Предположение о симметрии процессов газообмена. Симметричность поглощения и выведения газов

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 14.12.2024

Остановимся сначала на определении скорости звука в газах. Формула для адиабатической скорости звука (лапласова скорость) хорошо оправдывающаяся на опыте, получена в

Предположении адиабатичности процесса распространения. При этом считается, что между участками сжатия и разрежения в волне температура не успевает выравниваться.

В первом приближении значение с не зависит ни от частоты звука, ни от его амплитуды, хотя при определенных условиях такие зависимости имеются; об этом подробно будет идти речь в §§ 3 и 4 этой главы и в гл. 3. Зависимость скорости от температуры для идеальных газов можно найти, используя соотношение откуда где Т — абсолютная температура, R — газовая постоянная, а — молекулярная масса. Для воздуха с возрастает примерно на при увеличении Т на ГС; значение с при нормальном атмосферном давлении и температуре 0 °С составляет . В рамках принятых предположений скорость звука не зависит от давления, поскольку в формулу для сдавление и плотность входят в виде отношения Приведенная выше формула для с получена феноменологически, на основе термодинамического уравнения состояния газа и уравнений гидродинамики; еще раз подчеркнем, что она выведена при условии идеальности среды и при числе Маха . Отметим, что из кинетической теории газов следует, что , т. е. что кинематическая вязкость имеет порядок произведения длины волны свободного пробега молекул I на среднюю скорость их теплового движения . Поскольку скорость звука имеет величину порядка средней скорости движения молекул газа то . Это соотношение представляет собой «акустическую» интерпретацию длины свободного пробега. Естественно, что говорить о распространении звука имеет смысл только при при гидродинамические уравнения не допускают осциллирующего решения и необходимо микроскопическое, а не феноменологическое рассмотрение.

Вычисление с на микроскопическом уровне на основе кинетической теории проводилось многими авторами, с чем подробно можно ознакомиться в [1, 21. В случае одноатомного идеального газа (когда взаимодействием молекул можно пренебречь) еще Лоренц [1] на основе кинетического уравнения Больцмана нашел уравнение для скорости распространения малого возмущения функции распределения в первом приближении, ограничиваясь членами первого порядка по — длина свободного пробега молекул газа и а — расстояние, на котором плотность изменяется заметным образом). При этом для скорости распространения этого возмущения им была получена формула что совпадает с выводами макроскопического рассмотрения.

Даже для одноатомного газа теоретическое нахождение с представляет собой сложную задачу, которая решается лишь приближенно. При нахождении с для двухатомного газа на основе газокинетического рассмотрения следует пользоваться модельным представлением. При решении задач по теоретическому вычислению с нужно, кроме учета теплового движения, сделать определенные предположения о характере столкновений молекул, учесть распределение

скоростей в тепловом движении, нецентральные удары, вращение молекул при соударениях и т. д. Такого рода задачи относятся к молекулярной и статистической физике; по этим вопросам имеется обширная литература [1, 2].

Жидкости занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами, обладая, в отличие от твердых тел, лишь ближним порядком. Теория жидкого состояния не разработана в такой степени, как для газов и твердых тел (кристаллов). По этой причине теоретические расчеты скорости звука в жидкостях, основанные на молекулярных представлениях, оказываются в еще меньшей степени обоснованными, чем для реальных газов. Имеются только эмпирические и полуэмпирические выражения для с в жидкостях, дающие связь между с и такими макроскопическими параметрами, как .

Представляет интерес нахождение с для смесей жидкостей и определение с для растворов. Все эти вопросы достаточно подробно изложены в монографиях по молекулярной акустике [1—3].

Поскольку скорость звука с определяется структурой среды и взаимодействием между молекулами, измерение с дает существенные сведения о равновесной структуре газов или жидкостей. Измерения с представляют собой важный метод определения термодинамических величин — адиабатической и изотермической сжимаемостей (в последнем случае при дополнительном измерении теплоемкости при постоянном объеме ).

Отметим также, что по данным измерений с оказывается возможным судить о составе газовых смесей (ультразвуковые газоанализаторы) и смесей жидкостей, в том числе растворов. При наличии потоков смесей точность измерения с понижается благодаря турбулентному характеру движения. Однако определение флуктуаций скорости звука можно использовать для изучения турбулентного движения, о чем будет, в частности, идти речь в гл. 7.

По мере распространения звуковой волны амплитуда ее уменьшается. Это связано с рядом причин: с убылью плотности энергии волны вследствие увеличения поверхности, занимаемой фронтом волны (сферические, цилиндрические и вообще расходящиеся волны), поглощением энергии волны вследствие диссипативных процессов, вызываемых вязкостью и теплопроводностью среды, рассеянием на неоднородностях. Для плоской бегущей волны убыль ее амплитуды из-за процессов диссипации характеризуется коэффициентом поглощения а, который показывает, на каком расстоянии амплитуда волны (например, звуковое давление ) убывает вераз, т. е.

