Дыхание с точки зрения законов физики

Дыхание и курение с точки зрения физики Выполнили: Пархоменко Наталья, Стяжкина Сюзанна Руководитель: Филатова Н.О., к.п.н., учитель физики МОУ «Сибирский лицей» Томск 2010

Цель: изучение процесса дыхания человека с точки зрения физики и влияния курения на этот процесс. Задачи исследования: Рассмотреть процесс дыхания с позиции газовых законов. Рассмотреть способы измерения объема легких. Описать принцип действия и устройство спирометра – прибора для измерения объема легких. Сконструировать рабочую модель спирометра. Сконструировать устройство для демонстрации вредного влияния курения на легкие человека. Исследовать легкие учащихся спирометрическим методом. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Закон Дальтона где p1, р2, p3, pn—парциальные давления, производимые каждым газом, входящим в состав смеси. Парциальным давлением газа в смеси газов называется давление, которое этот газ создавал бы в отсутствие других компонентов смеси. p=p1 + p2 + p3+. +pn

Средние величины парциального давления газов (мм рт. ст.) в сухом вдыхаемом воздухе, альвеолах, в выдыхаемом воздухе и в крови при мышечном покое (средняя часть рисунка). Парциальное давление газов в венозной крови, оттекающей от почек и мышц (нижняя часть рисунка).

Изменение давления в легких при вдохе и выдохе Изотермический закон (Р0V0=P1V1) — вследствие образовавшегося перепада давлений происходит вдох.

МОДЕЛЬ ЛЕГКИХ Модель легких

СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМА ЛЕГКИХ С помощью формулы Дюбуа. т — масса тела в килограммах, L — длина тела, рост в метрах. Далее пользуются известной зависимостью, со­гласно которой на 1 м2 поверхности приходится у мужчин — 2,5 л, у женщин — 2 л полного объема легких. 2. Спирометрия. 3. Метод стандартов.

Зависимость экспериментальных значений от теоретических

Спирометрия Спирометрия (от лат. spiro — дую, дышу) — метод измерения жизненной ёмкости лёгких с помощью спирометра. Спирометрия предложена в 1846 году английским учёным Дж. Хатчисоном. Схема спирометра Хатчисона

Современный спирометр имеет турбинный принцип действия – в каркасе прибора расположен микропроцессор, соединенный с турбиной, которую приводит в движение воздух, выдыхаемый пациентом через специальный мундштук.

дыхательный объем легких – количество воздуха, которое пациент вдыхает и выдыхает; резервный объем вдоха – разница между спокойным и максимально глубоким вдохом; емкость вдоха – количество вдыхаемого воздуха от нормального выдоха до максимально глубокого вдоха; резервный объем выдоха – разница между спокойным и максимально возможным выдохом; жизненная емкость легких – разница между максимальным выдохом и максимальным вдохом. ПОКАЗАТЕЛИ СПИРОМЕТРИЧЕСОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

МОДЕЛЬ СПИРОМЕТРА Схема и модель поплавкового спирометра

Становись умнее

• Главная
• Реферат
• Физика
• Курение с точки зрения физики

Курение с точки зрения физики

здоровье физический курение

О вреде курения знают все. Приносимый сигаретами вред усиливается еще и от того, что люди его осознают, но продолжают курить.

Психологи пришли к мнению, что курение — «детское заболевание». Обычно оно начинается в раннем юношеском возрасте и особенно распространено среди тех, кто плохо учится, чувствует свою несостоятельность, не уверен в будущем, а также в среде, где курят родители и приятели. Многие подростки считают курящих сверстников сильными, дружелюбными и совсем взрослыми. Подростки, начавшие курить, как правило, имеют друзей, заядлых курильщиков, нередко оказывающих на них негативное влияние. В среде, где родители и друзья не курят, такая вероятность практически равна нулю.

В нашей школе тоже существует проблема курения, и мы хотим обратить на это внимание. Наш проект называется «Курение с точки зрения физики». Зная физические законы, объяснить вред курения, оказалось значительно проще.

Цель нашего проекта:

— изучить влияние курения на жизнь человека,

пропагандировать здоровый образ жизни.

показать вред, наносимый курением человеку и окружающей среде,

— провести физические исследования,

объяснить процессы с точки зрения физических законов,

— предложить способы, как бросить курить.

поделиться со сверстниками собственным опытом о том, как бросить курить.

1.Как воздействует курение на организм человека?

.1 Курение и органы дыхания

Табачный дым поступает в организм курильщика через органы дыхания. Компоненты, находящиеся в табачном дыме, раздражают слизистую оболочку дыхательных путей, вызывая ее воспаление. Появляется мучительный кашель. Голосовые связки, расположенные в дыхательных путях, также воспаляются, в результате голос приобретает грубый тембр, становится хриплым, а затем сиплым.

В легких при курении постепенно скапливаются табачный дым и сажа. Мучительный кашель травмирует ткани легкого, снижается их эластичность, накапливается слизь, происходит вздутие легких, значительно ослабевает дыхание.

