Механізм газообміну між повітрям та тканинами організму
Під час дихання майже 30% повітря, що вдихується, знаходиться у дихальних шляхах, а 70% заповнює об'єм альвеол. Саме ця частина повітря забезпечує вентиляцію альвеол, його відношення до вдихуваного повітря називається коефіцієнтом легеневої вентиляції. Атмосферне повітря — це суміш азоту (до 78%), кисню (до 21%), вуглекислого газу (до 0,03%), водяного пару та незначної домішки інших газів.
Частина атмосферного тиску, яка залежить від кількості окремого газу, називається його парціальним тиском. Наприклад, атмосферний тиск становить 760 мм рт.ст., а доля кисню — 21% від повітря, тобто цей газ створює 21% загального атмосферного тиску, а саме: 160 мм рт.ст. Відповідно вуглекислий газ створює парціальний тиск 0,23 мм рт.ст. Однак в альвеолах не відбувається повної заміни повітря атмосферним, тому реальний рівень газів в альвеолярному повітрі характеризується такими значеннями — 102-104 мм рт.ст. для кисню та 40 мм рт.ст. для вуглекислого газу.
Концентрація газів у рідинах характеризується терміном напруження газів. Він означає, з якою силою розчинений газ намагається залишити рідину.
Газообмін кисню та вуглекислого газу між альвеолярним повітрям та кров'ю легеневих капілярів забезпечується шляхом простої дифузії, зумовленої різними їхніми парціальними тисками (напруженням) по обидва боки стінок альвеол.
У звичайних умовах парціальний тиск кисню в альвеолах завжди більший, ніж його напруження у венозній крові (40 мм рт.ст.), а парціальний тиск вуглекислого газу навпаки менший, ніж його напруження (46 мм рт.ст.).
Таким чином, різниця концентрації кисню по обидва боки альвеол перевищує 60 мм рт.ст., тому він переміщується у кров. Вуглекислий газ виходить назовні теж швидко, тому що незначна різниця його концентрації компенсується кращою розчинністю у воді. Крім того, на насиченості крові газами позначається те, що вони у ній переважно перебувають у хімічно зв'язаному стані, це сприяє постійній дифузії.
Кисень, що надійшов у плазму крові з альвеол, переміщується до еритроцитів, у яких з'єднується з гемоглобіном у сполуку — оксигемоглобін (1 г гемоглобіну приєднує 1,34 мл кисню). Киснева ємність крові — це максимальна кількість кисню, яка може бути зв'язана 100 мл крові за умови, що весь гемоглобін перетворився на оксигемоглобін. Фіксація кисню та розпад оксигемоглобіну залежить не лише від напруження газу, але і від інших факторів, які позначаються на цій реакції, зокрема температури, наявності кислих речовин та вуглекислого газу.
Підвищення температури у працюючих органах та тканинах, збільшення концентрації вуглекислого газу та органічних кислот сприяють розпаду оксигемоглобіну, вивільненню кисню та переходу його до клітин. А протилежні умови навпаки забезпечують утворення оксигемоглобіну, наприклад, у легенях.
Переміщення вуглекислого газу переважно відбувається у вигляді гідрокарбонатів натрію та калію, значно меншою мірою у формі газу та сполуки з гемоглобіном — карбгемоглобіну. Утворення та розпад гідрокарбонатів залежить від активності карбоангідрази (ферменту еритроцитів, який каталізує синтез та розпад вугільної кислоти), а також концентрації вуглекислого газу та наявності кислот, сильніших за вугільну.
Кожна тканина у стані відносного спокою споживає різну кількість кисню. Наприклад, кожну хвилину 1 кг печінки необхідно 27 мл кисню, підшлункової залози — 40 мл, селезінки — 50 мл, а якщо надходить менше цієї кількості, виникає стан гіпоксії (від hypo — знизу, oxygenium — кисень). У таких умовах клітини не одержують достатньо енергії для виконання своїх функцій, що проявляється порушенням стану всього організму. Найбільш виразні зміни спостерігаються при гіпоксії нервової системи, тому що виникає розлад нейрогуморальної регуляції роботи всіх систем. Перше, що виникає — це втрата свідомості через гальмування нервових процесів у корі великих півкуль, яка найбільш залежить від споживання кисню.
Максимальне споживання кисню (МСК) є показником аеробної продуктивності роботи організму. Аеробна продуктивність — це здатність людини виконувати дуже важку роботу, забезпечуючи свої енергетичні витрати споживанням кисню безпосередньо під час навантаження. Величина МСК залежить від функціональних можливостей дихальної, серцево-судинної систем та крові. У спортсменів під час змагань МСК мусить забезпечуватись на рівні 6-6,5 л/хв, що потребує легеневої вентиляції на рівні 150 л/хв, кисневої ємності — 22-25 мл кисню на 100 мл крові, хвилинного об'єму крові — 33-35 л.
Регуляція дихання
Частота та глибина дихання залежить від потреб організму і регулюється нервовими та гуморальними механізмами.
Основна частина дихального центру знаходиться у довгастому мозку, але в інших частинах мозку також є структури, які впливають на дихання.
Під час вдиху альвеоли легень розширюються, що зумовлює розтягування рецепторів, які знаходяться в їхніх стінках. Імпульси від рецепторів надходять до довгастого мозку, що гальмує вдих і викликає видих. Таким чином, пневмотаксичний центр забезпечує почергово вдих та видих, а пошкодження клітин центру зумовлює припинення дихання. На стані центру позначаються сигнали, які надходять з інших нервових центрів. Так, подразнення слизової оболонки трахеї та бронхів, особливо з ділянки біфуркації, викликає рефлекс кашлю.
Кірка великих півкуль забезпечує можливість довільної зміни роботи дихальної системи. Зв'язок між кіркою та дихальним центром підтверджується створенням умовних рефлексів на основі дихання, а також його зміною під впливом гіпнозу, під час емоцій.
Особливу роль серед гуморальних речовин, які впливають на дихання, відіграє вуглекислий газ. Ця речовина подразнює клітини дихального центру, змушує їх надсилати більше імпульсів до дихальних м'язів, тому дихання частішає та стає більш глибоким, легенева вентиляція зростає. Крім вуглекислого газу, збуджуються хеморецептори судин через накопичення у крові органічних кислот, переважно молочної. Ці кислі речовини стимулюють дихання доти, доки їхня концентрація знизиться до нормальних значень.