Строение лёгких. Газообмен в лёгких и тканях. Легкие – как они работают? Газообмен в легких и тканях происходит благодаря

Инструкция

В легочном дыхании принимают участие межреберные мышцы и диафрагма - плоская мышца, находящаяся на границе брюшной и грудной полостей. При сокращении диафрагмы давление в легких понижается давление, и в результате в них устремляется воздух. Выдох делается пассивно: легкие самостоятельно выталкивают воздух наружу. Процесс дыхания контролируется частью головного мозга – продолговатым мозгом. В нем находится центр регуляции дыхания, который реагирует на присутствие в крови углекислого газа. Как только его уровень повышается, центр посылает сигнал диафрагме по нервным путям, она сокращается, и происходит вдох. При повреждениях дыхательного центра применяют искусственную вентиляцию легких.

Процесс газообмена осуществляется в альвеолах легких - микроскопических пузырьках, находящихся на концах бронхиол. Они состоят из сквамозных (дыхательных) альвеоцитов, больших альвеоцитов и хеморецепторов. Основная роль в данном случае принадлежит кровеносной системе. Поступивший в альвеолы легких кислород проникает в стенки капилляров. Подобный процесс происходит вследствие разницы в крови и в воздухе, находящемся в альвеолах. Кровь в венах имеет меньшее давление, поэтому из альвеол кислород устремляется в капилляры. Углекислый газ в альвеолах имеет меньшее давление, поэтому из венозной крови он поступает в просвет альвеол.

В крови находятся эритроциты, содержащие белок гемоглобин. К гемоглобину присоединяются молекулы кислорода. Обогащенная кислородом кровь называется артериальной, она переносится к сердцу. Сердце перегоняет ее к клеткам тканей. В клетках кровь отдает кислород, а взамен забирает углекислый газ, который также переносится с помощью гемоглобина. Затем происходит обратный процесс: кровь поступает из тканевых капилляров в вены, в сердце и в легкие. В легких венозная кровь с углекислым газом поступает в альвеолы, углекислый газ вместе с воздухом выталкивается наружу. Двойной газообмен происходит в альвеолах молниеносно.

Жизненная емкость легких включает в себя дыхательный объем, а также резервные объемы вдоха и выдоха. Дыхательный объем – это количество воздуха, поступающее в легкие при 1-ом вдохе. Если после спокойного вдоха сделать усиленный вдох, в легкие поступит дополнительное количество воздуха, которое называется резервом объема вдоха. После спокойного выдоха можно выдохнуть еще некоторое количество воздуха (резервный объем выдоха). В целом, жизненная емкость легких составляет наибольшее количество воздуха, которое человек способен выдохнуть после глубокого вдоха.

Сайт предоставляет справочную информацию исключительно для ознакомления. Диагностику и лечение заболеваний нужно проходить под наблюдением специалиста. У всех препаратов имеются противопоказания. Консультация специалиста обязательна!

Легкие являются наиболее объемным органом нашего организма. Структура и механизм работы легких достаточно интересны. Каждый вдох наполняет наш организм кислородом, выдох устраняет из организма углекислый газ и некоторые токсические вещества. Дышим мы постоянно – и во сне и во время бодрствования. Процесс вдоха и выдоха – это достаточно сложные действия, которые осуществляются несколькими системами и органами при одновременном взаимодействии.

Несколько удивительных фактов о легких

Знаете ли Вы, что в легких содержится 700 миллионов альвеол (мешотчатых окончаний в которых происходит газообмен )?
Интересен тот факт, что площадь внутренней поверхности альвеол изменяется более чем в 3 раза - при вдохе более 120 квадратных метров, против 40 метров квадратных при выдохе.
Площадь альвеол более чем в 50 раз превышает площадь кожных покровов.

Анатомия легкого

Условно легкое можно разделить на 3 отдела:
1. Воздухоносный отдел (бронхиальное дерево ) – по которому воздух, как по системе каналов достигает альвеол.
2. Отдел, в котором происходит газообмен – система альвеол.
3. Отдельного внимания заслуживает кровеносная система легкого.

Для боле подробного изучения строения легкого рассмотрим каждую из представленных систем отдельно.

