Дыхание
ДЫХАНИЕ— совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода, использование его в окислительных процессах, удаление из организма образующихся углекислого газа и паров воды. Первоначально под дыханием подразумевали лишь внешнее дыхание, т. е. непосредственное вдыхание и выдыхание воздуха (см. Дыхательная система). Позже под дыханием стали понимать обмен газов между окружающей средой и клеткой, т. е. газообмен, а также сложный комплекс биохимических реакций, которые обеспечивают потребление кислорода и перевод энергии, полученной при этом, в форму, доступную для биологического использования (см. Обмен веществ и энергии).
Все животные и человек приспособились добывать энергию из синтезированных растениями органических веществ, поступающих в их организм с пищей. Чтобы использовать энергию, заключенную в молекулах органических веществ, ее необходимо высвободить, окислив эти вещества. Чаще всего в качестве окислителя используется кислород воздуха (он составляет почти 21% объема окружающей атмосферы). На заре биологической эволюции (более 600 млн. лет назад) живые организмы были вынуждены извлекать энергию, не пользуясь кислородом воздуха в качестве окислителя. Бескислородный (анаэробный) способ дыхания заключается в том, что молекула органического вещества расщепляется и окисляется за счет кислорода, содержащегося в самих молекулах. Многие живые организмы, напр. дрожжи, пользуются анаэробным Д. и по сей день. Поскольку при таком дыхании более 90% энергии бесполезно уходит вместе с недоокисленными продуктами обмена, подавляющее большинство организмов «перешло» на извлечение энергии путем окисления органического вещества кислородом воздуха (аэробный тип дыхания). Вместе с тем иногда возможен возврат к старому (анаэробному) способу дыхания. Напр., человеческий зародыш получает энергию на самых ранних стадиях развития за счет анаэробного дыхания. Другой пример: при больших физических нагрузках человек дышит весьма интенсивно, однако мышечной ткани все же не хватает кислорода для полного окисления глюкозы (основного источника энергии, поступающей с пищевыми продуктами). Поэтому на помощь приходит анаэробный механизм, окисляющий глюкозу лишь до молочной кислоты. Одышка после значительных физических нагрузок — это «уплата» работавшим мышцам кислородного долга для последующего окисления накопившейся молочной кислоты. Анаэробное дыхание характерно и для клеток многих видов опухолей.
В обычных условиях для обеспечения аэробного клеточного дыхания необходимо подвести к каждой клетке кислород и обеспечить удаление углекислого газа. В природе известны два способа решения проблемы транспорта газов. У насекомых и многих других членистоногих воздух непосредственно поступает ко всем клеткам тела через систему воздуховодных трубок — трахей. Более широко распространен в живой природе опосредованный способ газового транспорта. Суть его в том, что от специализированного органа дыхания (легкие, жабры) кислород переносится кровью (см. Кровь, кроветворная система) к тканям, где кровь забирает накопившийся углекислый газ (углекислоту) и транспортирует его к органам дыхания, откуда он удаляется в окружающую среду.
У человека дыхание включает обмен воздуха между атмосферой и альвеолами легких (внешнее дыхание), газообмен между альвеолярным воздухом и кровью, транспорт газов кровью, обмен газов между кровью и тканями и механизм клеточного дыхания.
В покое человек вдыхает и выдыхает 6—9 л воздуха в 1 мин, примерно 5 л крови проходит за это время по мельчайшим кровеносным сосудам (капиллярам) легких. В альвеолах легких газообразный кислород переходит в кровь (растворяется в крови) легочных капилляров, а углекислый газ — в обратном направлении; молекулы каждого газа движутся из области более высокой их концентрации в область более низкой. Чрезвычайно тонкий слой (ок. 1 мкм) стенок альвеол не оказывает существенного сопротивления продвижению газов. В альвеолах концентрация кислорода в обычных условиях выше, чем в крови, притекающей к легким по легочным капиллярам (содержание кислорода в альвеолярном воздухе практически такое же, как в окружающей атмосфере), поэтому кислород диффундирует (переходит) в кровь. Напротив, концентрация углекислоты в крови всегда выше, чем в атмосферном (альвеолярном) воздухе. Поэтому углекислый газ в легочных капиллярах будет выходить из крови в альвеолы, а из них в окружающую атмосферу. На следующем этапе кислород, переносимый с током крови в различные ткани и органы, начинает переходить из крови в клетки этих тканей и органов, т. к. вследствие постоянной «работы» клеток они непрерывно потребляют кислород и выделяют углекислоту. Концентрация кислорода в клетках всегда ниже, чем в притекающей крови, а концентрация углекислоты выше. Т. о., на всем своем пути от легких через кровь к тканям кислород движется из области его более высокой концентрации в область более низкой и, наконец, утилизируется (потребляется) в клетках. То же самое и с углекислым газом, который движется из работающих органов (т. е. мест более высокой его концентрации) через кровь к легким, где концентрация его минимальна.
