Газообмен

Газообмен (в биологии; далее по тексту — «Г.») — это обмен газов между организмом и внешней средой. Из окружающей среды в организм непрерывно поступает кислород, который потребляется всеми клетками, органами и тканями; из организма выделяются образующийся в нём углекислый газ и незначительное количество других газообразных продуктов обмена веществ. Г. необходим почти для всех организмов, без него невозможен нормальный обмен веществ и энергии, а следовательно и сама жизнь^[en].

Газообмен у человека происходит в альвеолах легких и в тканях тела.

Рис. 1: Дыхательная система человека (здесь и далее нажмите на картинку для увеличения)

Кислород, поступающий в ткани живого организма, используется для окисления продуктов, образующихся в итоге длинной цепи химических превращений углеводов, жиров и белков. При этом образуются СО₂, вода, азотистые соединения и освобождается энергия, используемая для поддержания температуры тела и выполнения работы. Количество образующегося в организме и в конечном итоге выделяющегося из него СО₂ зависит не только от количества потребляемого О₂, но и от того, что преимущественно окисляется: углеводы, жиры или белки. Отношение удаляемого из организма СО₂ к поглощённому за то же время О₂ называется дыхательным^[en] коэффициентом, который равен примерно 0,7 при окислении жиров, 0,8 при окислении белков и 1,0 при окислении углеводов. Количество энергии, освобождающееся на 1 литр потребленного О₂ (калорический эквивалент кислорода), равно 20,9 кдж (5 ккал) при окислении углеводов и 19,7 кдж (4,7 ккал) при окислении жиров. Таким образом, по потреблению О₂ в единицу времени и по дыхательному коэффициенту можно рассчитать количество освободившейся в организме энергии.

Рис. 2: Легочное дыхание (газообмен в легких): газообмен между воздухом и кровью происходит путем диффузии по разности концентраций газов. В мёртвом^[en] пространстве газообмен не идет. Венозная кровь превращается в артериальную.

Газообмен (соответственно и расход энергии) у пойкилотермных животных (холоднокровных) понижается с понижением температуры тела. Такая же зависимость обнаружена и у гомойотермных животных (теплокровных) при выключении терморегуляции (в условиях естественной или искусственной гипотермии); при повышении температуры тела (при перегреве, различных заболеваниях) Г. увеличивается.

При понижении температуры окружающей среды Г. у теплокровных животных (особенно у мелких) увеличивается в результате увеличения теплопродукции. Г. увеличивается также после приёма пищи, особенно богатой белками (т. н. специфически-динамическое действие пищи). Наибольших величин Г. достигает при мышечной деятельности. У человека при работе умеренной мощности Г. увеличивается, через 3 — 6 мин после её начала достигает определённого уровня и затем удерживается в течение всего времени работы на этом уровне. При работе большой мощности Г. непрерывно возрастает; вскоре после достижения максимального для данного человека уровня (максимальная аэробная работа) работу приходится прекращать, т. к. потребность организма в О₂ превышает этот уровень. В первое время после окончания работы сохраняется повышенное потребление О₂, используемого для покрытия кислородного долга, т. е. для окисления продуктов обмена веществ, образовавшихся во время работы. Потребление О₂ может увеличиваться с 200 — 300 ^мл/_мин в состоянии покоя до 2000 — 3000 при работе, а у хорошо тренированных спортсменов — до 5000 ^мл/_мин. Соответственно увеличиваются выделение СО₂ и расход энергии; одновременно происходят сдвиги дыхательного коэффициента, связанные с изменениями обмена веществ, кислотно-щелочного равновесия и лёгочной вентиляции.

Рис.3: Обмена газа в легких и тканях

Расчёт общего суточного расхода энергии у людей разных профессий и образа жизни, основанный на определениях Г., важен для нормирования питания. Исследования изменений Г. при стандартной физической работе применяются в физиологии труда и спорта, в клинике для оценки функционального состояния систем, участвующих в газообмене.

Сравнительное постоянство газообмена при значительных изменениях парциального давления О₂ в окружающей среде, нарушениях работы органов дыхания и т. п. обеспечивается приспособительными (компенсаторными) реакциями систем, участвующих в Г. и регулируемых нервной системой.

Г. у человека и животных принято исследовать в условиях полного покоя, натощак, при комфортной температуре среды (18 — 22 °С). Количества потребляемого при этом О₂ и освобождающейся энергии характеризуют основной обмен. Для исследования Г. применяются методы, основанные на принципе открытой либо закрытой системы. В первом случае определяют количество выдыхаемого воздуха и его состав (при помощи химических или физических газоанализаторов), что позволяет вычислять количества потребляемого О₂ и выделяемого СО₂. Во втором случае дыхание происходит в закрытой системе (герметичной камере либо из спирографа, соединённого с дыхательными путями), в которой поглощается выделяемый СО₂, а количество потребленного из системы О₂ определяют либо измерением равного ему количества автоматически поступающего в систему О₂, либо по уменьшению объёма системы:

Рис. 4: Схема аппарата для исследования газообмена: У — устройство для автоматической подачи кислорода; Б — сосуд с кислородом; К — камера; Х — холодильник; Щ — сосуд со щёлочью для улавливания углекислого газа; Н — насос; CaCl₂ — сосуд с хлористым кальцием для поглощения водяных паров; Т — термометр; М — манометр

Врач^[en], занимающийся болезнями органов дыхания: трахеи, бронхов, лёгких и плевры — пульмонолог (происходит от латинских слов: пульмоно- (легкие) + логос (учение)). К нему необходиом обращаться при наличии симптомов:

• кашель, особенно с мокротой;
• одышка;
• приступы удушья;
• боль в грудной клетке, связанная с дыханием.

В СССР^[en] вопросы пульмонологии освещали журналы:

• «Клиническая медицина»;
• «Терапевтический архив»;
• «Грудная хирургия»
• и др.

За рубежом выходило более 30 пульмонологических журналов:

• «The American^[ru] Review of Respiratori Diseases» (Bait., с 1917, до 1959 года назывался «The American Review of Tuberculosis and Pulmonary Diseases»);
• «British Journal of Diseases of the Chest» (L., с 1907, до 1959 назывался «British Journal of Tuberculosis and Diseases^[ru] of the Chest»);
• «Thorax» (L., с 1946), «Scandinavian Journal of Respiratory Diseases» (Kbh., с 1925);
• «Bronches» (P., с 1925);
• «Zeitschrift für Erkrankungen der Atmungsorgane mit Folia Bronchologia» (Lpz., с 1900)
• и др. (Л. Л. Шик)

Подробнее о газообмене читайте^[en] в литературе:

• Гинецинский А. Г., Лебединский А. В., Курс нормальной физиологии, Москва, 1956;
• Физиология человека, М., 1966, с. 134 — 56;
• Беркович Е. М., Энергетический обмен в норме и патологии, М., 1964;
• Проссер Л., Браун Ф., Сравнительная физиология животных, перевод с английского, М., 1967, с. 186 — 237.