Біологія. 8 клас. Балан
§ 42. Дихальні рухи. Газообмін у легенях і тканинах. Нейрогуморальна регуляція процесів дихання
• Чому неможливо затримати дихання довше ніж на 3-5 хвилин?
Повітря надходить у легені та виводиться з легень завдяки дихальним рухам: вдиху і видиху, під час яких змінюється об’єм легень. Вдих і видих разом становлять дихальний цикл (мал. 42.1).
Мал. 42.1. Дихальний цикл. А. Процес вдиху. Б. Процес видиху. 1 - рухи ребер; 2 - атмосферне повітря надходить у дихальні шляхи; 3 - видихуване повітря; 4 - легені; 5 - діафрагма: 6 - рухи діафрагми
• За малюнком 42.1 порівняйте, що відбувається з ребрами, діафрагмою та легенями під час вдиху та під час видиху.
Як здійснюються дихальні рухи. Легені не мають власних м’язів, тому вдих і видих здійснюються завдяки скороченню або розслабленню м’язів, які змінюють об’єм грудної порожнини (мал. 42.1). У дихальних рухах беруть участь міжреберні м’язи та діафрагма, меншою мірою - м’язи черевного преса, деякі м’язи плечового поясу, шиї, спини.
Дізнайтеся більше про пневмоторакс та оклюзійні наліпки за QR-кодом.
Під час вдиху скорочуються зовнішні міжреберні м’язи, які підіймають ребра та відводять їх убік (мал. 42.1, А). Скорочення м’язів діафрагми змінюють її форму зі склепінчастої на пласку. Через це об’єм грудної порожнини збільшується й тиск у легенях стає нижчий за атмосферний. Завдяки цьому повітря надходить через повітроносні шляхи до альвеол легень.
У стані спокою видих відбувається пасивно через розслаблення зовнішніх міжреберних м’язів і діафрагми. При цьому ребра опускаються за рахунок власної ваги. Діафрагму відтискають догори еластичні внутрішні органи черевної порожнини, які були відтиснуті донизу під час вдиху.
Під час глибокого (активного) видиху, крім розслаблення зовнішніх міжреберних м’язів і м’язів діафрагми, скорочуються внутрішні міжреберні м’язи та м’язи черевного преса. Внутрішні міжреберні м’язи активно опускають ребра, а м’язи черевного преса, скорочуючись, відтискають діафрагму вгору (мал. 42.1, Б). Унаслідок цього об’єм грудної порожнини значно зменшується, тиск у ній стає вищий за атмосферний, і повітря витискається з легень у повітроносні шляхи, а звідти - назовні. Додаткові групи м’язів можуть бути задіяні в дихальних рухах у разі значних фізичних навантажень.
У стані спокою людина здійснює 16-20 дихальних рухів за хвилину. Під час занять спортом, важкої фізичної праці, а також у разі деяких захворювань частота дихальних рухів значно зростає. Для кількісної оцінки функціонального стану легень людини вимірюють так звані легеневі об’єми.
Дізнайтеся більше про легеневі об’єми та життєву ємність легень за QR-кодом.
Як відбувається обмін газів у легенях. Під час вдиху атмосферне повітря надходить до легень і в альвеолах змішується з повітрям, яке залишилося в них після видиху. Артеріями малого кола кровообігу венозна кров потрапляє в легені (пригадайте, який шлях проходить кров малим колом кровообігу; див. мал. 36.3). У венозній крові міститься значний відсоток вуглекислого газу. Через стінки капілярів альвеол відбувається газообмін між повітрям, яке міститься в альвеолах (альвеолярне повітря), та кров’ю. Вона віддає вуглекислий газ і отримує кисень, тобто венозна кров перетворюється на артеріальну. Артеріальна кров виходить з легень через легеневі вени та прямує до серця (див. мал. 36.3).
Усі складники повітряного шару створюють атмосферний тиск на поверхню Землі й на всі тіла поблизу неї. Кожен газ створює тиск відповідно до його частки в атмосферному повітрі. Вимірюють тиск кожного складника повітря в міліметрах ртутного стовпчика (скорочено мм рт. ст.).
У повітрі, яке вдихає людина, кисню значно більше, ніж у венозній крові. Оскільки тиск кисню в альвеолярному повітрі більший (102 мм рт. ст.), ніж у венозній крові (40 мм рт. ст.), то через різницю тисків кисень з альвеолярного повітря потрапляє крізь стінки альвеол та стінки капілярів у кров.
Вуглекислий газ переходить в альвеолярне повітря завдяки різниці між його тиском у венозній крові (47 мм рт. ст.) і тиском в альвеолярному повітрі (40 мм рт. ст.). Отже, завдяки інтенсивному обміну газів у легенях, тобто безперервному надходженню кисню та видаленню вуглекислого газу, склад альвеолярного повітря сталий, що має велике значення для підтримання гомеостазу.
Цікаво знати. За добу в кожної людини за умов найбільшого спокою з альвеолярного повітря в кров надходить близько 500 л кисню, а з видихуваним повітрям виділяється близько 450 л вуглекислого газу. Зрозуміло, що за напруженої діяльності організму ці показники різко зростають.
Як відбувається газообмін у тканинах. Збагачена киснем артеріальна кров великим колом кровообігу від серця надходить у капіляри, розміщені у всіх тканинах. Тут артеріальна кров перетворюється на венозну. Вона повертається до серця, а звідти - до легень. Таке переміщення газів з кровообігом має назву транспорт газів кров’ю.
Значна частина кисню й вуглекислого газу переноситься в хімічно зв’язаному стані з білком гемоглобіном, який міститься в еритроцитах (1 г гемоглобіну зв’язує 1,34 мл кисню). Кров постачає до тканин кисень у вигляді окисненого гемоглобіну (оксигемоглобіну НbО2) - нестійкої сполуки, що легко розпадається й вивільняє кисень (мал. 42.2). Газообмін у тканинах також відбувається за основним законом дифузії. У тканинах кисень з капілярів, де його концентрація більша, переходить у тканинну рідину з меншою концентрацією цього газу, а з неї - у клітини. Там він одразу вступає в реакції окиснення органічних речовин (білків, жирів, вуглеводів). Тому кисень у клітинах не запасається.
Мал. 42.2. Молекула гемоглобіну здатна приєднувати та віддавати кисень
Унаслідок процесів окиснення у клітинах збільшується вміст вуглекислого газу. Він так само завдяки дифузії з клітин через тканинну рідину надходить у капіляри, в яких частина (близько 25 %) вуглекислого газу зв’язується з гемоглобіном, утворюючи нестійку сполуку (карбгемоглобін). Решта (близько 75 %) вуглекислого газу зв’язується з плазмою крові, утворюючи нестійку карбонатну кислоту (Н2СО3) та її солі.
Так артеріальна кров перетворюється на венозну, що венами великого кола кровообігу надходить до серця, звідти судинами малого кола кровообігу - до легень (див. мал. 36.3). У легенях карбгемоглобін розпадається, вуглекислий газ вивільняється й виводиться з організму.
Повітря, яке видихається, називають видихуваним. Його склад порівняно з вдихуваним інший: вміст у ньому кисню знижується, а вуглекислого газу збільшується (табл. 42.1).
Таблиця 42.1. Склад атмосферного повітря та повітря після видиху
|
Повітря |
Уміст газів (%) |
||
|
кисень |
вуглекислий газ |
азот, водяна пара, інертні гази |
|
|
Вдихуване (атмосферне) |
20,95 |
0,03 |
79,02 |
|
Альвеолярне |
14,40 |
5,20 |
80,40 |
|
Видихуване |
16,30 |
4,00 |
79,70 |
• Порівняйте склад вдихуваного та альвеолярного повітря; вдихуваного та видихуваного повітря; видихуваного та альвеолярного повітря. Поясніть, чому змінюється їхній вміст.
Незначна кількість кисню (не більше 1-2 %) надходить через шкіру (шкірне дихання), але його не вистачає навіть для забезпечення газообміну в епідермісі (поверхневому шарі шкіри).
Як регулюються процеси дихання. Дихальні рухи та процеси газообміну регулюють нервова система та біологічно активні речовини. Дихальний центр, який керує процесами дихання, розташований у довгастому мозку (див. мал. 9.2). Діяльність цього центру забезпечує автоматизм дихальних рухів.
Дихальний центр координує ритмічну діяльність дихальних м’язів (їхнє скорочення та розслаблення), які беруть участь у здійсненні дихальних рухів. Дихальний центр також узгоджує процеси дихання з функціональним станом усього організму.
Дізнайтеся більше про дихальний центр за QR-кодом.
Підвищені температура і біль збільшують частоту дихальних рухів. Крім того, на дихальний центр впливають також емоції - радість, страх тощо. Діяльність дихального центру активується під впливом гормону надниркових залоз - адреналіну.
На процеси дихання впливає й концентрація кисню та вуглекислого газу в крові. У стінках кровоносних судин є рецептори, які реагують на незначні зміни концентрації кисню в крові, а також на зміни кров’яного тиску. Так, зменшення концентрації кисню в крові (гіпоксія) або зниження кров’яного тиску (гіпотензія, або гіпотонія) підвищує інтенсивність легеневої вентиляції, а їхнє збільшення - знижує.
Дихальний центр збуджує також підвищення концентрації вуглекислого газу в крові, що надходить до головного мозку. Це, зі свого боку, збільшує частоту та глибину дихання, що триває доти, доки концентрація вуглекислого газу не знизиться до норми. Накопичення в крові вуглекислого газу збуджує не тільки дихальний центр, але й судиноруховий (він також розташований у довгастому мозку). Унаслідок цього збільшуються частота і сила серцевих скорочень, посилюється кровообіг. Це поліпшує транспортування кисню від легень до тканин та пришвидшує виведення з них вуглекислого газу.
Цікаво знати. У момент народження, коли дитина припиняє отримувати кисень через плаценту від організму матері, в її крові різко зростає вміст вуглекислого газу. Це збуджує дихальний центр, від якого нервові імпульси надходять до зовнішніх міжреберних м’язів і діафрагми та спричинюють перший самостійний вдих.
Узагальнення
Вдих і видих становлять один дихальний цикл. Під час вдиху грудна клітка підіймається, а діафрагма опускається. Під час видиху грудна клітка та діафрагма повертаються у вихідне положення. Вдих і видих забезпечують вентиляцію легень. Процеси газообміну регулюють нервова система та біологічно активні речовини. Зокрема, дихальний центр, розташований у довгастому мозку, забезпечує автоматизм дихальних рухів.
Поміркуйте
- 1. Чому частота дихальних рухів зростає, коли людина відчуває радість?
- 2. Чому людина відчуває запаморочення (кисневе голодування), коли піднімається в гори?
- 3. Чому дайверам потрібно повільно підніматися з глибини чи опускатися на глибину?
