Тема 8. Физиологические особенности дыхательной системы.

Дыхание - это физиологическая функция, обеспечивающая газообмен между организмом и окружающей средой. Кислород расходуется клетками для окисления сложных органических веществ, в результате чего образуются вода, диоксид углерода и выделяется энергия. При распаде белков и аминокислот кроме воды и диоксида углерода образуются азотсодержащие вещества, некоторые из которых, так же как вода и диоксид углерода, выделяются через органы дыхания.

Поскольку обмен веществ совершается непрерывно, прекращение дыхания приводит к распаду живой материи. Так, без доступа кислорода мозг может существовать до 5 мин, сердце - до 15... 18 мин, после чего начинаются структурные и функциональные изменения. Другие органы и ткани могут находиться в бескислородных условиях более длительное время: например, на конечность жгут для остановки кровотечения накладывают на срок до 45 мин.

Дыхание представляет собой совокупность следующих пяти взаимосвязанных и объединенных общими регуляторными механизмами процессов: внешнее дыхание, т. е. газообмен между легкими и окружающей средой; обмен газов между воздухом, находящимся в альвеолах легких, и притекающей к легким кровью; транспорт кислорода и диоксида углерода кровью; обмен газов между кровью и тканями; тканевое, или внутриклеточное, дыхание.

Дыхательный аппарат ограждает организм от попадания с воздухом агрессивных газов, пыли, микроорганизмов. Легкие участвуют в поддержании кислотно-щелочного баланса крови, терморегуляции, обмене веществ, депонировании и свертывании крови и в других функциях.

Работа № 1. Вычисление жизненной емкости и общей емкости легких.

Главная биологическая функция дыхания - это обеспечение газообмена в тканях. Именно ради тканевого дыхания в процессе эволюции возникли и совершенствовались системы кровообращения и внешнего дыхания. Доставка тканям кислорода, выведение водородных ионов и диоксида углерода должны точно соответствовать потребностям тканей и организма в определенный период их жизнедеятельности. В реализации этих процессов, их динамического равновесия участвуют сложные механизмы, включающие регуляцию газового состава крови, регионального кровообращения и трофику тканей.

Цель работы: Вычислить жизненную емкость и общую емкость легких.

Максимальный объем воздуха, который можно выдохнуть после глубокого вдоха, называется жизненной емкостью легких (ЖЕЛ). Эта величина слагается из дыхательного, дополнительного и резервного воздуха. В состоянии покоя крупные собаки и овцы вдыхают в среднем 0,3-0,5 л, лошади – 5-6 л воздуха. Этот объем называют дыхательным воздухом. Сверх данного объема они могут еще вдохнуть 0,5-1 л, а лошади – 10-12 л. Это дополнительный воздух. После нормального выдоха животные могут выдохнуть приблизительно такое же количество воздуха, это резервный воздух. У собак ЖЕЛ составляет 1,5-3 л; лошадей – 26-30 л; у крупного рогатого скота – 30-35 л воздуха, а человек в среднем 3,7 л. Однако, даже при максимально выдохе в легких остается часть воздуха, называемого остаточным. Его величина составляет 1 л у человека, 10 л – у лошади. Жизненную емкость легких определяют с помощью прибора – спирометра.

Отношение вдыхаемого воздуха к альвеолярному называют коэффициентом легочной вентиляции, а количество воздуха, проходящего через легкие за 1 мин. – минутным объемом легочной вентиляции. Их определяют с помощью специальных респираторных аппаратов.

У мужских особей ЖЁЛ больше, чем у женских. У высокопродуктивных коров и спортивных лошадей она больше, чем у низкопродуктивных или нетренированных. Все перенесенные заболевания органов дыхания, а также частое вдыхание пыли, табачного дыма, смол, ядовитых газов снижают ЖЕЛ и адаптационные возможности дыхательного аппарата.

После полного, максимально глубокого выдоха в легких остается еще часть воздуха, которая не выдыхается, - остаточная пропорция воздуха. У крупных животных объем остаточного воздуха около 10 л, у человека 1 л. Остаточный воздух не входит в жизненную емкость легких. Сумма ЖЕЛ и остаточного воздуха составляет общую емкость легких.

