Автор: Эта статья о механизме газообмена в легких, она размещена в рубрике «Человеку о человеке», а это значит, что о том, как работают легкие, мы будем говорить в простой и понятной не специалисту форме. Тем самым – продолжим практику доступного повествования о функционировании человеческого организма, которую мы начали в статье про энергообеспечение мышечной деятельности.
Легкие завершают оригинальную конструкцию, именуемую органами внешнего дыхания: нос, носоглотка, гортань, трахея, два бронха и собственно сами легкие. Они, разумеется, самая главная часть этого механизма, ибо здесь совершается то, ради чего конструкция была «задумана» и в результате длительной эволюции создана природой, – газообмен. Здесь кровь отдает углекислый газ и, обогатившись кислородом, направляется в левое предсердие, чтобы начав оттуда путь, донести кислород до каждой клеточки нашего организма.
То есть легкие и сердце работают, если хотите, как бы в одной упряжке. Она, кстати, имеет даже свое название – кардио-респираторная система. Но если сердце при этом постоянно находится под пристальным вниманием (только популярной литературы о нем издано столько, сколько не издано, наверное, обо всех других органах, вместе взятых), то легким в этом плане «не повезло». Они незаметно трудятся, как бы в тени своего уникального партнера, механизм газообмена в легких не достаточно широко освящен в литературе.
Впрочем, никакой несправедливости здесь, возможно, и нет. Просто, если «ломается» сердце, это оборачивается бедой, а то и трагедией для всего организма. «Поломка» же легких – неприятность, но в принципе местного значения.
Прежде всего, легких два. Левое состоит из трех долей, правое – из двух. Как и сердце, легкие заключены и работают в своеобразном двухслойном футляре. Один слой пленки – плевры – примыкает к легким, другой – выстилает внутреннюю стенку грудной клетки. Вступая в ткань легких, бронхи ветвятся, как дерево, на множество воздухоносных путей (бронхиол) – все тоньше и тоньше, пока не заканчиваются, наконец, тончайшими альвеолярными ходами. В свою очередь, ходы эти испещрены пузырьками – альвеолами (альвеола в переводе с итальянского языка это «гроздь винограда»). Стенка этих пузырьков – альвеол состоит всего из двух слоев клеток. Она легко проницаема для газов, чрезвычайно эластична и густо оплетена капиллярами, на которые «распадается» в конце концов, легочная артерия.
О газообмене
Если механизм газообмена в легких не нарушен болезнями, травмами или инфекциями, то количество альвеол в них превышает триста миллионов штук. Поверхность альвеол поистине огромна – до ста (а при энергичной физической работе и более) квадратных метров. Вот эта-то поверхность, омываемая с одной стороны вдыхаемым (точнее — альвеолярным) воздухом, богатым кислородом, а с другой – венозной кровью, насыщенной углекислым газом, эта поверхность и есть полигон, где совершается газообмен.
Кстати, долгое время считалось, что газообмен – единственная и сугубо локальная функция легких. Однако исследования механизма газообмена в значительной степени изменили эти представления. То есть легкие отнюдь не мешок-склад для вдыхаемого воздуха. Это и биологическая лаборатория, где происходит его подогрев, очистка, удаление различных посторонних, попавших при вдохе, взвешенных частиц, вредных примесей. Здесь же производится вещества, которые играют важную роль в жизнедеятельности сосудов, во многих других процессах. Например, в стенках альвеол расположены клетки, вырабатывающие сурфактант – специальное вещество, которое выстилает внутреннюю поверхность мелких бронхиол и пузырьков альвеол. Это вещество не позволяет пузырькам склеиться при выдохе и способствует их раздуванию при вдохе. Кроме того, сурфактант препятствует проникновению жидкости в просвет бронхиол.
Впрочем, поговорим о чисто механических, функциональных показателях работы легких: вместимость (объем), мощность вдоха и выдоха, их частота, а в результате – количество воздуха, которое проходит через легкие в единицу времени.
Все, наверное, бывая в кабинете функциональной диагностики, измеряли спирометрию: после глубокого вдоха изо всех сил старались выдохнуть воздух в спирометр, наблюдая, на какой отметке остановится цилиндр. 3,5 – 4 литра – обычная норма для мужчин, 2,5 – 3 литра – для женщин. У людей, которые активно занимаются спортом, этот показатель бывает значительно выше. Его называют жизненной емкостью легких и в целом по нему судят о функциональных возможностях этого органа.
Но вот, что интересно: сколь бы ни напрягались вы, пытаясь до конца выдохнуть воздух, освободиться от него полностью никогда не удастся. Легкие постоянно пребывают в эдаком воздушном состоянии. Обеспечивает его специальное биологически активное вещество сложной структуры – тот самый сурфактант о котором мы говорили выше. Именно поэтому в легких всегда, даже при самом глубоком выдохе, остается до литра воздуха.
