ДИФФУЗИОННАЯ ПОСОБНОСТЬ ЛЕГИХ

Газообмен в легких, который называется диффузией, выполняет главные функции:

1. восполняет запасы кислорода в крови, истощающиеся на тканевом уровне, при его использовании для образования энергии путем окисления;

2. выводи диоксид углерода из венозной крови.

Газообмен между воздухом в альвеолах и кровью в легочных капиллярах осуществляется через легочную мембрану (альвеолярно-капиллярную). Эта мембрана состоит их альвеолярной стенки, капиллярной стенки и их базальных мембран. Респираторная мембрана очень тонкая – 0, 5 – 4 мкм. Вследствие этого приблизительно 300 млн альвеол находятся в непосредственной близости от циркулирующей по капиллярам крови. Тем не менее эта мембрана является значительным препятствием для осуществления газообмена.

Движущая сила, обеспечивающая газообмен в альвеолах, - это разность парциальных давлений кислорода и диокиси углерода в альвеолярной смеси газов.

Парциальное давление газов- это часть общего давления газовой смеси, приходящаяся на долю данного газа. Если общее атмосферное давление составляет 760 мм рт.ст., то парциальное давление азота (Р_N2) в воздухе будет 600, 7 мм рт.ст. (79, 04% от 760), парциальное давление кислорода (Ро₂) составляет 159, 0 мм рт.ст. (20, 93%), а диокиси углерода (Рсо₂) – 0, 3 мм рт.ст.(0, 03%). Газы в организме растворены в жидкостях, например, в плазме крови. Газы растворяются в жидкостях пропорционально своему парциальному давлению, а также в зависимости от способности растворяться в определенных жидкостях и от температуры. Способность газов растворяться в крови является постоянной, температура крови тоже относительно постоянна. Следовательно, наиболее критический фактор газообмена между альвеолами и кровью – градиент парциального давления газов в них.

Различие парциальных давлений газов в альвеолах и в крови создает градиент давления через легочную мембрану. Если бы давление кислорода и углекислого газа по обе стороны мембраны было одинаковым, газы находились бы в состоянии равновесия и вряд ли двигались бы.

Обмен кислорода.

Ро₂ воздуха при стандартном атмосферном давлении равно 159 мм рт.ст.. однако во время вдоха в альвеолах оно снижается до 100-105 мм рт.ст.. Кровь, лишенная большей части кислорода, поступает в легочные капилляры с Ро₂ порядка 40-45 мм рт.ст., таким образом, градиент давления кислорода через мембрану составляет 55-65 мм рт.ст.. на артериальном конце капилляра в момент начала газообмена Ро₂ в крови составляет всего 40 мм рт.ст., однако по мере продвижения крови по капилляру газообмен протекает более интенсивно. К моменту достижения венозного конца капилляра парциальное давление кислорода в крови соответствует давлению в альвеоле. Следовательно, кровь, покидающая легкие через легочные вены, возвращается в сердце с достаточным количеством кислорода, который может быть использован тканями.

Обмен диокиси углерода, как и обмен кислорода, зависит от градиента давления. Рсо₂ в крови, проходящей по альвеолам, составляет около 45 мм рт.ст. в альвеолах оно составляет около 40 мм рт.ст.. Немотря на относительно небольшой градиент давления (около 5 мм рт.ст), он более чем достаточен. Растворимость диоксида углерода в легочной мембране в 20 раз больше, чем растворимость кислорода, поэтому СО₂ диффундирует через нее намного быстрее.

 

 

ТРАНСПОРТ ГАЗОВ КРОВЬЮ

Практически весь 0₂ (более 98%) переносится кровью в виде химического соединения с гемоглобином. В виде физического растворения транспортируется менее 2%. Однако эта фаза весьма важна, так как 0₂ из капилляров к тканям и 0₂ из альвеол в кровь и в эритроциты проходит через плазму крови в виде физически растворенного газа.

Свойства гемоглобина и его соединения. Этот красный кровяной пигмент, содержащийся в эритроцитах как переносчик 0₂, обладает замечательным свойством присоединять 0₂, когда кровь находится в легком, и отдавать 0₂, когда кровь проходит по капиллярам всех органов и тканей организма. Одна молекула гемоглобина связывает четыре молекулы 0₂. Содержание гемогло­бина в крови у мужчин 130-160 г/л, у женщин 120-140 г/л. Ко­личество 0₂, которое может быть связано в 100 мл крови, у мужчин составляет около 20 мл (20 об%) - кислородная емкость крови, у женщин она на 1-2 об% меньше, так как у них меньше НЬ.