Почему остаточный воздух невозможно выдохнуть? Во-первых, из-за отрицательного давления в грудной полости при выдохе, вследствие чего на внутреннюю поверхность альвеол действует более высокое давление, чем на наружную, и альвеолы постоянно растянуты воздухом. Во-вторых, часть бронхиол закрывается и спадает раньше альвеол, поэтому воздух попадает как бы в воздушные «ловушки». В-третьих, спадению альвеол при выдохе препятствует сурфактант легких. Сумма остаточного и резервного воздуха называется функциональной остаточной емкостью или альвеолярным воздухом.

Задание: Вычислить жизненную емкость и общую емкость легких крупного рогатого скота, овец, лошадей, результаты записать в тетрадь (А.Н. Голиков, 1991; В.Г. Скопичев, Б.В. Шумилов, 2004)..

Контрольные вопросы:

1. Что называется жизненной емкостью легких?

2. Общая емкость легких (ОЕЛ) и величины ее составляющие?

3. Как устроен спирометр?

4. Что называется коэффициентом легочной вентиляции?

Работа № 2. Газы крови и кривая диссоциации оксигемоглобина.

Цель работы: Выяснить теоретически наличие газов крови и их транспортировку. Рассмотреть в каком состоянии находятся эти газы в крови и какие факторы обуславливают их поглощение кровью и выделение из крови.

Газы могут находиться в жидкости в состоянии простого физического растворения (абсорбации) и химической связи.

Количество газа, которое может раствориться в жидкости, зависит от нескольких факторов: состава, объема и давления газа над жидкостью, температуры и др. Кислород в крови связан с гемоглобином, углекислый газ только частично связан с гемоглобином; большая часть его находится в крови в связи с карбонатами, бикарбонами и фосфатами.

Из крови газы были впервые извлечены И.М.Сеченовым, который сконструировал для этой цели ртутный насос, основанный на принципе возобновляемой торичеллевой пустоты.

В артериальной крови содержится 18-20 % кислорода, 40 % углекислого газа и около 1 % азота. Венозная кровь содержит кислорода 12 %, углекислого газа – 55-58 % и 1 % азота. Кислород в основном транспортируется эритроцитами и находится в химической связи с гемоглобином и образуется непрочное, легко диссоциирующее соединение – оксигемоглобин. Максимальное количество кислорода, которое может быть поглощено 100 мл крови называется кислородной емкостью крови. Кривая, показывающая процент насыщения гемоглобина кислородом, называется кривой диссоциации оксигемоглобина. Связывание кислорода гемоглобином зависит от напряжения кислорода в крови. Транспорт углекислого газа кровью осуществляется в виде солей угольной кислоты, карбогемоглобина.

Образование угольной кислоты из СО₂ в эритроцитах происходит с помощью фермента-карбоангидразы. Таким образом, в механизме транспорта кровью кислорода и углекислого газа важнейшая роль принадлежит эритроцитам, в которых содержится гемоглобин и карбоангидраза. Азот в крови находится в состоянии физического растворения.

Обмен газов между кровью и тканями совершается так же, как и обмен газов между кровью и альвеолярным воздухом - по законам диффузии и осмоса. Поступающая сюда артериальная кровь насыщена кислородом, его напряжение составляет 100 мм рт. ст. В тканевой жидкости напряжение кислорода составляет 20...37 мм рт. ст., а в клетках, которые потребляют кислород, его уровень падает до 0. Поэтому оксигемоглобин отщепляет кислород, который переходит сначала в тканевую жидкость, а затем в клетки тканей.

Задание: Используя текст учебника изучить наличие газов крови и их транспортировку. Рассмотреть в каком состоянии находятся эти газы в крови и какие факторы обуславливают их поглощение кровью и выделение из крови (А.Н. Голиков, 1991; Т.В. Качалкова, К.А. Сидорова, 2007).

Контрольные вопросы:

1. В каком состоянии газы могут находиться в жидкости?

2. Что называется парциальным давлением и напряжением газов?

3. Содержание газов в крови и методы извлечения их из крови?

4. Кислородная емкость крови и от чего она зависит?

5. Степень насыщения гемоглобина кислородом и ее зависимость?

6. Содержание газов в артериальной и венозной крови.

7. Кривая диссоциации оксигемоглобина.

8. Что понимается под оксидацией и оксигенацией?

