирует в кровь, пока сохраняется разница его парциального давления.
Почему вдох считают активным, а спокойный выдох — преимущественно пассивным процессом?
При вдохе диафрагма и наружные межрёберные мышцы сокращаются, затрачивая энергию. При спокойном выдохе мышцы расслабляются, грудная клетка возвращается к прежнему объёму, и воздух выходит без дополнительного активного сокращения.
Как диафрагма влияет на объём грудной клетки?
При сокращении диафрагма опускается и увеличивает объём грудной полости. Давление в лёгких снижается, поэтому воздух входит внутрь. При расслаблении диафрагма поднимается.
Почему после физической нагрузки дыхание становится более частым и глубоким?
Работающие мышцы потребляют больше кислорода и образуют больше углекислого газа. Хеморецепторы воспринимают изменения состава крови, а дыхательный центр усиливает работу дыхательных мышц.
Можно ли сознательно изменить частоту дыхания и почему дыхание всё равно восстанавливается автоматически?
На короткое время человек может задержать дыхание или изменить его ритм. Но накопление углекислого газа возбуждает дыхательный центр, поэтому автоматическая регуляция постепенно возвращает необходимую частоту дыхания.
§ 33. Газообмен. Механизм дыхания и его регуляция
