Газовый конвейер и технология дыхания

Дыхание - это процесс, происходящий в дыхательных ансамблях митохондрий. Он включает окислительное с поглощением кислорода, накоплением биологической энергии, выделением углекислого газа и воды. Обязательным условием дыхания является обеспечение клеток необходимым количеством кислорода и выведение из них углекислого газа, при этом они должны снабжаться «топливом» для окисления (продуктами распада углеводов, жиров и белков) и фосфорилирования (солями фосфорной кислоты). Доставку необходимых веществ к клеткам и выведение из них отработанных продуктов и углекислого газа выполняет циркулирующая кровь. Из нее углекислый газ поступает в легкие, а оттуда с воздушным потоком выносится в окружающую среду. Кислород поступает в кровь из легких, куда он доставляется воздушным потоком из окружающего воздуха.

Дыхательные газы (кислород и углекислый газ) передаются в организме как бы по конвейеру: кислород движется в направлении от окружающего воздуха до клетки, углекислый газ проделывает тот же путь в обратном направлении.

Технология дыхания и дыхательный конвейер достаточно сложны. Одно несомненно: все звенья этого конвейера взаимосвязаны, нарушения в каком-либо из них нарушают работу всей системы дыхания. Это означает, что количество вдыхаемого кислорода должно быть больше выдыхаемого на тот его объем, который переходит из альвеол в кровь; кровь должна отдавать тканям ровно столько кислорода, сколько она получила в легких; ткани должны получать столько кислорода, сколько им

Лишь в этом случае в организме устанавливается подвижное равновесие, которое должно соблюдаться в каждом звене конвейера. Так, в альвеолах равенство между приходом кислорода и его расходом (переходом в кровь) при его неизменяющемся парциальном давлении во вдыхаемом воздухе обусловливает относительное сохранение постоянства состава альвеолярного воздуха (закон И. М. Сечени), постоянство парциального давления кислорода и углекислого газа в альвеолах. Равенством поступающего в кровь кислорода и расходуемого (переходящего в ткани) обусловлено постоянство Р02 в артериальной крови (при условии, что его парциальное давление в альвеолярном воздухе не изменяется). В этом случае при неизменяющемся потреблении кислорода усредненное Р02 в тканях и смешанной венозной крови также остаются постоянными. Увеличение количества потребляемого тканями кислорода может вызвать снижение Р02 в смешанной венозной крови. Для поддержания в ней постоянного газового состава доставка кислорода к тканям должна возрастать.

Таким образом, во всех основных звеньях кислородного конвейера, благодаря соответствию прихода и расхода кислорода (поэтапной скорости его доставки и утилизации), сохраняется удивительное постоянство парциального давления кислорода в каждом звене, причем скорость его массопереноса и парциальное давление (напряжение в крови) снижаются. Поэтому последние при графическом изображении имеют форму каскадов. Кислородные каскады - это «портрет» тех режимов, в которых протекает и потребление кислорода у людей разного возраста. Для каждого индивидуума в разных его состояниях (покоя, физических нагрузок), здорового, больного, при различных условиях окружающей среды кислородные каскады различны. Их своеобразие позволяет использовать характеристику кислородных режимов организма для оценки физического состояния и работоспособности человека в процессе труда, при занятиях физической культурой и спортом в высокогорной и космической физиологии, для клинической диагностики.

На обеспечение организма кислородом значительное влияние оказывает процесс массопереноса углекислого газа, который, образуясь в клетках в результате окислительных процессов и гликолиза, поступает в венозную кровь. Здесь он находится в виде бикарбонатов (углекислых солей щелочных металлов) и соединений с белками. В организме человека имеются три буферные системы, принимающие участие в процессе массопереноса углекислого газа: белковая фосфатная и карбонатная (причем на последнюю приходится около 80% всего объема газа). Слабая угольная кислота диссоциирует в воде на ионы:

Если на нее воздействуют другие, более сильные кислоты (молочная и др.), то добавление водородных ионов по закону действующих масс будет сдвигать равновесие влево, т. е. будет образовываться больше молекул недиссоциированной угольной кислоты, которая в легких (при участии фермента карбангидразы) разлагается на углекислый газ и воду.

Углекислый газ покидает кровь и переходит в альвеолы, откуда во время выдоха с воздушным потоком выводится в окружающую среду. Если же на диссоциированную углекислоту подействует гемоглобин, соединяющийся с ее остатком - НСО1 реакция (1) сдвинется вправо, т. е. будет образовываться больше ионов-НС03, больше С02 будет связываться кровью. Реакция гемоглобина с респираторными газами осуществляет, таким образом, не только массоперенос кислорода, но и транспорт углекислого газа.

Как отмечалось выше, между кислородом и углекислым газом идет конкурентная борьба за гемоглобин. В тканях, где Р02 низкое, а РС02 - высокое, гемоглобин присоединяет к себе углекислый газ и отдает тканям кислород. При высоком Р02 кислород получает преимущество в этой борьбе. В легких почти весь гемоглобин крови становится окисленным. Кровь приносит к легким 600-850 мл углекислого газа. Из этого количества у человека средних лет в состоянии покоя выводится с выдыхаемым воздухом 220-280 мл, остальное остается в артериальной крови, где РС02 около 40 мм рт. ст., в смешанной венозной крови - около 46 мм рт. ст.

Белковый, карбонатный и фосфатный буферы, или, как их называют, буферные основания (ВВ), - это системы, которые поддерживают постоянство внутренней среды организма, ее Р02, РС02, рН.

Скорость образования и поэтапного переноса углекислого газа определяется интенсивностью окислительных и гликолитических процессов, РС02 в тканях, в венозной крови и альвеолярном воздухе, артериальной крови. Параметры углекислого газа, как и кислорода, для каждого индивидууму относительно постоянны. Относительно неизмененное содержание и напряжение дыхательных газов во внутренней среде - основа постоянства внутренней его среды, гомеостазиса (от греч. homoios - подобный, одинаковый и stasis - состояние, неподвижность). Определенные режимы массопереноса кислорода и углекислого газа поддерживаются в организме благодаря сложнейшей регуляции функции его нескольких систем.