Гем может подвергаться не только оксигенации, но и истинному окислению. При этом железо из двухвалентного превращается в трехвалентное. Окисленный гем носит название гематина (метгема), а вся полипептидная молекула в целом - метгемоглобина. В крови человека в норме метгемоглобин содержится в незначительных количествах, но при отравлениях некоторыми ядами, при действии некоторых лекарств, например, кодеина, фенацетина, его содержание увеличивается. Опасность таких состояний заключается в том, что окисленный гемоглобин очень слабо диссоциирует (не отдает 0₂ тканям) и, естественно, не может присоединять дополнительно молекулы 0₂, то есть он теряет свои свойства пере­носчика кислорода.

Если в воздухе содержится 0, 1% СО, то около 80% гемоглобина переходит в карбоксигемоглобин и выключается из транспорта 0₂. Опасность образования большого количества НЬСО подстерегает пассажиров на автомобильных дорогах. Известно много случаев со смертельным исходом при включении двигателя автомобиля в гараже в холодное время года с целью обогрева. Первая помощь пострадавшему заключается в немедленном прекращении его контакта с угарным газом.

Диссоциация оксигемоглобина происходит в капиллярах, когда кровь от легких приходит к тканям организма. При этом гемоглобин не только отдает О₂ тканям, но и присоединяет образовавшийся в тканях СО₂. главным фактором, обеспечивающим диссоциацию оксигемоглобина, является падение Ро₂, который быстро потребляется тканями.

Транспорт углекислого газа, как и кислорода, осуществляется кровью в виде физического растворения и химической связи. Причем С0₂, как и 0₂, переносится и плазмой, и эритроцитами.

 

РЕГУЛЯЦИЯ ДЫХАНИЯ

Поддержание гомеостатического равновесия Ро₂, Рсо₂, и рН крови зависит от высокого уровня координированных действий респираторной и сердечно-сосудистой систем.

Организм осуществляет тонкое регулирование напряжения 0₂ и С0₂ в крови - их содержание остается относительно постоянным, несмотря на колебания количества доступного кислорода и потребности в нем, которая во время интенсивной мышечной работы может увеличиваться в 20 раз. Частота и глубина дыхания регулируются дыхательным центром, нейроны которого расположены в различных отделах ЦНС; главными из них являются продолговатый мозг и мост. Дыхательный центр по соответствующим нервам ритмично посылает к диафрагме и межреберным мышцам импульсы, которые вызывают дыхательные движения. В основе своей ритм дыхания является непроизвольным, но может изменяться в некоторых пределах высшими центрами головного мозга, что свидетель­ствует о возможности произвольного влияния на нижележащие отделы дыхательного центра.

Однако не только дыхательные центры регулируют дыхание. Их деятельность зависит от изменений химической среды организма. Например, чувствительные участки головного мозга реагируют на изменения уровней СО₂ и Н⁺. Когда их уровни повышаются, в центр вдоха направляются сигналы увеличить интенсивность и глубину дыхания, сто повышает выведение диоксида углерода и Н⁺. Кроме того, хеморецепторы дуги аорты и разветвления сонной артерии, хотя чувствительны прежде всего к изменениям Ро₂ крови, реагируют, также на изменения концентрации Н⁺ и Ро₂. Из многочисленных стимулов, регулирующих дыхание, самым сильным является Рсо₂. Повышенное Рсо₂ стимулирует центр вдоха, увеличивая интенсивность дыхания, но не для того чтобы потребить больше кислорода, а для того, чтобы избавить организм от избытка диоксида углерода и свести к минимуму изменения рН.

Показателями работоспособности органов дыхания являются дыхательный объем, частота дыхания, жизненная емкость легких, легочнаявентиляция, кислородный запрос, потребление кислорода, кислородный долг и др.

Дыхательный объем — количество воздуха, проходящее через легкие при одном дыхательном цикле (вдох, выдох, дыхательная пауза). Величина дыхательного объема находится в прямой зависимости от степени трениро­ванности к физическим нагрузкам и колеблется в состоянии покоя от 350 до 800 мл. В покое у нетренированных людей дыхательный объем находится на уровне 350-500 мл, у тренированных —800 мл и более.

При интенсивной физической работе дыхательный объем может увеличиваться до 2500 мл.

Частота дыхания — количество дыхательных циклов в 1 мин. Средняя частота дыхания у нетренированных людей в покое — 16-20 циклов в 1 мин, у тренированных за счет увеличения дыхательного объема, частота дыхания сни­жается до 8-12 циклов в 1 мин. У женщин частота дыхания на 1-2 цикла больше.

При спортивной деятельности частота дыхания у лыжников и бегунов увеличивается до 20-28 циклов в 1 мин., у пловцов — 36-45; наблюдались случаи увеличения час­тоты дыхания до 75 циклов в 1 мин.

Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) — максимальное количество воздуха, которое может выдохнуть человек после пол­ного вдоха (измеряется методом спирометрии).

Средние величины жизненной емкости легких: у нетренированных мужчин — 3500 мл, у женщин — 3000; у тренированных мужчин — 4700 мл, у женщин — 3500. При занятиях циклическими видами спорта на выносли­вость (гребля, плавание, лыжные гонки и т.п.) жизненная емкость легких может достигать у мужчин 7000 мл и бо­лее, у женщин — 5000 мл и более.

Легочная вентиляция — объем воздуха, который проходит через легкие за 1 мин. Легочная вентиляция определяется путем умножения величины дыхательного объема на частоту дыхания. Легочная вентиляция в покое на­ходится на уровне 5000-9000 мл (5-9 л).

При физической работе этот объем достигает 50 л. Максимальный показатель может достигать 187, 5 л при дыхательном объеме 2, 5 л и частоте дыхания 75 дыхательных циклов в 1 мин.

Кислородный запрос — количество кислорода, необходимое организму для обеспечения процессов жизнедеятельности в различных условиях покоя или работы в 1 мин. В покое в среднем кислородный запрос равен 200-300 мл. При беге на 5 км, например, он увеличивается в 20 раз и становится равным 5000-6000 мл. При беге на 100 м за 12 с, при пересчете на 1 мин кислородный запрос увели­чивается до 7000 мл.

Суммарный, или общий, кислородный запрос — это количество кислорода, необходимое для выполнения всей работы.

В состоянии покоя человек потребляет 250-300 мл кислорода в 1 мин. При мышечной работе эта величина возрастает тем больше, чем работа тяжелее.

Наибольшее количество кислорода, которое организм может потребить в минуту при определенно-интенсивной мышечной работе, называется максимальным потреблением кислорода (МПК). Работа, при которой человек достигает своего МПК, должна длиться не менее 3 мин. МПК зависит от состояния сердечно­сосудистой и дыхательной систем, кислородной емкости крови, активности протекания процессов обмена веществ и других факторов.

Для каждого человека существует индивидуальный предел МПК, выше которого потребление кислорода невозможно. У людей, не занимающихся спортом, МПК равно 2, 0-3, 5 л/мин, у спортсменов-мужчин может достигать 6 л/мин и более, у женщин — 4 л/мин и более.

Величина МПК характеризует функциональное состояние дыхательной и сердечно-сосудистой систем, степень тренированности организма к длительным физическим на­грузкам.

Абсолютная величина МПК зависит также от размеров тела, поэтому для ее более точного определения рассчитывают относительное МПК на 1 кг массы тела.

Для оптимального уровня здоровья необходимо обладать способностью потреблять кислород на 1 кг массы тела: женщинам не менее 42, мужчинам — не менее 50 мл.

МПК является показателем аэробной (кислородной) производительности организма. Аэробная производительность — это способность человека совершать очень тяжелую работу, обеспечивая свои энергетические расходы за счет кислорода, поглощаемого непосредственно во время работы. Установлено, что даже хорошо тренированный человек может работать при потреблении кислорода на уровне 90—95% от своего МПК не более 10—15 мин.

Для повышения аэробной производительности обычно используется работа, вызывающая частоту сердечных сокращений, равную 150—180 в 1 мин.

Когда в клетки тканей поступает меньше кислорода, чем нужно для полного обеспечения потребности в энергии, возникает кислородное голодание, или гипоксия.

Гипоксия наступает по различным причинам. Внешние причины — загрязнение воздуха, подъем на высоту (в горы, полет на самолете) и др. В этих случаях падает парциальное давление кислорода в атмосферном и альвеолярном воздухе и снижается количество кислорода, поступающего в кровь для доставки к тканям. Внутренние причины возникновения гипоксии зависят от состояния дыхательного аппарата и сердечно-сосудистой системы, проницаемости стенок альвеол и капилляров, количества эритроцитов в крови и процентного содержания в них гемоглобина, от степени проницаемости оболочек клеток тканей и их способности усваивать доставляемый кислород.

При интенсивной мышечной работе, как правило, наступает двигательная гипоксия.

Существует точная зависимость между мощностью работы, количеством энергии, которую должны выделить химические вещества, и количеством кислорода, необходимым для восстановления этих веществ. То количество кислорода, которое требуется для осуществления данной работы, называется кислородным запросом.

Различают два вида кислородного запроса: 1 —суммарный кислородный запрос, т. е. количество кислорода, необходимое для совершения всей работы, например для пробегания какой-либо дистанции; 2 — минутный кислородный запрос — количество кислорода, требующееся для выполнения работы в каждую минуту.