.2 Курение и нервная система

При курении возникают изменения в нервной системе, обусловленные, прежде всего, действием никотина.

Никотин вызывает сильное возбуждение клеток коры головного мозга, но через некоторое время эти клетки, устав, затормаживаются, снижают свою деятельность.

Кроме того, углекислый газ, соединяясь с гемоглобином, лишает его возможности усваивать кислород и снабжать им органы и ткани. Нарушается питание головного мозга, следствием чего является ухудшение памяти, внимания, рост утомляемости, снижение общей эффективности работы. Появляется повышенная утомляемость глаз, ухудшается слух, снижается скорость чтения, увеличивается число совершаемых ошибок.

1.3 Курение и сердце

Воздействие табачных веществ на сердце сложно и многообразно: учащается пульс, повышается кровяное давление, увеличивается нагрузка на сердце, нарушается питание сердечной мышцы, что приводит к «возникновению тяжелых заболеваний сердца. Компоненты табачного дыма поражают сосуды, поэтому у курильщиков появляются головная боль, отеки и боль в нижних конечностях, ощущение тяжести при ходьбе.

.4 Курение и органы пищеварения

Табачный дым, воздействуя на органы пищеварения, вызывает раздражение слизистой оболочки полости рта. В результате этого появляется кровоточивость десен, трескается эмаль (защитный покров зубов), открывая доступ к проникновению микробов, в полость рта. Меняется цвет зубов. Губы сохнут, на них появляются трещины. Вредные вещества табачного дыма, растворяясь в слюне, попадают в желудок и вызывают раздражение слизистой оболочки. Развиваются гастрит, язвенная болезнь. Увеличивается вероятность возникновения раковых заболеваний.

По сравнению со взрослыми организм ребенка не имеет достаточно устойчивых и сильных восстановительных механизмов. От действия табачных веществ его организм менее защищен.

Курящие школьники отстают в физическом и умственном развитии. Курящие ученики в сравнении с некурящими более нервны, рассеянны, чаще не успевают в учебе. Особенно это заметно среди школьников 11-18 лет, так как чем раньше начинает курить ребенок, тем его организм оказывается для табачных веществ более ранимым, а наносимый курением ущерб более выраженным, в особенности для организма девочки, будущей матери.

Таким образом, если составить портрет курильщика с длительным стажем, то он будет выглядеть следующим образом. Цвет кожи приобретает землистый опенок, зубы темнеют, появляется постоянный запах изо рта, голос становится осипшим, работоспособность снижается, ослабевают внимание, слух и зрение. Появляются кашель, одышка, снижается аппетит. Часто возникают различные заболевания, приводящие к ослаблению защитных сил организма. Такой человек не способен в полной мере реализовать свои планы. Он становится зависимым от процесса курения, так как его организм уже не может обходиться без определенной дозы никотина. Из сильной личности человек превращается в раба своей привычки.

.Курение и окружающая среда

Курильщик портит жизнь не только себе, но и окружающим. Курение портит Земную атмосферу и окружающую среду. Вот несколько известных фактов.

· Курильщики ежегодно выкуривают, т.е. выбрасывают в атмосферу 720т синильной кислоты, 384 000т аммиака, 108 000т никотина, 600 000 т дёгтя и более 550 000 т угарного газа;

· Общая масса окурков на Земле за год составляет 2 520 000 т;

· Табачный дым, окутывающий Землю, задерживает ультрафиолетовые лучи;

· В среднем 25% всех видов веществ, содержащихся в табаке, сгорает и разрушается в процессе курения, 50% уходит в окружающую среду, 20% попадает в организм курильщика и только 5% остается в папиросе или фильтре сигареты.

· Главный поток дыма, вдыхаемый курящим, составляет при курении сигарет без фильтра 32%, а с фильтром — 23% общего количества дыма. Большая часть дыма выделяется в окружающую среду, где его вдыхают некурящие — так называемые пассивные курильщики.

· Имеются данные о том, что от 55 до 70% табака в сигаретах сгорает между затяжками, что и служит источником для образования побочного потока дыма и пепла.

.Маму не проведёшь, или диффузия и курение

Когда мы изучали тему «Диффузия», нам задали вопрос: Как родители могут узнать, курят их дети или нет? Мы придумали самые разные способы и пришли к простому выводу: благодаря диффузии табачный дым хорошо смешивается с воздухом и проникает всюду: в одежду, волосы, легкие, живые ткани, кровь, лимфу, мозг, рассеивается в помещении. Запах табачному дыму придает никотин, являющийся одним из сильных растительных ядов, которые действуют не только на низших, но и на высших животных.

Ещё несколько хорошо запоминающихся факторов:

— Если пиявка присосётся к коже страстного курильщика, она тотчас отваливается и в судорогах умирает от отравления;

— Если в помещении много табачного дыма, в аквариумах с искусственным продуванием воздуха наблюдались случаи отравления рыбок: виновник — никотин;

Ядовитые свойства никотина используются в сельском хозяйстве: он один из главных компонентов многих препаратов для защиты растений от вредителей;

— Лабораторные анализы показывают, что в 1 литре молока курящей матери может содержаться до 0,5 мг никотина;

— Смертельная же доза никотина для младенца первых месяцев жизни — 1 мг.