Кислород малорастворим в воде — основной составной части плазмы крови. Подсчитано, что если бы он переносился лишь плазмой крови, то для поддержания жизни человеку массой 70 кг потребовалось бы в 25 раз более мощное сердце, в 20 раз большие легкие и за одну минуту перекачивать более 100 л жидкости (а не те 5 л крови, о которых говорилось выше). Природа нашла способ преодоления этой трудности, приспособив для переноса кислорода в углекислоты особое вещество — гемоглобин. Благодаря гемоглобину кровь способна связывать кислорода в 70 раз, а углекислого газа — в 20 раз больше, чем жидкая часть крови — ее плазма. Механизм связывания кислорода кровью с участием гемоглобина выглядит следующим образом. Кислород входит в плазму крови легочных капилляров и переходит из нее в эритроциты. Содержащийся в эритроцитах гемоглобин соединяется с кислородом, образуя оксигемоглобин. В результате этого концентрация свободного кислорода в эритроцитах резко снижается, что обеспечивает поступление в эритроциты новых молекул кислорода. Формируя оксигемоглобин, эритроциты как бы «затягивают» в себя кислород. Поэтому за время прохождения крови по легочному капилляру концентрация кислорода в ней возрастает.
Процесс соединения кислорода с гемоглобином и расщепление образующегося при этом оксигемоглобина регулируются двумя факторами: общим количеством кислорода и в меньшей степени количеством углекислоты. В легких, где концентрация кислорода относительно высока, образуется оксигемоглобин. В тканях, где концентрация кислорода очень низка, оксигемоглобин расщепляется, освобождая кислород, который диффундирует в ткани. Углекислый газ, образующийся в тканях в процессе жизнедеятельности, переходит в кровь и поступает в эритроциты. Часть углекислого газа (углекислоты) соединяется с гемоглобином, образуя карбогемоглобин, и доставляется в легкие. Другая (большая) часть углекислого газа в эритроцитах при участии содержащегося в них фермента карбоангидразы превращается в соли угольной кислоты (бикарбонаты), которые переходят в плазму крови и с током ее транспортируются в легкие. В легочных капиллярах бикарбонаты при участии того же фермента карбоангидразы распадаются. Образующийся при этом углекислый газ переходит в альвеолярное пространство, откуда с выдыхаемым воздухом удаляется в окружающую среду. Аналогично и углекислый газ, доставленный гемоглобином в легкие (т. е. карбогемоглобин), отщепляется от него, переходит в альвеолярное пространство, а оттуда — в окружающую среду.
В покое, при незначительной физической нагрузке кровь отдает тканям не весь кислород, а всего лишь около 40%. При увеличении нагрузки усиливается использование кислорода.
Патология дыхания проявляется изменением его глубины, частоты и ритма. Учащение дыхания (тахипноэ) и урежение (брадипноэ) возникают при нарушении деятельности дыхательного центра, расположенного в продолговатом мозге. Кроме того, после форсированного дыхания вследствие ослабления раздражения дыхательного центра, обусловленного снижением концентрации углекислого газа в легких, может наступить длительное отсутствие дыхательных движений (апноэ). В других случаях, напр. при угнетении дыхательного центра, при различных формах дыхательной недостаточности наблюдается редкое поверхностное дыхание, или олигопноэ.
Для поддержания интенсивности газообмена на достаточном уровне в случае остановки дыхания или его недостаточного объема необходимо прибегнуть к искусственной вентиляции легких.
Добавить комментарий