При определении кислородного запроса учитывается только тот кислород, который потребляется сверх уровня покоя и, следовательно, идет на выполнение работы. Чем выше мощность работы, тем больше минутный кислородный запрос. Например, бег на 800 м по мощности, т. е. по скорости передвижения, значительно превышает марафонский бег. Минутный кислородный запрос при нем составляет 12—15 л, а при марафонском беге — всего около 3—4л.

Суммарный кислородный запрос тем больше, чем длительнее работа. Так, при беге на 800 м он равен 25—30 л, а на преодоление марафонской дистанции требуется 450—500 л кислорода. При работе большой мощности минутный кислородный запрос может достигать 15—20 л в 1 мин. и более. Однако максимум потребления кислорода за 1 мин. не превышает 6—7 л даже у спортсменов международного класса.

Можно ли выполнять работу, если минутный кислородный запрос превышает МПК? Чтобы ответить на этот вопрос, надо вспомнить, для чего используется кислород при мышечной работе. Выше уже говорилось о том, что он необходим для восстановления богатых энергией химических веществ, обеспечивающих мышечное сокращение. Кислород обычно взаимодействует с глюкозой, и она, окисляясь, освобождает энергию. Но глюкоза может расщепляться и без кислорода, т. е. анаэробным путем, при этом тоже выделяется энергия. Следовательно, работа мышц может быть обеспечена и при недостаточном поступлении кислорода в организм. Однако в этом случае образуются продукты обмена веществ, главным образом кислоты, изменяющие рН внутренней среды организма. При накоплении слишком большого количества этих продуктов человек бывает вынужден прекратить работу. Для ликвидации этих продуктов обмена тоже нужен кислород, ибо они разрушаются путем окисления. Но окисление это может происходить уже после окончания работы, в восстановительном периоде.

Таким образом, часть энергии, необходимой для восстановления веществ, обеспечивающих мышечные сокращения, может быть получена без кислорода. Образующиеся при этом продукты обмена окисляются уже после финиша. То количество кислорода, которое требуется для окисления продуктов обмена, образовавшихся при физической работе, называется кислородным долгом.

Кислородный долг — разница между кислородным запросом и количеством кислорода, которое потребляется во время работы. Например, при беге на 5000 м за 14 мин кислородный запрос равен 7 л/мин, а предел (потолок) МПК у данного спортсмена — 5, 3 л/мин; следова­тельно, в организме каждую минуту возникает кислородный долг, равный 1, 7 л кислорода, т.е. такое количество кислорода, которое необходимо для окисления продуктов обмена веществ, накопившихся при физической работе.

Величина максимально возможного суммарного долга имеет предел (потолок). У нетренированных людей он находится на уровне 4-7 л кислорода, у тренированных — может достигать 20-22 л.

В зависимости от длительности и интенсивности работы на его ликвидацию уходит от нескольких минут до полутора часов.

Физическая тренировка способствует адаптации тканей к гипоксии (недостатку кислорода), повышает способность клеток тела к интенсивной работе при недостатке кислорода, анаэробную производительность организма.

Анаэробной производительностью называют способность человека работать в условиях недостатка кислорода за счет анаэробных источников энергии. Анаэробную производительность можно измерит, определяя величину максимально возможного кислородного долга.

Различают две части кислородного долга. Первая, называемая алактатной, идет на восстановление креатинфосфата. Величина этой части кислородного долга у спортсменов может составлять 2—4 л. Вторая, большая, часть, кислородного долга идет на ликвидацию накопившейся в крови при работе молочной кислоты. Эту долю кислородного долга называют лактатной (лактаты— соли молочной кислоты). Молочная кислота в восстановительном периоде после работы частично окисляется, частично используется для образования гликогена в печени и мышцах.

Высокая анаэробная производительность должна быть у спортсменов, работа которых лежит в пределах субмаксимальной мощности. С увеличением длины дистанции роль анаэробной производительности для достижения высокого спортивного результата снижается.

Выше уже говорилось, что основную долю кислородного долга составляет его лактатная часть, обусловленная накоплением в крови молочной кислоты. Содержание ее может доходить до 300 мг в 100 мл крови (в покое 10—15 мг). Чтобы продолжать работу при наличии в крови такого количества молочной кислоты, организм должен иметь мощные буферные системы. И действительно, у спортсменов, обладающих высокой анаэробной производительностью, мощность буферных систем крови и других тканей повышена. Но все же буферные системы не всегда могут полностью нейтрализовать кислые продукты обмена веществ, поступающие в кровь. Тогда возникает сдвиг рН крови в кислую сторону. Чтобы спортсмен мог выполнять работу большой мощности в условиях резких изменений во внутренней среде, его ткани должны быть приспособлены к работе при недостатке кислорода и низком рН. Такое приспособление тканей служит одним из главных факторов, обеспечивающих высокую анаэробную производительность.

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: