Вентиляція легень та внутрішньо легеневий об’єм газів

Легеневою вентиляцією називають об'єм повітря, який вдихається за одиницю часу (зазвичай використовують хвилинний об'єм дихання).

Таким чином, вентиляція — це добуток дихального об'єму та частоти дихальних циклів. Проте в легеневому газообміні бере участь не все вентильоване повітря, а лише та його частина, яка досягає альвеол.

Річ у тому, що приблизно 1/3 дихального об'єму спокою доводиться на вентиляцію так званого мертвого простору, заповненого повітрям, яке безпосередньо не бере участь в газообміні і лише переміщається в просвіті повітряносних шляхів при вдиху і видиху. Отже, вентиляція альвеолярних просторів — альвеолярна вентиляція — є легеневою вентиляцією за вирахуванням вентиляції мертвого простору. Саме альвеолярна вентиляція забезпечує обмін газів в легенів.

У повітряносних шляхах відбувається конвективне і дифузійне перенесення газів. В ході розгалуження повітряносних шляхів їх сумарний перетин значно зростає. Тому лінійна швидкість потоку повітря, яке вдихається, у міру наближення до альвеол поступово падає.

У трахеї, бронхах і бронхіолах перенесення газів відбувається виключно шляхом конвекції. У респіраторних бронхіолах і альвеолярних ходах, де повітря рухається дуже повільно, до цього процесу приєднується дифузійний обмін, обумовлений градієнтом парціального тиску дихальних газів: молекули О ₂ переміщаються у напрямі альвеол, де нижче, ніж у повітрі, яке вдихається, а молекули СО₂ — у зворотному напрямі. Чим повільніше і глибше дихання, тим інтенсивніше йде внутрішньолегенева дифузія О₂ і СО_2.

Перенесення газів, що відбувається у повітряносних шляхах, направлене на підтримку постійності парціального тиску О ₂і СО₂ в легеневих альвеолах, де йде безперервний обмін газів з кров'ю, що протікає через легеневі капіляри.

Повітря, що заповнює мертвий простір, грає роль буфера, який згладжує коливання складу альвеолярного газу в ході дихального циклу. Крім того, мертвий простір бере участь в кондиціонуючій функції повітряносних шляхів — зволоженні і обігріві повітря, що вдихається, за рахунок інтенсивного кровопостачання і секреції слизової оболонки носових ходів, носоглотки, гортані, трахеї і бронхів.

Повітря, що видихається, є сумішшю альвеолярного газу і повітря мертвого простору, тому середній його склад займає проміжне положення між складом повітря, яке вдихається (атмосферного), і альвеолярного газу. У «чистому» вигляді альвеолярний газ виводиться лише з останньою порцією видиху.

Співвідношення вентиляції та перфузії легень

Для нормального процесу обміну газів в легеневих альвеолах необхідно, щоб їх вентиляція повітрям знаходилася в певному співвідношенні з перфузією їх капілярів кров'ю. Іншими словами, хвилинному об'єму дихання повинен відповідати хвилинний об'єм крові, що протікає через судини малого кола, а цей об'єм, природно, рівний об'єму крові, що протікає через велике коло. У звичайних умовах вентиляційно-перфузійний коефіцієнт у людини складає 0,8 - 0,9. Наприклад, при альвеолярній вентиляції, яка рівна 6 л/хв., хвилинний об'єм крові може скласти близько 7 л/хв.

У окремих областях легенів співвідношення між вентиляцією і перфузією може бути нерівномірним. Різкі зміни цього співвідношення можуть привести до недостатньої артеріалізації крові, що проходить через капіляри альвеол.

Легеневий кровотік в цілому залежить від величини серцевого викиду, тому він управляється загальними регуляторними механізмами серцево-судинної системи. Звідси тісний взаємозв'язок між регуляцією дихання і кровообігом, який особливо яскраво виявляється при м'язовій діяльності.

До цього слід додати, що дихальні коливання внутрішньогрудного тиску, діючи за принципом «подвійного насоса», не тільки забезпечують вентиляцію легенів, але і допомагають венозному поверненню крові до серця. У свою чергу, пульсові поштовхи тиску у повітряносних шляхах і альвеолах, викликані скороченнями серця, сприяють внутрішньолегеневому зсуву газів, створюючи його кардіогенний компонент.

 

Транспорт газів між легенями та тканинами

Дифузія кисню та вуглекислого газу через аерогематичний бар’єр

Перенесення О₂ з альвеолярного газу в кров і СО₂ з крові в альвеолярний газ відбувається виключно шляхом дифузії. Її рушійною силою є різниці (градієнти) парціального тиску (напруги) О₂ і СО₂ по обидві сторони аерогематичного бар'єру, що утворюється альвеолокапілярною мембраною. Механізм активного транспорту газів тут не існує.

Кисень і вуглекислий газ дифундують в розчиненому стані. Важливе значення для полегшення дифузії О₂ має сурфактантне вистилання альвеол.

Дифузійна здатність легенів для кисню дуже велика. Це обумовлено величезним числом (сотні мільйонів) альвеол і великою їх газообмінною поверхнею (у людини вона складає близько 100 м²), а також малою товщиною (близько 1 мкм) альвеолокапілярної мембрани. Дифузійна здатність легенів у людини рівна приблизно 25 мл О₂за хвилину з розрахунку на 1 мм рт. градієнта парціального тиску кисню.

Що стосується дифузії СО₂ з венозної крові в альвеоли, то навіть порівняно невеликого градієнта Рсо₂ (6 - 10 мм рт. ст.) виявляється цілком достатньо, оскільки розчинність СО₂ в 20 - 25 разів більша, ніж у кисню.

Транспорт кисню кров'ю

Лише невелика частина О₂ (близько 2 %), яка переноситься кров'ю, розчинена в плазмі. Основна його частина транспортується у формі неміцного з'єднання з гемоглобіном, який містять еритроцити. У молекули цього дихального пігменту входять видоспецифічний білок — глобін — і простетична група — гем, що містить двовалентне залізо.

Приєднання кисню до гемоглобіну (оксигенація гемоглобіну) відбувається без зміни валентності заліза, тобто без перенесення електронів, що характеризує дійсне окислення. Проте гемоглобін, пов'язаний з киснем, прийнято називати окисленим (правильніше — оксигемоглобін), а той, що віддав кисень, — відновленим (правильніше — дезоксигемоглобін).

1 г гемоглобіну може зв'язати 1,36 мл газоподібного О₂ (при атмосферному тиску). Враховуючи, наприклад, що в крові людини міститься приблизно 15% гемоглобіну, 100 мл його крові можуть переносити близько 21 мл О₂. Це так звана киснева місткість крові. Оксигенація гемоглобіну залежить від парціального тиску О₂ в середовищі, з яким контактує кров. Така залежність описується кривою дисоціації оксигемоглобіну.

Спорідненість гемоглобіну до кисню вимірюється величиною парціального тиску кисню.