9. Влияние концентрации водородных ионов температуры на диссоциацию оксигемоглобина.

10. Транспорт углекислоты кровью.

Работа № 3 Особенности дыхания в условиях пониженного и повышенного атмосферного давлений, физиологический механизм адаптации к условиям гор.

Цель работы: Выяснить особенности дыхания в условиях пониженного и повышенного атмосферного давлений и физиологический механизм адаптации к условиям гор.

В области высоких давлений О₂ (выше 90 мм Hg), т. е. в тех условиях, которые имеются в альвеолах, небольшие колебания парциального давления кислорода не оказывают значительного влияния на связывание его гемоглобином. В этих случаях 90 - 95% гемоглобина всей крови превращается в оксигемоглобин. Однако при низких парциальных давлениях О₂, т. е. при давлениях, наблюдающихся в тканях, даже незначительное понижение давления сопровождается распадом оксигемоглобина, освобождением кислорода и переходом его в ткани. На присоединение О₂ гемоглобином оказывает влияние присутствие СО₂. При одном и том же парциальном давлении О₂ в присутствии СО₂ связывается меньше О₂ и вся кривая диссоциации оксигемоглобина сдвигается вправо. Поэтому поступление в кровь СО₂ из тканей облегчает освобождение О₂ из оксигемоглобина и переход его в ткани. Выделение из крови СО₂ в легких, наоборот, облегчает связывание О₂ гемоглобином. При повышении температуры тела усиливается диссоциация оксигемоглобина.

Одно из главных свойств живых организмов – способность адаптации к конкретным условиям существования во внешней среде. Изменение условий среды вызывает функциональные сдвиги в организме, которые при определенных условиях могут переходить в состояние болезни.

Приспособление животных к разреженной газовой среде связано с перестройкой функций многих органов и систем. В условиях пониженного атмосферного давления вследствие недостаточного снабжения кислородом через дыхательные органы возникает гипоксия (недостаток кислорода в отдельных тканях или в целом в организме), которая приводит к изменению многих функций.

Приспособление животных к горным условиям показало, что реакция организма может иметь двоякую направленность:

1. включение физиологических механизмов, увеличивающих доставку кислорода к тканям путем поддержания гомеостаза газовой среды в альвеолах легких;

2. приспособление самих тканей к существованию в бедной кислородом среде и ограничение кислородного запроса путем снижения жизнедеятельности организма или отдельных систем.

В первые дни адаптации к горным условиям животные затрачивают большое количество энергии на приспособление. В первые 15 дней среднесуточный прирост массы тела телят составил 100 г, а через месяц он достигает 900-1000 г. Адаптация в горах за счет изменений в функциональных системах продолжается 20-30 дней, после чего наступает тканевая адаптация, характеризующаяся понижением потребления кислорода.

Виды гипоксии: дыхательная, циркуляторная и другие виды.

Физиологический механизм адаптации к условиям гор обусловлен:

1. увеличением числа эритроцитов в крови и следовательно, повышением кислородной емкости крови;

2. усилением легочной вентиляции;

3. понижением чувствительности тканей организма, в частности центральной нервной системы, к недостаточному снабжению кислородом.

Когда животные дышат воздухом под давлением 5-6 атм., т.е. в условиях высокого давления, количество всех растворенных газов в крови резко увеличивается. Этот процесс сам по себе не оказывает влияния при постепенной декомпрессии, азот по мере падения давления выделяется с выдыхаемым воздухом и организму опасность не угрожает. При слишком быстрой декомпрессии, например, при быстром подъеме водолаза со дна моря, азот не успевает выделиться из организма. В этом случае растворимость азота понижается, в крови появляются газовые пузырьки, которые могут привести к эмболии сосудов.

Задание: Изучить особенности дыхания в условиях пониженного и повышенного атмосферного давлений и физиологический механизм адаптации к условиям гор (А.Н. голиков, 1991; В.Г. Скопичев и др., 2004).

Контрольные вопросы:

1. Дыхание при пониженном атмосферном давлении.

2. Какие приспособительные изменения происходят в организме при длительном пребывании в условиях гор.

3. Гипоксия и ее виды.

4. Гипокапния.

5. Дыхание при повышенном атмосферном давлении. Кесонная болезнь и механизм ее возникновения.