Бронхиальное дерево – как воздухоносная система

Представлено ветвлениями бронхов, визуально напоминающих гофрированные трубки. По мере ветвления бронхиального дерева просвет бронхов сужается, но они становятся все более многочисленными. Конечные веточки бронхов, называемые бронхиолами, имеют просвет размером менее 1 миллиметра, но их численность составляет несколько тысяч.

Строение стенки бронхов

Стенка бронхов состоит из 3-х слоев:
1. Внутренний слой – слизистый . Выстлан цилиндрическим мерцательным эпителием. Особенностью данного слизистого слоя является наличие на поверхности мерцательных щетинок, которые создают однонаправленное движение слизи на поверхности, способствуют механическому выведению пылинок или иных микроскопических частиц во внешнюю среду. Поверхность слизистой всегда увлажнена, содержит антитела и иммунные клетки.

2. Средняя оболочка – мышечно-хрящевая . Данная оболочка выполняет роль механического каркаса. Хрящевые колечки создают вид гофрированного шланга. Хрящевая ткань бронхов препятствует спаданию просвета бронхов при перепадах давления воздуха в легких. Так же хрящевые колечки, связанные гибкой соединительной тканью обеспечивают мобильность и гибкость бронхиального дерева. По мере снижения калибра бронхов в средней оболочке начинает преобладать мышечный компонент. При помощи гладкой мышечной ткани у легких появляется возможность регулировать потоки воздуха, ограничивать распространение инфекции и инородных тел .

3. Наружная оболочка – адвентиция . Эта оболочка обеспечивает механическую связь бронхиального дерева с окружающими органами и тканями. Состоит из коллагеновой соединительной ткани.

Ветвления бронхов весьма напоминают вид опрокинутого дерева. Отсюда и название – бронхиальное древо. Началом воздухоносных путей бронхиального древа, можно назвать просвет трахеи. Трахея в своей нижней части раздваивается на два главных бронха, которые направляют воздушные потоки каждый в свое легкое (правое и левое ). Внутри легкого ветвление продолжается на долевые бронхи (3 в левом легком и 2 в правом ), сегментарные и т.д. Воздухоносная система бронхиального дерева оканчивается терминальными бронхиолами, которые дают начало дыхательной части легкого (в ней происходит газообмен между кровью и воздухом легкого ).

Дыхательная часть легкого

Ветвление воздухоносной системы легкого достигает уровня бронхиол. Каждая бронхиола, диаметр которой не превышает 1 мм, дает начало 13 - 16 дыхательным бронхиолам, которые в свою очередь дают начало дыхательным ходам, оканчивающимися альвеолами (гроздевидные мешочки ), в которых происходит основной газообмен.

Строение легочной альвеолы

Легочная альвеола выглядит как гроздь винограда. Состоит из дыхательной бронхиолы, дыхательных ходов и воздушных мешочков. Выстлана внутренняя поверхность альвеол однослойным плоским эпителием тесно связанным с эндотелием капилляров, окутывающих альвеолу как сеть. Именно благодаря тому, что просвет альвеол отделен от просвета капилляра очень тонкой прослойкой, возможен активный газообмен, между легочной и кровеносной системами.

Внутренняя поверхность альвеол покрыта специальным органическим веществом – сурфактантом .
Данное вещество содержит органические составляющие, препятствующие спаданию альвеол при выдохе, в нем находятся антитела, иммунные клетки, обеспечивающие защитные функции. Так же сурфактант препятствует проникновению в просвет альвеол крови.

Расположение легкого в грудной клетке

Легкое лишь в месте соединения с главными бронхами механически фиксировано к окружающим тканям. Остальная его поверхность не имеет механической связи с окружающими органами.

Как же тогда происходит расправление легкого при дыхании?

Дело в том, что легкое расположено в специальной полости грудной клетки называемой плевральной . Эта полость выстлана однослойной слизистой тканью – плеврой . Такая же ткань выстилает и саму внешнюю поверхность легкого. Данные листки слизистых соприкасаются между собой, сохраняя возможность скольжения. Благодаря секретируемой смазке, возможно при вдохе и выдохе скольжение наружной поверхности легкого по внутренней поверхности грудной клетки и диафрагмы.