Относительная убыль амплитуды на единицу расстояния будет

(амплитудный пространственный коэффициент поглощения). Величина а может быть определена также как убыль энергии волны,

распространяющейся со скоростью с за единицу времени:

где Е — плотность энергии волны, поглощаемой за единицу времени, — полная энергия звуковой волны, усредненная за период времени Т; двойка в знаменателе (2.3) появляется из-за квадратичной зависимости энергии от амплитуды.

Для того чтобы определить, от каких параметров среды и волны зависит коэффициент поглощения а, следует учесть все диссипативные процессы, происходящие при распространении звука в среде [4, 5]. При учете вязкости и теплопроводности в волновое уравнение (1.3) должен быть добавлен диссипативный член. Для его нахождения мы должны использовать уравнения гидродинамики вязкой теплопроводящей жидкости. Выпишем эти уравнения для случая распространения звука, когда скорость v есть акустическая скорость и когда квадратичными членами можно пренебречь, т. е. будем рассматривать линейный случай.

Эти уравнения, согласно (1.2.1), (1.2.8) и уравнению состояния , будут

Два последних уравнения можно свести к одному уравнению для , в которое, кроме члена войдет также член, определяемый теплопроводностью к. Воспользуемся тем, что и, принимая во внимание уравнение (1.2) и то, что получим, согласно третьему уравнению системы (2.4), для изменения (приращения) энтропии s соотношение

При подстановке s в четвертое уравнение системы (2.4) появится необходимость вычислить коэффициент Для его вычисления воспользуемся некоторыми термодинамическими соотношениями, справедливыми для идеального газа. Так, используя уравнение состояния для идеального газа можно вычислить (здесь использовано равенство ). С другой стороны, как известно из термодинамики, и так как то Используя эти соотношения, получаем для (четвертое уравнение системы (2.4) с учетом равенства ) выражение

Заметим, что имеется некоторая непоследовательность в наших рассуждениях — занимаясь изучением влияния вязкости и теплопроводности на поглощение звука, мы, тем не менее, пользуемся соотношениями, которые справедливы для идеальной среды. Использование этих соотношений возможно лишь при малом влиянии вязкости и теплопроводности на распространение звука, т. е. когда поглощение звука на расстоянии, равном длине волны К, мало и . В большом числе акустических задач это условие выполняется.

Пользуясь полученным выражением (2.6) и считая по-прежнему, что можно показать, что уравнение Навье — Стокса примет вид

Из уравнений (2.4), (2.7) получим уравнение, которое для потенциала скорости можно записать в виде

Это волновое уравнение описывает распространение волн бесконечно малой амплитуды в среде с диссипацией, но без учета дисперсии; диссипативный коэффициент b считается здесь не зависящим от частоты.

Будем рассматривать случай плоской гармонической волны и искать решение этого уравнения в виде . Подставляя это значение в (2.9), получим для волнового числа k следующее выражение:

Полагая и принимая во внимание, что

приходим к выводу, что величина или мнимая часть волнового числа k, представляет собой коэффициент поглощения волны. Таким образом, получаем для волны, бегущей в положительном направлении х (принимая во внимание (1.7)),

т. е. амплитуда звукового давления для плоской волны убывает с расстоянием х в соответствии с коэффициентом поглощения

Подчеркнем, что коэффициент поглощения пропорционален квадрату частоты звука и диссипативным коэффициентам . Впервые эта формула была получена Стоксом без учета теплопроводности влияние которой затем учел Кирхгоф. Хотя Стокс и понимал роль и значение объемной вязкости тем не менее включение ее в (2.8) впервые было сделано, по-видимому, только Рэлеем [51. Поэтому обычно формулой Стокса — Кирхгофа называют формулу для а без учета

Выражение для а получено нами на основе волнового уравнения (2.9). Это же выражение для а можно получить другим путем, используя уравнение (1.2.12). Для этого следует воспользоваться известными термодинамическими соотношениями — для приращения температуры Т в звуковой волне, распространяющейся в жидкости со скоростью с и имеющей колебательную скорость (здесь — — коэффициент теплового расширения), и выражением для разности теплоемкостей . В случае плоской гармонической волны легко находится, и поскольку то с помощью третьего уравнения (2.4), используя определение коэффициента поглощения (2.3), получаем формулу (2.12) [6].

При взгляде на формулу (2.12) или (2.13) возникает вопрос: как получается, что при распространении плоской звуковой волны, когда, казалось бы, сдвиговые напряжения отсутствуют, проявляется сдвиговая вязкость? Дело здесь заключается в том, что в плоской акустической волне нет чистой деформации всестороннего сжатия. Сжатие происходит только по одной координате, вследствие чего отдельные элементы среды, кроме сжатия, испытывают еще и сдвиги. В результате и получается, что в компоненту тензора вязких напряжений которая определяет а в случае плоской продольной волны, в соответствии с формулой (1.2.4) входит сдвиговая вязкость

Физиология дыхательной системы: газообмен в легких

Вдох начинается с сокращения дыхательных (респираторных) мышц.
При вдохе межреберные мышцы сокращаются и приподнимают ребра, а диафрагма отодвигается в сторону брюшной полости, становится менее выпуклой. Сокращение диафрагмы приводит к увеличению объема грудной полости в вертикальном направле­нии, а сокращение наружных межреберных и межхрящевых мышц — к увеличению объема грудной полости в сагитальном и фронтальном направлениях. В результате этого объем грудной полости увеличивается. Так как давление в грудной полости ни­же атмосферного, то при увеличении ее объема растягиваются и легкие. Давление в них на какой- то момент становится ниже атмосферного, в легкие по дыхательным путям устремляется воздух. При необходимости глубокого дыхания, кроме межреберных мышц и диафрагмы сокращаются, мышцы туловища и плечевого пояса.

Выдох осуществляется пассивно, в результате расслабления ды­хательных мышц; он является следствием прекращения вдоха: межреберные мышцы расслабляются, ребра опускаются, диа­фрагма расслабляется, объем грудной полости и легких умень­шаются. Грудная клетка суживается под влиянием эластической тяги легких и постоянно имеющегося тонуса мышц стенки жи­вота, при этом органы брюшной полости оказывают давление на диафрагму. Вследствие сужения грудной клетки легкие сжима­ются. Давление в легких становится выше атмосферного: воздух выходит из них по дыхательным путям наружу.

Частота дыхания 16- 20 в минуту. Дыхательные движения груд­ной клетки обеспечивают вентиляцию альвеолярного воздуха и поддерживают постоянство его газового состава.
При глубоком вдохе происходит дополнительное сокращение межреберных и брюшных мышц и объем выдыхаемого воздуха возрастает. При глубоком, усиленном дыхании сокращаются не только главные мышцы, но и вспомогательные.

Объемы легочного воздуха

Человек в состоянии покоя вдыхает и выдыхает около 500 мл воздуха — это дыхательный объем. Если после спокойного вдоха сделать усиленный дополнительный вдох, то в легкие поступает еще 1500 мл воздуха — это резервный объем вдоха.

После спокойного выдоха можно при максимальном напряжении дыхательных мышц выдохнуть еще 1500 мл воздуха — это ре­зервный объем выдоха.

В сумме дыхательный объем, резервный объем вдоха, и резерв­ный объем выдоха составляют жизненную емкость легких.

ЖЕЛ = РОвд + ДО + РОвыд.
ЖЕЛ = 1500 + 500 + 1500 = 3500 мл.

ЖЕЛ — максимальный объем воздуха, который можно выдохнуть после глубокого вдоха.

После максимального выдоха в легких остается 1000 — 1500 мл воздуха — это остаточный объем. Его можно удалить не полно­стью только на трупе. В легочной ткани всегда остается воздух, поэтому, опущенный в воду кусочек легкого не тонет.

Функциональная остаточная емкость легких.

ФОЕЛ = РОвыд. + ОО
ФОЕЛ = 1500 + 1000 (1500) = 2500 — 3000 мл.
Емкость вдоха = РОвд. + ДО = 1500 + 500 = 2000 мл.
Объем воздуха, содержащийся в легких на высоте максимально­го вдоха, составляет Общую емкость легких.
ОЕЛ=ЖЕЛ + ОО

Воздух находится не только в альвеолах, но и в воздухоносных путях — полости носа, носоглотки, трахеи, бронхов. Воздух, нахо­дящийся в воздухоносных путях не участвует в газообмене, поэтому просвет воздухоносных путей называется мертвым пространством. Объем анатомического мертвого пространства около 150 мл.

Количественной характеристикой легочной вентиляции является минутный объем дыхания (МОД) — объем воздуха, проходяще­го через легкие за одну минуту. В состоянии покоя МОД равен 6- 9 л. При физической нагрузке его величина резко возрастает и составляет 25- 30 л.

Объем воздуха, который проходит через легкие за определенное время, называют максимальной вентиляцией легких (МВЛ). Этот параметр может достигать у молодого человека 120- 150 л/мин. МВЛ характеризует проходимость дыхательных путей, упругость грудной клетки и растяжимость легких.

Газообмен в легких

Газообмен осуществляется с помощью диффузии: СО₂ выделя­ется из крови в альвеолы, О₂ поступает из альвеол в венозную кровь, пришедшую в легочные капилляры из всех органов и тка­ней организма.

Рисунок 6. Газообмен между альвеолярным воздухом и эритроцитом. Цифрами обозначены величины парциального давления кислорода (PО₂) и углекислого газа (РСО₂) в артериальном и веноз­ном конце капилляра

Процесс диффузии газов через альвеолярно-капиллярную мем­брану зависит от следующих факторов:

1. градиента парциального давления газов по обе стороны мембраны (в альвеолярном воздухе и в легочных капиллярах);
2. толщины альвеолярно-капиллярной мембраны;
3. общей поверхности диффузии в легком (поверхность кон­такта легочных капилляров и альвеол составляет 60- 120 м 2 ).

Парциальное давление кислорода в альвеолах (100 мм рт. ст.) значительно выше, чем напряжение, кислорода в венозной крови, поступающей в капилляры легких. Градиент парциального дав­ления углекислого газа направлен в обратную сторону: 46 мм. рт. ст. в начале легочных капилляров и 40 мм рт. ст. в альвеолах. Эти градиенты давлений являются движущей силой диффузии кислорода и двуокиси углерода, т.е. газообмена в легких.

Согласно закону Фика диффузионный поток прямо пропорцио­нален градиенту концентрации. Коэффициент диффузии для углекислого газа в 20- 25 раз больше, чем кислорода. При прочих равных условиях углекислый газ диффундирует через определенный слой среды в 20- 25 раз быстрее, чем кислород. Поэтому обмен СО₂ в легких происходит достаточно полно, не­смотря на небольшой градиент парциального давления этого га­за.

При прохождении каждого эритроцита через легочные капилля­ры время, в течение которого возможна диффузия (время кон­такта) относительно невелико — около 0,3 сек. Однако, этого времени вполне достаточно для того, чтобы напряжения дыха­тельных газов в крови и их парциальное давление в альвеолах практически сравнялись.

Диффузионную способность легких, как и альвеолярную венти­ляцию, следует рассматривать в отношении к перфузии (крово­снабжению) легких..

Транспорт газов кровью

Транспорт кислорода кровью.

Содержание растворенного газа в жидкости зависит от его пар­циального давления. Содержание в крови кислорода и углеки­слого газа в физически растворенном состоянии относительно невелико, однако это состояние играет существенную роль в жизнедеятельности организма.

Для того, чтобы связаться с теми или иными веществами, дыха­тельные газы сначала должны быть доставлены к ним в физиче­ски растворенном виде. Таким образом, при диффузии в ткани или кровь каждая молекула кислорода или углекислого газа оп­ределенное время пребывает в состоянии физического растворе­ния. Большая часть кислорода переносится кровью в виде хими­ческого соединения с гемоглобином. 1 моль гемоглобина может связать до 4 молей кислорода, a 1 г гемоглобина — 1,39 мл ки­слорода. При анализе газового состава крови получают меньшую величину (1,34 — 1,36 мл О₂ на 1 г Нb). Это обусловлено тем, что небольшая часть гемоглобина находится в неактивном виде. Таким образом, можно считать, что in vitro 1 г. Нb связывает 1,34 мл О₂ — так называемое число Хюффнера.

Исходя из числа Хюффнера и зная содержание гемоглобина, вычислить кислородную емкость крови: 0,20 л кислорода на 1 л крови; Однако, такое содержание кислорода в крови может дос­тигаться лишь в том случае, если кровь контактирует с газовой смесью с высоким содержанием кислорода (р О₂ = 300 мм рт. ст.), поэтому в естественных условиях гемоглобин оксигенируется не полностью.

Реакция, отражающая соединение кислорода с гемоглобином, подчиняется закону действующих масс. Это означает, что отно­шение между количеством гемоглобина и оксигемоглобина зави­сит от содержания физически растворенного кислорода в крови; последнее же пропорционально напряжению кислорода. Про­центное отношение оксигемоглобина к общему содержанию ге­моглобина называется насыщением гемоглобина кислородом.

В соответствии с законом действующих масс насыщение гемо­глобина кислородом зависит от напряжения кислорода. Графиче­ски эту зависимость отражает кривая диссоциации оксигемогло­бина, которая имеет S- образную форму.

Рисунок 7. График диссоциации оксигемоглобина а — при нормальном парциальном давлении СО₂ б — влияние изменений парциального давления СО₂ в — влияние изменений pH; г — влияние изменений температуры.

Наиболее простым показателем, характеризующим расположение этой кривой служит так называемое напряжение полунасыщения рО₂ т.е. такое напряжение кислорода, при котором насы­щение гемоглобина кислородом составляет 50%. В норме рО₂ артериальной крови составляет около 26 мм рт. ст.

Конфигурация кривой диссоциации оксигемоглобина имеет важ­ное значение для переноса кислорода кровью. В процессе по­глощения кислорода в легких напряжение О₂ в крови приближа­ется к парциальному давлению этого газа в альвеолах. У моло­дых людей рО₂ артериальной крови составляет около 95 мм рт. ст. При таком напряжении насыщение гемоглобина кислородом равно примерно 97%. С возрастом и в ещё большей степени при заболеваниях легких напряжение кислорода в артериальной кро­ви может значительно снижаться, однако, поскольку кривая дис­социации оксигемоглобина в правой части почти горизонтальна, насыщение крови кислородом уменьшается ненамного. Даже при падении напряжения кислорода в артериальной крови до 60 мм рт. ст., насыщение гемоглобина кислородом равно 90 %. Таким образом, благодаря тому, что области высоких напряжений ки­слорода соответствует горизонтальный участок кривой диссо­циации оксигемоглобина, насыщение артериальной крови кисло­родом сохраняется на высоком уровне даже существенных сдви­гах рО₂.

Крутой наклон среднего участка кривой диссоциации оксигемог­лобина свидетельствует о благоприятной ситуации для отдачи кислорода тканям. В состоянии покоя рО₂ в области венозного конца капилляра равно приблизительно 40 мм рт. ст., что соот­ветствует примерно 73% насыщения. Если в результате увеличе­ния потребления кислорода его напряжение в венозной крови падает лишь на 5 мм рт. ст., то насыщение гемоглобина кислоро­дом снижается на 7%; высвобождающийся при этом кислород может быть сразу же использован для процессов метаболизма.

Конфигурация кривой диссоциации оксигемоглобина обуслов­лена главным образом химическими свойствами гемоглобина; а также влиянием температуры, pH, напряжения углекислого газа. Как правило, эти факторы смещают кривую, увеличивая иди уменьшая ее наклон, но не изменяя при этом ее S — образную форму.

Если сродство гемоглобина к кислороду повышается, то процесс идет в сторону образования оксигемоглобина и график диссо­циации смещается влево. При снижении сродства гемоглобина к кислороду процесс идет больше в сторону диссоциации оксигемоглобина, при этом график диссоциации смещается вправо. Равновесие реакции оксигенации гемоглобина зависит от тем­пературы. При понижении температуры наклон кривой диссо­циации оксигемоглобина увеличивается, а при ее повышении — снижается. У теплокровных животных этот эффект проявляется только яри гипотермии или лихорадочном состоянии.

Форма кривой диссоциации оксигемоглобина в значительной степени зависит от содержания в крови ионов Н+. При сниже­нии pH (при закислении крови) сродство гемоглобина к кисло­роду уменьшается и кривая диссоциации оксигемоглобина уп­лощается. Влияние pH на расположение кривой диссоциации оксигемоглобина называется эффектом Бора.

Величина pH крови тесно связана с напряжением в ней СО₂ (напряжение углекислого газа) — чем рСО₂ выше, тем ниже pH. Увеличение напряжения в крови СО₂ сопровождается снижени­ем сродства гемоглобина к кислорода и уплощением кривой дис­социации оксигемоглобина. Эту зависимость также называют эффектом Бора, хотя при подробном количественном анализе было показано, что влияние углекислого газа на форму кривой нельзя объяснить только изменением pH. Очевидно, сам угле­кислый газ оказывает на диссоциацию оксигемоглобина «специ­фический эффект».

При ряде патологических состояний наблюдаются изменения процессов транспорта кислорода кровью. При некоторых видах анемий происходит сдвиг кривой вправо, реже влево. Известно, что на форму и расположение кривой оказывают выраженное влияние некоторые фосфорорганические соединения, содержание которых в эритроцитах при патологии может изменяться. Ос­новным соединением является 2,3-дифосфоглицерат (2,3- ДФГ). Сродство гемоглобина к кислороду зависит от содержа­ния в эритроцитах катионов. При патологических сдвигах pH также отмечаются соответствующие изменения: при алкалозе поглощение кислорода в легких в результате эффекта Бора уве­личивается, но отдача его тканям затрудняется; при ацидозе на­блюдается обратная картина. Значительный сдвиг кривой влево имеет место при отравлении угарным газом.

Транспорт углекислого газа кровью.

Двуокись углерода — конечный продукт окислительных обмен­ных процессов в клетках — переносится с кровью к легким и удаляется через них во внешнюю среду. Так же как и кислород, СО₂ может переноситься как в физически растворенном виде, так и в состоянии химических соединений.

Химические реакции связывания углекислого газа несколько сложнее, чем реакции присоединения кислорода. Это обусловле­но тем, что механизмы, отвечающие за транспорт СО₂, должны одновременно обеспечивать поддержание постоянства кислород­но-основного равновесия крови и тем самым внутренней среды организма в целом.

Напряжение СО₂ в артериальной крови, поступающей в ткане­вые капилляры составляет 40 мм рт. ст. В клетках же, располо­женных около этих капилляров. Напряжение углекислого газа значительно выше, так как это вещество постоянно образуется в результате метаболизма. В связи с этим физически растворен­ный углекислый газ переносится по градиенту напряжения из тканей в капилляры. Здесь его некоторое количество остается в состоянии физического растворения. Но большая часть СО₂ претерпевает, ряд химических превращений. Прежде всего, происхо­дит гидратация молекул углекислого газа с образованием уголь­ной кислоты.

В плазме крови эта реакция протекает очень медленно; в эрит­роците же она ускоряется примерно в 10000 раз, что связано с действием фермента карбоангидразы. Поскольку этот фермент присутствует только в клетках, практически все молекулы СО₂, участвующие в реакции гидратации, должны сначала поступить в эритроциты. Следующая реакция в цепи химических превращений СО₂ за­ключается в диссоциации слабой кислоты Н₂СО₂ на ионы би­карбоната и водорода.

Накопление НСО₃ — в эритроците приводит к тому, что между его внутренней средой и плазмой крови создается диффузионный градиент. Ионы НСО₃ — могут передвигаться по этому градиенту лишь в том случае, если при этом не будет нарушаться равновесное распределение электрических зарядов. В связи с этим одновременно с выходом каждого иона НСО₃ — должен происходить либо выход из эритроцита одного катиона, либо вход одного аниона.

Поскольку мембрана эритроцита практически непроницаема для катионов, но сравнительно легко пропускает небольшие анионы, взамен НСО₃ — в эритроцит поступают ионы хлора. Этот обменный процесс называется хлоридным сдвигом.
Углекислый газ может связываться также путем непосредствен­ного присоединения к аминогруппам белкового компонента ге­моглобина. При этом образуется так называемая карбаминовая связь. Гемоглобин, связанный с СО₂, называется карбогемоглобином.

Рисунок 8. Схема процессов, происходящих в эритроцитах при поглощении или отдаче кровью кислорода и углекислого газа.

Содержание углекислого газа, находящегося в крови в виде хи­мических соединений, непосредственно зависит от его напряже­ния. В свою очередь, величина рСО₂ определяется скоростью образования СО₂ в тканях и его выделения легкими. Зависи­мость содержания СО₂ от его напряжения описывается кривой, аналогичной кривой диссоциации оксигемоглобина.

В легких происходит диссоциация соединений углекислого газа и выделение из организма углекислого газа. Начинается выход в альвеолы физически растворенного СО₂ из плазмы крови, вследствие наличия градиента парциального давления РСО₂ между альвеолами (40 мм.рт.ст.) и венозной кровью (46 мм.рт.ст.). Это ведет к уменьшению напряжения РСО₂ в крови. Присоединение кислорода к гемоглобину ведет к уменьшению сродства углекислого газа к гемоглобину и расщепления карбогемогдобина.

Зависимость содержания СО₂ от степени оксигенации гемогло­бина называется эффектом Холдейна. Данный эффект частично обусловлен различной способностью оксигемоглобина и дезоксигемоглобина к образованию карбаминовой связи.

Газообмен а тканях

Газообмен в тканях так же, как и газообмен в легких зависит, от следующих факторов:
1. градиента напряжения газов между кровью и клетками
2. состояния мембран;
3. площади диффузии;
4. коэффициента диффузии.

В легких кровь из венозной превращается в артериальную:
— богатую кислородом
— бедную углекислым газом.

Артериальная кровь направляется к тканям, где в результате постоянно протекающих окислительных процессов потребляется кислород и образуется углекислый газ. В тканях напряжение кислорода близко к 0, а напряжение углекислого газа = 60 мм рт. ст.

Вследствие разности давления углекислый газ из ткани диффун­дирует в кровь, а кислород — в ткани. Кровь становится веноз­ной, по венам поступает в легкие, где повторяется цикл обмена газов.

Наркотическое действие инертных (редких) газов. Эффекты воздействия гелия и неона на человека

Наркотическое действие, оказываемое сжатым воздухом при вдыхании, не является уникальным явлением. Инертные, или так называемые редкие, газы вызывают аналогичные субъективные и объективные признаки проявления наркоза, но при этом их выраженность варьирует. Было сделано множество попыток для корреляции наркотической способности гелия, неона, аргона, криптона и ксенона и такими их характеристиками как растворимость в липидах, коэффициенты перехода молекулярная масса, коэффициенты адсорбции, термодинамическая активность и образование клатратов.
Однако наиболее удовлетворительная корреляция существует в отношении растворимости этих газов в липидах.

Как установлено в многочисленных исследованиях ксенон является хорошим наркотиком при атмосферном давлении криптон вызывает головокружение, а аргон в 2 раза сильнее по наркотическому действию, чем азот.

Гелий. Гелий не оказывает наркотического действия и поэтому его широко применяют для глубоководных погружений и экспериментов с использованием метода насыщения организма нейтральным газом. Однако использование этого газа связано с некоторыми затруднениями. Его вдыхание вызывает искажение голоса, он обладает высокой теплопроводностью, что требует применения обогрева водолазных костюмов и дыхательной смеси, а кроме того, его сложно хранить и он очень дорого стоит.

Если бы гелий обладал наркотическим свойством, то, основываясь на растворимости его в жирах, можно сделать вывод, что субъективные и объективные признаки действия наркоза на глубине 408 м были бы сходными или тяжелее, чем в условиях сжатого воздуха на глубине 91 м. Однако вследствие антагонизма между слабым наркотическим влиянием гелия и повышенным гидростатическим давлением (так называемый обратный эффект давления) гелий не оказывает наркотического действия, что справедливо и в отношении неона.

Неон. Неон по свойствам альтернативен гелию, но его более высокая плотность вызывает респираторные нарушения при значительно меньших величинах давления. На основании экспериментов на животных Marshall в 1951 г. предположил, что неон, очевидно, обладает наркотической активностью, по крайней мере в 3 раза меньшей, чем азот. Как установлено в последние годы, это предположение хорошо согласуется с зависимостью наркотических свойств указанных газов от их растворимости в жирах.

Schreiner и сотрудники в 1970—1971 гг. провели первое параметрическое сравнение влияния неона, азота и гелия на работоспособность организма и на такой нейрофизиологический показатель, как слуховой вызванный потенциал, при погружениях на 61, 91 и 122 м (при 10% содержании кислорода во вдыхаемой смеси) и на 152 и 183 м (при 7% содержании кислорода). Результаты этих исследований вновь подтвердили отсутствие наркотических свойств у гелия и неона.

Процесс газообмена в легких и тканях: состав воздуха, диффузия газов, особенности газообмена

Состав поступающего и выходящего из дыхательных путей воздуха не меняется. Во вдыхаемом воздухе кислород составляет около 21%, углекислый газ — 0,03%. В выдыхаемом воздухе эти показатели уже другие: 16-17% кислорода и 4% углекислого газа.

В альвеолярном воздухе процент содержания кислорода достигает 14,4%, а углекислого газа — 5,6%. Во время выдоха происходит смешивание воздуха мертвого пространства и содержимого ацинусов.

Важно, что объем атмосферного азота, который вдыхается и выдыхается, остается неизменным.

При выдохе происходит вывод паров воды из организма.

При длительном вдыхании воздуха, содержащего значительную концентрацию кислорода, для организма могут наступить пагубные последствия. Тем не менее ингаляция 100-процентным кислородом — лечебное мероприятие при некоторых заболеваниях.

Диффузия газов

Разграничительная черта между кровью и воздухом альвеол называется легочной мембраной или аэрогематическим барьером.

Как происходит газообмен в легких?

Газообмен в легких осуществляется за счет:

• диффузии кислорода из альвеол в кровь;
• диффузии углекислого газа из крови в альвеолы.

Газы переходят через аэрогематический барьер за счет разности их концентраций.

Парциальным давлением газа выступает часть общего давления, принадлежащая данному газу.

Кислород в воздушной среде характеризуется парциальным давлением (напряжением), которое равно 160 мм. рт. ст. Углекислый газ, в свою очередь, обладает парциальным давлением, равным 0,2 мм. рт. ст.

Что касается альвеолярного воздуха, то парциальное давление для кислорода и двуокиси углерода отличаются другими значениями: давление кислорода равно 100 мм. рт. ст, а углекислого газа — 40 мм. рт. ст.

Газы находятся в крови в двух состояниях: в химическом связанном и в растворенном. При этом, в процессе диффузии могут участвовать только те молекулы газа, которые находятся в растворенном состоянии.

Есть несколько условий, от которых зависит способность газа быть растворенным в жидкостях. Это:

• объем и давление газа над жидкостью;
• состав жидкости;
• природа газа;
• температура жидкости.

При более низкой температуре и более высоком давлении газа обеспечивается большее растворение газа.

При условии температуры 38 градусов и давлении в 760 мм. рт. ст. в 1 мл. крови растворится 2,2% кислорода и 5,1% углекислого газа.

Между кровью и альвеолярным воздухом градиент давления для кислорода составляет 60 мм. рт. ст. Это обеспечивает диффузию кислорода в кровь. В крови происходит связывание кислорода с гемоглобином, который находится в эритроцитах, в результате чего происходит образование оксигемоглобина. Очень много оксигемоглобина содержится в артериальной крови.

У здорового человека гемоглобин может насыщаться кислородом на 96%.

Под кислородной емкостью крови понимают максимум кислорода, которое при глубоком насыщении гемоглобина кислородом может связываться с кровью.

Эффектом Холдейна называют повышенную способность крови в процессе перехода оксигемоглобина в гемоглобин связывать углекислый газ.

В 100 мл. крови содержится примерно 20 мл. кислорода — это в норме. В венозной крови в таком же объеме содержится от 13 до 15 мл. кислорода.

Образованный в тканях углекислый газ по градиенту концентрации поступает в кровь и объединяется с гемоглобином — таким образом происходит образование карбгемоглобин. Большая часть углекислого газа находится во взаимодействии с водой, и образует, в результате, карбоновую кислоту. Эта кислота имеет способность диссоциировать, что приводит к образованию ион водорода и бикорбонат-ион. Основная часть углекислого газа перемещается в виде бикарбоната.

Эритроциты крови содержат такой фермент как карбоангидраза. У него есть способность осуществлять катализацию расщепления карбоновой кислоты и ее образование. Процесс расщепления происходит в капиллярах легких.

Напряжение двуокиси углерода в венозной крови — около 46 мм. рт. ст. Парциальное давление двуокиси углерода в альвеолярном воздухе составляет 40 мм. рт. ст. Это значит, что градиент давления равен 6 мм. рт. ст. в пользу крови.

Из человеческого организма в состоянии покоя выходит примерно 230 мд. двуокиси углерода.

Диффузия газов осуществляется по разности концентрации: из среды, где отмечается большее напряжение, в среду, где отмечается меньшее напряжение.

Диффузионная способность легких — это способность газа превращаться из альвеол в эритроциты.

Особенности газообмена в тканях

В митохондриях обнаруживается минимальное напряжение кислорода. Все потому, что митохондрии — это места, где кислород используется для биологического окисления. Как результат расщепления оксигемоглобина — молекулы кислорода диффундируют в направлении меньших значений напряжения кислорода.

Факторы, влияющие на парциальное давление в тканях:

• расстояние между кровеносными капиллярами и их геометрия;
• скорость движения крови;
• расположение клеток относительно капилляров;
• окислительные процессы и др.

В тканевой жидкости вблизи капилляров напряжение кислорода меньше, чем в крови — оно составляет от 20 до 40 мм. рт. ст.

Интенсивные окислительные процессы в клетках способствуют тому, что напряжение кислорода может доходить до нулевого показателя. Однако при увеличении скорости кровотока напряжение кислорода мгновенно повысится.

Наивысший показатель давление углекислого газа в клетках достигается в случае его образования в митохондриях — оно равно 60 мм. рт. ст. Что касается давления углекислого газа, то в тканевой жидкости оно меняется (примерно 46 мм. рт. ст.), а в артериальной крови остается равным 40 мм. рт. ст.

Перемещение двуокиси углерода осуществляется по градиенту напряжений в капилляры крови, после чего кровь перемещает ее к легким.

Предположение о симметрии процессов газообмена. Симметричность поглощения и выведения газов

Взгляд на британский эквивалент человека-мотылька

Военный корабль США столкнулся с огромным черным НЛО

Горстка странных существ, о которых вы не слышали

Женщина погибла от удара молнии в ухо

Житель Миннесоты снял НЛО в форме пончика

Загадки и тайны Марса

Загадочные истории о наблюдениях ангелов

Мужчина нашел у себя в саду закопанную машину

Наблюдения за НЛО выходят из-под контроля

НЛО выбросил десант в Калифорнии

НЛО, меняющие форму, замечены над Пенсильванией

Подтвердили предсказание Ванги о страшном недуге

Предсказание Ванги для России

Прозрачная древесина наше будущее

Профессор из Гарварда заинтригован изучением НЛО

Роковой день уже близко

Самые загадочные явления Мирового океана

Таверна Древний баран и ее секс-демон

Более ста детей умерли от внезапного отказа почек

Возмутительные мистификации в уфологии

Встреча с братьями по разуму

Гвоздь которым Иисус был прибит к кресту

Двухголовая змея-альбинос найдена в Северной Каролине

Девушка посетила межгалактическую станцию пришельцев

Древняя статуя антибога найдена в Ангкоре

Если данные об НЛО будут раскрыты, вся мировая экономика рухнет

Жуткие черноглазые дети

Загадочные аномалии в работе GPS в аэропорте Техаса

Загадочные сумки Богов

Инопланетные мегаструктуры, что стоит за странной фотографией

Лётчики с пугающей частотой сообщают о необычных явлениях

Лучшие места для поиска инопланетян

Малоизвестные инциденты с НЛО, о которых стоит поговорить

Мрачное пророчество Матроны Московской

Наблюдения НЛО в Америке

Необъяснимые явления и наблюдения НЛО в Шеффилде

Неразгаданная тайна Дона Деккера

Опровергли одну из теорий происхождения жизни на Земле

Пилот рассказал о наблюдениях НЛО

Приморцы увидели в небе нечто

Прямоугольный НЛО прерывает семейный костер

Разбившиеся НЛО в Антарктиде

Сериал Секретные материалы был одним из самых популярных

Странная история с НЛО из Ставропольского края

США хранят секреты об НЛО

Шокирующие предсказания Нострадамуса

Яркий НЛО сняли во Флориде

Близнецы утверждают, что они были убиты в прошлой жизни

Большие кошки бродят по сельской местности Великобритании

Большое количество экзопланет могут не иметь атмосфер

Влияние орбиты Земли на древние микроорганизмы

Газ старше Солнечной системы обнаружен в астероиде Рюгу

Древняя рукопись рассказывает о путешествии на Луну

Жители Чикаго сообщают о наблюдениях НЛО

Земля осветилась, когда над ней зависло НЛО

История о демонической одержимости в Новой Франции

Как возник вулканизм на молодой Луне

Как раз к Хэллоуину. Крупный план морды муравья

Колыбель жизни обнаружили вокруг группы галактик

Лучшее место, чтобы увидеть НЛО в Мэриленде

Метеориты как катализаторы при зарождении жизни

НАСА собрало группу экспертов для исследований НЛО

Обнаружили источник одной из самых редких групп метеоритов

Потрясающие кадры НЛО в небе над Колумбией

Похожий на монаха призрак терроризировал семью

Почему число 13 считается несчастливым

Робот, который прекрасно играет в пинг-понг

Розуэлл просит общественность внести свой вклад в фестиваль НЛО 2023 года

Читайте также:

  
• Синдром Гийена-Барре у детей: восходящий паралич Ландри и синдром Миллера-Фишера
  
• Дифференциальная диагностика туберкулом. Периферический рак и туберкулома.
  
• Наружное исследование при травме глаза. Осмотр конъюнктивы, роговицы
  
• Воздействия жизненных перемен в пожилом возрасте
  
• Синдром Ашара-Тьера (Achard-Thiers)