Ну а каков же объем нормального вдоха в покое? В конце концов, ведь, наверное, именно эта величина жизненно важна. Она известна – 0,3 – 0,5 литра при 15 – 17 вдохах – выдохах в минуту. Нетрудно, таким образом, подсчитать, что за минуту легкие перекачивают в покое 7 – 8 литров воздуха.
И давайте еще раз изумимся фантастическим резервным возможностям легких: при энергичной физической работе вентиляция легких увеличивается в десятки раз. Из-за увеличения потребностей мышц в кислороде дыхание учащается и становится более глубоким. К примеру, во время быстрого бега или плавания легкие работают как мощный насос – объем воздуха, проходящего через них, достигает 100 – 150 литров. Понятно, что у людей понимающих важность физической активности организм способен получать существенно большее количество кислорода. То есть механизм газообмена в легких обеспечивает им бо́льшие возможности для своевременного снабжения всех органов.
Но почему же, спросите вы, если резервы легких столь велики, организм в целом ряде случаев при интенсивной работе, и особенно при спортивной деятельности, испытывает недостаток в кислороде? Причин может быть несколько, но главная – ограниченные резервы партнера – сердца. Скажем, число сокращений 190 -210 в минуту – это уже почти предел.
Диффузия и парциальное давление газов
Однако посмотрим, как выглядит сам механизм газообмена в легких. Многие, наверное, знают, что такое парциальное давление газа. Это давление газа в смеси газов. Давление каждого конкретного газа определяется его физико-химическими свойствами. А общее давление газовой смеси определяется суммой парциальных давлений всех входящих в ее состав газов. Так вот, парциальное давление кислорода в венозной крови, которая поступает к легким по легочной артерии, ниже (кислород ведь был отдан тканям), нежели в альвеолярном воздухе. С другой стороны, парциальное давление в альвеолах углекислого газа несколько ниже, чем в венозной крови.
В итоге через стенки альвеол происходит диффузия – взаимное проникновение молекул кислорода и углекислого газа между молекулами друг друга, приводящее к выравниванию их концентраций в крови и воздухе. Кислород из альвеолярного воздуха поступает в кровь, углекислый же газ, наоборот, переходит в альвеолярный воздух и затем выдыхается.
Понять, как работают легкие можно по картинкам, на которых сильно упрощенно показан механизм газообмена:
Смысл в том, что из-за разности парциального давления кислорода происходит его проникновение из воздуха сквозь проницаемые для него альвеолярные стенки в кровь. Для углекислого газа этот процесс идет в противоположном направлении — из крови через альвеолярные стенки внутрь альвеол и затем через бронхиолы, бронхи, трахею, рот или нос — наружу.
Не вдаваясь в подробности транспортировки кислорода к тканям, отметим, что основным элементом здесь является гемоглобин эритроцитов. После передачи кислорода тканям, он принимает углекислый газ, образовавшийся во время обмена веществ, и доставляет его в легкие, этот поистине чудесный автомат, который тонко и точно реагирует на запросы организма в кислороде. Его требуется много – вентиляция легких увеличивается, дыхание автоматически учащается. Запрос снижается – дыхание переводится в более спокойный режим. Практически, тренируя сердечно – сосудистую систему, мы тренируем и легкие.
Причем любопытна здесь роль углекислого газа. Именно его концентрация в крови раздражает дыхательный центр, расположенный в продолговатом мозгу. Чем выше концентрация, тем интенсивнее работают легкие, чаще дыхание.
Впрочем, в некоторых случаях избыток углекислоты может быть полезен для организма. Скажем, известно ее сосудорасширяющее свойство. К примеру, острая, вызванная спазмом сосудов, боль в сердце нередко сопровождается автоматической задержкой дыхания, а стало быть, и увеличением концентрации углекислоты. Можно предположить, что кратковременный ее избыток способствует в определенных случаях сосудорасширяющему эффекту.
Надеемся, что вам стало понятнее как работают легкие, как устроен в них механизм газообмена. В принципе же вопрос о том, как правильно дышать при выполнении тех или иных упражнений в спорте, волнует очень многих. Если речь идет о поклонниках неторопливых пробежек, лыжных прогулок, то есть, как мы говорим, обычных физкультурников, И. Мухараямов, профессор, доктор медицинских наук, полагает, что сосредотачивать особое внимание на дыхании не следует. В таких случаях сердце, сосуды и легкие трудятся в удивительном согласии, при котором легочная вентиляция строго соответствует кровотоку, и нам остается лишь еще раз воздать должное этому чудесному автомату – легким, мудро исполненному природой.
Механизм газообмена описан в этом видео:
