Біологія. Повторне видання. 8 клас. Матяш

§ 20. Процеси газообміну в легенях і тканинах

Пригадайте будову кровоносної системи ссавців. Які кровоносні судини називають венами, а які - артеріями? Що таке мале та велике кола кровообігу, артеріальна й венозна кров? Які ви знаєте закони дифузії? Що таке гомеостаз?

Як відбувається обмін газів у легенях? Ви вже знаєте, що основна функція легень - це забезпечення газообміну між атмосферним повітрям і кров’ю. Під час вдиху атмосферне повітря надходить до легень і в альвеолах змішується з повітрям, яке залишилося в них після видиху.

По артеріях малого кола кровообігу венозна кров потрапляє в легені (пригадайте, який шлях проходить кров по малому колу кровообігу у ссавців). 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.

Пригадаймо: атмосферне повітря є сумішшю різних газів, але основними його складовими є кисень, вуглекислий газ та азот. На кожного з них у цій газовій суміші припадає певна частка, яка відповідає такій у загальному атмосферному тиску. Вимірюють цю частку тиску в міліметрах ртутного стовпчика (скорочено мм рт. ст.). Концентрація газів у рідинах характеризується терміном напруження. Він означає, з якою силою розчинений газ намагається залишити рідину.

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 згідно з основним законом дифузії кисень з альвеолярного повітря потрапляє крізь стінки альвеол та стінки капілярів у кров.

Вуглекислий газ переходить в альвеолярне повітря завдяки різниці між його напруженням у венозній крові (47 мм рт. ст.) і тиском в альвеолярному повітрі (40 мм рт. ст.). Як бачимо, ця різниця незначна, однак оскільки швидкість дифузії вуглекислого газу з крові приблизно у 25 разів більша, ніж кисню, то й цього достатньо для переходу вуглекислого газу з крові в альвеолярне повітря.

Цікаво знати

Щоб уявити масштаби газообміну, який відбувається в легенях, слід пам’ятати, що 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.

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.

Як відбувається газообмін у тканинах? Збагачена киснем артеріальна кров по великому колу кровообігу від серця надходить у капіляри, розміщені у всіх тканинах. Тут артеріальна кров перетворюється на венозну (позбавлену кисню і збагачену вуглекислим газом). Вона повертається до серця, а звідти - до легень. Таке переміщення газів з кровообігом має назву транспорт газів кров’ю. Значна частина кисню і вуглекислого газу переноситься у 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, яка легко розпадається і вивільняє кисень (мал. 83).

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. Вуглекислий газ, навпаки, переходить з клітин у міжклітинну рідину, а з неї - у кров. Як це відбувається? В артеріальній крові капілярів уміст кисню більший, ніж у клітинах. Завдяки дифузії кисень через стінки капілярів легко переходить у тканинну рідину, з якої проникає в клітини. Там він відразу вступає в реакції окиснення органічних речовин (білків, жирів, вуглеводів). Тому кисень в клітинах не запасається.

Унаслідок процесів окиснення у клітинах збільшується вміст вуглекислого газу. Він так само завдяки дифузії з клітин через тканинну рідину надходить у капіляри, у 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 карбонатну кислоту (Н2СО3). Так артеріальна кров перетворюється на венозну, яка по венах великого кола кровообігу надходить до серця, звідти судинами малого кола кровообігу - до легень. У легенях карбгемоглобін розпадається, вуглекислий газ вивільняється і виводиться з організму.

Чи змінюється склад повітря в легенях? Ви пам’ятаєте, що до складу атмосферного повітря входить майже 21 % кисню, близько 79 % азоту, приблизно 0,03 % вуглекислого газу, невелика кількість водяної пари та інертних газів. Саме такий склад вдихуваного повітря, яке надходить до нашого організму. Завдяки змінам частоти і глибини дихання в альвеолах підтримується відносно стабільний склад газів. Повітря, яке видихається, називають видихуваним. Його склад порівняно з вдихуваним інший: вміст у ньому кисню знижується, а вуглекислого газу збільшується (див. таблицю 5).

Мал. 83. Молекула гемоглобіну здатна приєднувати та віддавати кисень

Таблиця 5

СКЛАД АТМОСФЕРНОГО ПОВІТРЯ ТА ПОВІТРЯ ПІСЛЯ ВИДИХУ

Повітря

Вміст газів (%)

кисень

вуглекислий газ

азот, вода, інертні гази

Вдихуване (атмосферне)

21,00

0,03

79,03

Альвеолярне

14,40

5,20

80,60

Видихуване

16,30

4,00

79,70

Завдання

Порівняйте склад вдихуваного та альвеолярного; вдихуваного та видихуваного повітря; видихуваного та альвеолярного. Поясніть, чому змінюється їхній вміст. За рахунок чого підтримується відносно сталий склад альвеолярного повітря? Яке це має значення для організму?

Чистота атмосферного повітря має важливе значення для здоров’я людини. У зв’язку з розвитком промисловості і транспорту атмосферне повітря забруднюється. Шкідливим забруднювачем повітря є тютюновий дим.

Намагайтеся не забруднювати свої органи дихання тютюновим димом. Для постачання органів дихання киснем частіше гуляйте на свіжому повітрі: у лісі, скверах, парках тощо. Якщо доводиться якийсь час перебувати в запиленому приміщенні, захищайте свої органи дихання за допомогою респіраторів.

Дихання залежить від парціального тиску кисню в атмосфері. Це добре знають альпіністи та аквалангісти. Альпіністи, піднімаючись на висоту, відчувають зміни в самопочутті: дихання стає поверхневим, періодично переривається; через зменшення концентрації кисню в крові виникає потреба дихати частіше. Так виникає гіпоксія (кисневе голодування), що супроводжується задухою. Можлива кровотеча з носа, запаморочення, нудота, серцева недостатність тощо. Це ознаки гірської (висотної) хвороби.

Аквалангісти, опускаючись на кожні 10 м в глибину, відчувають зміну тиску середовища, який зростає на 1 атм. Також змінюється їхнє самопочуття: у крові і тканинах збільшується парціальний тиск кисню і розчиняється азот. Наслідками отруєння киснем є судоми, галюцинації. Щоб цього не сталося, потрібно азот у газовій суміші замінити на гелій і зменшити концентрацію кисню. Якщо аквалангіста підняти швидко, азот «закипає» (пухирці його закупорюють судини і розривають тканини, що спричинює крововиливи у тканини, які їх оточують) та настає параліч рук і ніг, загальна слабкість. Крім того, взаємодія пухирців азоту з клітинами крові може призвести до утворення згустків крові, здатних закупорювати судини. Тому аквалангіста потрібно піднімати з глибини повільно. За таких умов надлишок газу виводиться без утворення пухирців.

Ключові терміни і поняття: газообмін, вдихуване, альвеолярне та видихуване повітря.

ПЕРЕВІРТЕ ТА ЗАСТОСУЙТЕ ЗДОБУТІ ЗНАННЯ

Дайте відповідь на запитання

1. Що таке дихання? Яке значення дихання для забезпечення процесів життєдіяльності організму? 2. Що таке дифузія і яке її значення в газообміні організму людини? 3. Чим відрізняються вміст кисню та вуглекислого газу в артеріальній і венозній крові? 4. Завдяки чому кисень з альвеолярного повітря надходить у кров, що циркулює по капілярах альвеол? 5. Як відрізняється склад газів у вдихуваному та видихуваному повітрі?

Виберіть одну правильну відповідь

1. Визначте, де вищий уміст кисню: а) у вдихуваному повітрі; б) у видихуваному повітрі; в) в альвеолярному повітрі.

2. Визначте відсоток вуглекислого газу, який здатний зв’язувати гемоглобін: а) 10 %; б) 25 %; в) 45 %; г) 75 %.

Установіть правильну послідовність процесів, за яких кров насичується киснем: а) людина вдихає атмосферне повітря; б) кисень з альвеолярного повітря переходить у кров; в) у легенях атмосферне повітря змішується з альвеолярним; г) повітря по повітроносних шляхах потрапляє в альвеоли; д) кисень сполучається з гемоглобіном і кров стає артеріальною.

Розв’яжіть задачу. Під час спокійного вдиху дорослої людини до легень надходить близько 500 мл повітря. У вдихуваному повітрі міститься приблизно 21 % кисню, а у видихуваному - 16 %. Визначте, скільки кисню при цьому споживає організм людини. Виберіть правильну відповідь: а) 20 мл; б) 25 мл; в) 30 мл; г) 35 мл.

Обговоріть у групах. Схарактеризуйте основні етапи газообміну в організмі людини. Поясніть значення дотримання чистоти повітря.

Поміркуйте. 1. Чому в повітрі альвеол кисню завжди помітно менше, ніж в атмосфері? 2. Поясніть значення провітрювання класних кімнат після кожного уроку.