Медицинский словарь
А Б В Г Д Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Э Я

Дыхание

 

Дыхание — совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода, использование его в окислительных процессах и удаление из организма углекислого газа. Первоначально под дыханием понимали 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. Наконец, когда стали известны подробности обменных процессов в клетке, в понятие «дыхание» включили и те сложные реакции, которые обеспечивают потребление кислорода и перевод энергии, полученной при этом, в форму, доступную для биологического использования (см. Обмен веществ и энергии).

Все живое на Земле существует, в конечном итоге, за счет солнечного тепла и энергии, достигающей поверхности нашей планеты. Именно эту энергию используют зеленые растения, строя в процессе фотосинтеза из «вдыхаемого» углекислого газа и «выпиваемой» воды молекулы органических веществ. Вещества эти необходимы для осуществления всех функций растительного организма.

Все животные и человек, приспособились добывать энергию из синтезированных растениями органических веществ. Чтобы использовать энергию Солнца, заключенную в молекулах органических веществ, ее необходимо высвободить, окислив эти вещества. Чаще всего в качестве окислителя используют кислород воздуха, благо он составляет почти четверть объема окружающей атмосферы. Но так было не всегда. Более 600 млн. лет назад, т. е. в докембрийский период, кислорода в атмосфере практически не было. К началу этого периода растения (в основном морские водоросли) сумели «надышать» только 1% нынешнего количества кислорода, остальное приходилось на долю углекислого газа и азота. В каменноугольный и пермский периоды (350—230 млн. лет тому назад) в связи с появлением наземных растений и их бурным развитием в атмосфере резко возрастает количество кислорода, а концентрация углекислого газа падает. Лишь к началу мелового периода (около 100 млн. лет назад) атмосфера приобретает современный состав. На заре биологической эволюции, более 600 млн. лет назад, живые организмы начали извлекать энергию, не пользуясь кислородом 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 пользуются анаэробным дыханием и по сей день, например, дрожжи. В связи с тем, что при анаэробном дыхании более 90% энергии бесполезно уходит вместе с недоокисленными продуктами обмена, подавляющее большинство организмов перешло на извлечение энергии путем окисления органические вещества с помощью кислорода (аэробный тип дыхания). Вместе с тем иногда возможен возврат к старому (анаэробному) способу дыхания. Например, 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. Поэтому на помощь приходит анаэробный механизм, окисляющий глюкозу лишь до молочной кислоты. Одышка после значительных физических нагрузок — это «плата» работавшим мышцам кислородного долга для окисления накопившейся в них молочной кислоты. Анаэробное дыхание характерно и для клеток 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 широкое распространение в живой природе получил опосредованный способ дыхания. Суть его состоит в том, что от специализированного органа газообмена (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 атмосферу.

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.

Газообмен в легких. Дыхательный центр в центральной нервной системе, определяя частоту и глубину дыхательных движений, приспосабливает внешнее дыхание к потребностям организма. Эффективность внешнего дыхания в большой мере зависит от осанки (у сутулых она меньше). Повысить эффективность внешнего дыхания можно с помощью специальных тренировок, например, дыхательной гимнастики или других упражнений. В покое человек вдыхает и выдыхает 6—9 л воздуха в 1 мин., примерно такой же объем крови (около 5 л) проходит за это время по мельчайшим кровеносным сосудам (капиллярам) легких. В альвеолах легких кислород переходит в кровь легочных капилляров, а углекислый газ — в обратном направлении; каждый из этих газов переходит из области более высокой его концентрации в область более низкой. Чрезвычайно тонкий слой стенок альвеол не оказывает существенного сопротивления продвижению газов, а поскольку в альвеолах концентрация кислорода в обычных условиях выше, чем в крови, притекающей к легким по легочным капиллярам (содержание кислорода в альвеолярном воздухе практически одинаково с содержанием кислорода в окружающей атмосфере), то 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 непрерывной «работы» клеток происходит непрерывное потребление ими кислорода и выделение углекислоты. Концентрация кислорода в клетках всегда ниже, чем в притекающей крови, а концентрация углекислоты всегда выше. Таким образом, 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 (употребляется) 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.

Такова общая схема механизма газообмена. В организме дыхание осуществляется с помощью дополнительных механизмов.

Дело в том, что жидкие среды, входящие в состав крови (ее плазмы), обладают крайне низкой растворимостью в них газов. Поэтому для того, чтобы человек (средний вес 70 кг) мог существовать, ему нужно было бы иметь сердце мощнее в 25 раз, легкие — в 20 раз 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 и 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 крови возрастает.

Процесс соединения кислорода с гемоглобином и расщепление образующегося при этом оксигемоглобина регулируется 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 карбо-гемоглобин, и доставляется в легкие. Другая часть углекислого газа (большая) 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%. Увеличение нагрузки сопровождается усилением использования кислорода. Кроме того, ускоряется кровоток.




© 2007-2012 Медицинский словарь Rambler's Top100