Мышцы, участвующие в акте дыхания

На самом деле вдох и выдох достаточно сложный и многоуровневый процесс. Для его рассмотрения необходимо ознакомиться с опорно-мышечным аппаратом, участвующем в процессе внешнего дыхания.

Мышцы, участвующие во внешнем дыхании
Диафрагма – это плоская мышца, натянутая как батут по краю реберной дуги. Диафрагма отделяет грудную полость от брюшной. Основная функция диафрагмы – активное дыхание.
Межреберные мышцы – представлены несколькими слоями мышц, посредством которых верхние и нижние края соседних ребер соединяются. Как правило, данные мышцы участвуют в глубоком вдохе и затяжном выдохе.

Механика дыхания

При вдохе происходит ряд одновременных движений, которые приводят к активному нагнетанию воздуха в воздухоносные пути.
При сокращении диафрагмы она уплощается. В плевральной полости создается отрицательное давление благодаря вакууму. Отрицательное давление в плевральной полости передается тканям легкого, которое послушно расширяется, создавая отрицательное давление в дыхательных и воздухоносных отделах. В результате атмосферный воздух устремляется в область пониженного давления – в легкие. Пройдя воздухоносные пути, свежий воздух смешивается с остаточной порцией воздуха легкого (воздух, оставшийся в просвете альвеол и дыхательных путей после выдоха ). В результате чего, концентрация кислорода в воздухе альвеол повышается, а концентрация углекислого газа понижается.

При глубоком вдохе происходит расслабление определенной части косых межреберных мышц и сокращении перпендикулярно расположенной порции мышц, что увеличивает межреберные расстояния, повышая объем грудной клетки. Потому появляется возможность на 20 - 30% увеличить объем вдыхаемого воздуха.

Выдох – в основном это пассивный процесс. Спокойный выдох не требует напряжения каких-либо мышц – требуется лишь расслабление диафрагмы. Легкое, благодаря своей эластичности и упругости само вытесняет основную часть воздуха. Лишь при форсированном выдохе могут напрягаться мышцы живота, межреберные мышцы. К примеру – при чихании или при кашле происходит сокращение мышц брюшного пресса, повышается внутрибрюшное давление, которое через диафрагму передается легочной ткани. Определенная часть межреберных мышц при сокращении приводит к уменьшению межреберных промежутков, что уменьшает объем грудной клетки, приводя к усиленному выдоху.

Кровеносная система легкого

Сосуды легкого берут свое начало от правого желудочка сердца , из которого кровь поступает в легочный ствол. По нему кровь распределяется в правую и левую легочные артерии соответствующих легких. В тканях легкого происходят ветвления сосудов параллельно бронхам. Причем артерии и вены идут параллельно бронху в непосредственной близости. На уровне дыхательной части легкого происходит ветвление артериол на капилляры, которые окутывают альвеолы густой сосудистой сетью. В этой сети и происходит активный газообмен. В результате прохождения крови на уровне дыхательной части легкого происходит обогащение эритроцитов кислородом. Покидая альвеолярные структуры, кровь продолжает свое движение, но уже по направлению к сердцу – к его левым отделам.

Как происходит газообмен в легких?

Поступившая при вдохе порция воздуха изменяет газовый состав полости альвеол. Повышается уровень кислорода, понижается уровень углекислого газа.
Альвеолы окутаны достаточно густой сетью мельчайших сосудов – капилляров, которые, пропуская с медленной скоростью через себя эритроциты, способствуют активному газообмену. Нагруженные гемоглобином эритроциты, проходя через капиллярную сеть альвеол, присоединяют к гемоглобину кислород.

Попутно происходит выведение из состава крови углекислого газа – он покидает кровь и переходит в полость воздухоносных путей. Узнать подробнее о том, как на молекулярном уровне происходит процесс газообмена в эритроцитах, Вы можете в статье: «Эритроциты – как они работают? ».
Посредством легких при дыхании происходит непрерывный газообмен между атмосферным воздухом и кровью. Задача легких обеспечить организм, необходимым количеством кислорода, попутно выводя образующийся в тканях организма и транспортируемый к легким кровью углекислый газ.

Как управляется процесс дыхания?

Дыхание – это полуавтоматический процесс. Мы в состоянии на определенное время задержать наше дыхание или участить дыхание произвольно. Однако в течение дня частота и глубина дыхания определяется в основном автоматически центральной нервной системой. На уровне продолговатого мозга имеются специальные центры регулирующие частоту и глубину дыхания в зависимости от концентрации в крови углекислого газа. Данный центр в головном мозге посредством нервных стволов связан с диафрагмой и обеспечивает ритмичное ее сокращение при акте дыхания. При повреждении центра регуляции дыхания или нервов связывающих этот центр с диафрагмой поддержание внешнего дыхания возможно, лишь при помощи искусственной вентиляции легких.

На самом деле функций у легких намного больше: поддержания кислотно-основного баланса крови (поддержание ph крови в пределах 7,35- 7,47), иммунная защита, очистка крови от микротромбов, регуляция коагуляции крови, выведение токсических летучих веществ. Однако целью данной статьи было освещение дыхательной функции легкого, основных механизмов приводящих к внешнему дыханию.

Тема: Дыхательная система

Урок: Строение легких. Газообмен в легких и тканях

Легкие человека - это парный орган конусовидной формы (см. Рис. 1). Снаружи они покрыты легочной плеврой, грудная полость покрыта пристеночной плеврой. Между 2 листками плевры находится плевральная жидкость, которая снижает силу трения при вдохе и выдохе.

Рис. 1.

За 1 минуту легкие прокачивают 100 литров воздуха.

Бронхи ветвятся, образуя бронхиолы, на концах которых находятся тонкостенные легочные пузырьки - альвеолы (см. Рис. 2).

Рис. 2.

Стенки альвеол и капилляров однослойные, что облегчает газообмен. Они образованы эпителием. Они выделяют сурфактант, который препятствует слипанию альвеол, и вещества, убивающие микроорганизмы. Отработанные БАВ перевариваются фагоцитами или выделяются в виде мокроты.

Рис. 3.

Кислород из воздуха альвеол переходит в кровь, а углекислый газ из крови переходит в альвеолярный воздух (см. Рис. 3).

Это происходит благодаря парциальному давлению, так как каждый газ растворяется в жидкости именно благодаря своему парциальному давлению.

Если парциальное давление газа в окружающей среде выше, чем его давление в жидкости, то газ будет растворяться в жидкости, пока не образуется равновесие.

Парциальное давление кислорода составляет 159 мм. рт. ст. в атмосфере, а в венозной крови - 44 мм. рт. ст. Это позволяет кислороду из атмосферы переходить в кровь.

Кровь попадает в легкие по легочным артериям и растекается по капиллярам альвеол тонким слоем, что способствует газообмену (см. Рис. 4). Кислород, переходя из альвеолярного воздуха в кровь, вступает во взаимодействие с гемоглобином с образованием оксигемоглобина. В этом виде кислород разносится кровью от легких к тканям. Там парциальное давление низкое, и оксигемоглобин диссоциирует, освобождая кислород.

Рис. 4.

Механизмы выделения углекислого газа сходны с механизмами поступления кислорода. Углекислый газ образует нестойкое соединение с гемоглобином - карбогемоглобин, диссоциация которого происходит в легких.

Рис. 5.

Угарный газ образует стойкое соединение с гемоглобином, диссоциация которого не происходит. И такой гемоглобин уже не может выполнять свою функцию - разносить кислород по организму. В результате этого человек может погибнуть от удушья даже при нормальной работе легких. Поэтому опасно находиться в закрытом, непроветриваемом помещении, в котором работает автомобиль или топится печь.

Дополнительная информация

Очень много людей дышит часто (более 16 раз в минуту), при этом совершая неглубокие дыхательные движения. В результате такого дыхания воздух попадает только в верхние части легких, а в нижних частях происходит застой воздуха. В такой среде происходит интенсивное размножение бактерий и вирусов.

Для самостоятельной проверки правильности дыхания понадобится секундомер. Необходимо будет определить, сколько дыхательных движений человек делает в минуту. При этом необходимо следить за процессом вдоха и вдоха.

Если при дыхании напрягаются мышцы брюшного пресса, это брюшной тип дыхания. Если изменяется объем грудной клетки, это грудной тип дыхания. Если используются оба эти механизма, то у человека смешанный тип дыхания.

Если человек совершает до 14 дыхательных движений в минуту - это отличный результат. Если человек совершает 15 - 18 движений - это хороший результат. А если более 18 движений - это плохой результат.

Список литературы

1. Колесов Д.В., Маш Р.Д., Беляев И.Н. Биология. 8. - М.: Дрофа.

2. Пасечник В.В., Каменский А.А., Швецов Г.Г. / Под ред. Пасечника В.В. Биология. 8. - М.: Дрофа.

3. Драгомилов А.Г., Маш Р.Д. Биология. 8. - М.: Вентана-Граф.

Домашнее задание

1. Колесов Д.В., Маш Р.Д., Беляев И.Н. Биология. 8. - М.: Дрофа. - С. 141, задания и вопрос 1, 3, 4.

2. Какую роль в газообмене имеет парциальное давление?

3. Какое строение имеют легкие?

4. Подготовьте небольшое сообщение, в котором объясните, почему в кровь при вдохе не попадают азот, углекислый газ и другие составляющие воздуха.

Кислород переходит из альвеол в кровь легочных капилляров, а углекислота - в обратном направлении вследствие простого физического процесса диффузии; каждый из этих газов переходит из области более высокой его концентрации в область более низкой концентрации. Чрезвычайно тонкий альвеолярный эпителий не оказывает существенного сопротивления диффузии газов, и, поскольку в альвеолах концентрация кислорода обычно бывает выше, чем в крови, притекающий к легким по легочной артерии кислород диффундирует из альвеол в капилляры. Напротив, концентрация углекислоты в крови легочной артерии в нормальных условиях выше, чем в легочных альвеолах, и поэтому углекислота диффундирует из легочных капилляров в альвеолы. В отличие от клеток, выстилающих кишечник, которые могут всасывать то или иное вещество из просвета кишки и передавать его в кровь, где концентрация его может быть выше, альвеолярный эпителий не способен переносить кислород и углекислоту против градиента концентрации.

Так как клетки альвеол не могут заставить кислород переходить в кровь, когда концентрация его в альвеолах падает ниже определенного уровня, проходящая через легкие кровь в этом случае не может получить достаточное для организма количество кислорода и появляются симптомы «горной болезни» - тошнота, головная боль и галлюцинации. Горная болезнь начинает возникать на высоте около 4500 ж, а у некоторых людей и на меньших высотах. Человеческий организм может приспособиться к жизни на больших высотах путем увеличения числа эритроцитов в крови; однако люди не могут жить значительно выше 6000 м без дополнительного источника кислорода. На высоте примерно 11 км давление настолько низко, что даже при дыхании чистым кислородом человек не может удовлетворить свою потребность в этом газе. Поэтому самолеты, летающие на таких высотах, должны быть герметичными, и приходится снабжать их насосами для поддержания в кабине давления воздуха, равного давлению на уровне моря, т. е. 760 мм рт. ст.

В тканях всего тела, где происходит внутреннее дыхание, кислород переходит из капилляров в клетки, а углекислота - из клеток в капилляры путем диффузии. Вследствие непрерывного расщепления глюкозы и других веществ в клетках все время образуется углекислота и используется кислород. Поэтому концентрация кислорода в клетках всегда ниже, а концентрация углекислоты - выше, чем в капиллярах.

На всем своем пути от легких через кровь к тканям кислород движется из области с более высокой его концентрацией в область более низкой концентрации и, наконец, используется в клетках; углекислота движется из клеток, где она образуется, через кровь к легким и далее наружу - всегда по направлению к области с более низкой концентрацией.

Напряжение углекислого газа в венозной крови, притекающей к легким, выше, а напряжение кислорода ниже, чем их давление в альвеолярном воздухе. Поэтому при протекании по капиллярам легких кровь отдает углекислый газ и поглощает кислород. Обмену газов между кровью и альвеолярным воздухом способствует огромное количество альвеол, достигающее у человека 750 млн., и большая их поверхность, составляющая на вдохе 100 м2, а на выдохе - 30 м2. Мембрана, отделяющая кровь от альвеолярного воздуха, имеет толщину всего лишь 0,004 мм и состоит из двух слоев клеток - клеток эндотелия капилляров и клеток эпителия альвеол, свободно пропускающих газы.

Газообмен в легких осуществляется в результате диффузии углекислого газа из крови в альвеолярный воздух и кислорода из альвеолярного воздуха в кровь. Диффузия газов происходит в силу разности между парциальным давлением этих газов в альвеолярном воздухе и напряжением их в крови. Доказательства этого получены при измерениях парциального давления кислорода и углекислого газа в альвеолярном воздухе и напряжения этих газов в венозной и артериальной крови.

Для определения напряжения газов в крови применяется микротонометр Крога (рис. 59 ), представляющий собой видоизменение прибора, предложенного К. А. Тимирязевым. Микротонометр включают между центральным и периферическим концом кровеносного сосуда-артерии или вены. Кровь из кровеносного сосуда поступает через трубку А в ампулу микротонометра В, где находится маленький пузырек воздуха, а оттуда через трубку С обратно в кровеносный сосуд (рис. 59 ). Так как объем пузырька воздуха ничтожно мал по сравнению с массой протекающей крови, то для установления газового равновесия между пузырьком воздуха и кровью требуется переход в пузырек столь небольшого количества газов, что их напряжение в крови не изменяется. Пузырек время от времени с помощью поршня D втягивается в капилляр Е, где измеряется его объем. После того как установится динамическое равновесие газов объем пузырька станет постоянным, его извлекают и определяют содержание в нем газов. Парциальные давления газов вычисляются из их процентных соотношений. Так пузырьке воздуха газы находились в равновесии с газами крови, то ясно, что, слив содержание газов в пузырьке, можно тем самым измерить напряжение и в крови. Рис. 59. Микротонометр Крога (объяснения в тексте).

Установлено, что напряжение кислорода в артериальной крови равно 100 мм рт. ст., а углекислого газа - 40 мм; в венозной же крови напряжение кислорода равняется 40 мм, а углекислого газа - 46 мм рт. ст.

Из этих цифр следует, что разность между напряжением газов в венозной крови и их давлением в альвеолярном воздухе составляет для кислорода приблизительно 110-40=70 мм, а для углекислого газа - 46-40 = 6 мм рт. ст.

За короткое время пребывания крови в лёгочных капиллярах напряжение газов в крови почти сравнивается с их парциальным давлением в альвеолярном воздухе. Это видно из того, что напряжение углекислого газа в артериальной крови почти такое же, в альвеолярном воздухе, а напряжение кислорода на 2-10 мм ниже.

Экспериментально установлено, что при разнице напряжений всего в 1 мм рт. ст. у здорового взрослого человека, находящегося в покое, в кровь может поступить 25-60 мл кислорода в минуту. Так как средняя величина потребления кислорода у человека в покое составляет примерно 250-300 мл в минуту, то, следовательно, разность давлений в 70 мм более чем достаточна для того, чтобы обеспечить поступление в кровь необходимого количества кислорода. При такой разности давления кислорода в альвеолярном воздухе и напряжения этого газа в венозной крови может быть обеспечено и значительное увеличение поступления кислорода в кровь, необходимое, например, при физической работе или спортивных упражнениях, когда значительно увеличивается минутный объем крови, выбрасываемой сердцем, и ускоряется ток крови через легкие.

Так как скорость диффузии углекислоты из крови в 25 раз больше, чем кислорода, то и углекислый газ успевает выделиться из крови в необходимых количествах за счет существующей разности между напряжением СО2 в венозной крови и давлением его в альвеолярном воздухе.

. Холден обратил внимание на то, что вентиляция разных участков легких неодинакова. Известно, что наиболее растяжима наружная зона легочной ткани, простирающаяся на 25-30 мм в глубь легкого; менее растяжима промежуточная зона - легочная ткань, охватывающая разветвления бронхов и кровеносных сосудов. Наименее растяжима внутренняя зона, расположенная в области корня легкого, среди крупных бронхов, сосудов и соединительной ткани. В состоянии покоя у человека в акте дыхания учавствует преимущественно наиболее растяжимая наружная зона легочной ткани.