3.1 Курильщику о зубной боли или тепловое расширение тел

Почему зубные врачи не рекомендуют есть и пить холодное после горячего и наоборот? Зубная эмаль разрушается при смене температуры в результате теплового расширения. Можно провести аналогию с курением. Температура табачного дыма на 35 -40 0 С выше температуры воздуха, поступающего в рот при курении, что вызывает во рту довольно резкий перепад температур. Во время курения одной сигареты происходит 15 -20 таких перепадов, что плохо отражается на состоянии зубной эмали: она трескается. Поэтому, зубы начинают разрушаться раньше и быстрее у курящих людей, чем у некурящих.

3.2 Степень риска, или конденсация и курение

Рассматривая вопрос о конденсации нам сообщили: в газовой фракции табачного дыма находится дёготь, который при охлаждении переходит в жидкое состояние, т.е. конденсируется. При этом он оседает на пальцах рук, зубах, стенках воздухоносных путей, лёгких, попадает в желудок. При выкуривании одной пачки сигарет курильщик производит около 1 г. жидкого дегтя.

Проследим, какие последствия вызывает наличие дёгтя в организме человека. Оседая на зубах, он окрашивает их в жёлто-коричневый цвет. Попадая на ткань слизистой оболочки, деготь вызывает кашель и обильное мокротоотделение. Накапливаясь на лёгочной ткани, создаёт предпосылки для смертельного заболевания — рака легких; проглоченный вместе со слюной, попадает в желудок, увеличивая степень риска получить рак желудка. Учёные, изучающие проблему рака лёгких, пришли к заключению, что лица, выкуривающие более 20 папирос в день, заболевают раком лёгких в 20 раз чаще, чем не курящие

.3 Сигарета и выхлопные газы неисправного автомобиля

Более половины всех загрязнений атмосферы создает транспорт своими выхлопными газами. При сгорании видов топлива с выхлопными газами в атмосферный воздух поступают азотные соединения, угарный газ, свинец, газообразные и твердые продукты неполного сгорания топлива.

— Угарный газ опасен для жизни: проходя через легкие, он всасывается в кровь, затем вступает в реакцию с гемоглобином — пигментом красных кровяных телец, который снабжает организм кислородом. Как только угарный газ соединяется с гемоглобином, кровяные клетки уже не способны выполнять свои функции по транспортировке по организму кислорода. Наступает кислородная недостаточность. При больших поступлениях в организм угарного газа человек умирает.

— Общий показатель токсичности табачного дыма в 4,5 раза превышает токсичность выхлопного газа автомобиля. Выкуривание только одной сигареты по действию на организм приблизительно равно нахождению вблизи крупной автомагистрали на протяжении 16 ч!

— Пребывание некурящего в течении 1 часа в закрытом накуренном помещении равносильно тому, что он выкурил 4 сигареты.

— Систематическое курение вызывает сужение капиллярных сосудов, в том числе в сердце; последнее нарушает нормальное питание сердечной мышцы, а это в свою очередь, способствует развитию ишемической болезни. Что это о заболевание помогает понять словарь: «ишемия» — греческое слово, означает «задерживающий кровь»;

.4 Прокуренный голос, или услышь себя

Когда про человека говорят, что у него «прокуренный голос», тем самым уже предполагают, что причина этой особенности — курение. Действительно, хроническое раздражение голосовых связок табачным дымом ведёт к тому, что голосовая щель сужается, голос утрачивает чистоту и звучность, становится хриплым, меняется его тембр, создающий «окраску» произносимым словам. При проверке слуха новейшей электронной аппаратурой выяснилось, что у курильщиков слух значительно хуже, и вот почему: под действием никотина барабанная перепонка утолщается и втягивается вовнутрь, подвижность слуховых косточек уменьшается.

Было спланировано анкетирование среди учащихся 7 и 10 класса по вопросу курения.

Для этого была составлена анкета из вопросов, требующих простого несложного ответа.

Проводилось анонимное исследование, поэтому данная анкета была предложена всем учащимся. Так как анкетирование проводилось анонимно, поэтому ответы в большинстве случаев соответствуют действительности.

В течение недели было опрошено 141 человек учащихся 7 и 10 классов. Анкеты были обработаны и произведен подсчет ответов. Данные были внесены в таблицы и разбиты по группам.

По результатам анализа собранного материала были сделаны выводы и составлены рекомендации для дальнейшего исследования.

Курящие имеют различный стаж курения, но в основном это от 1 раза до 5 лет. Курение родителей значительно повлияло на здоровье их детей.

Результаты анкетирования представлены в следующих диаграммах.

Вывод по анкетированию. Учащиеся нашей школы курят. Особенно волнуют семиклассники. Необходимо проводить наглядную разъяснительную работу среди учащихся и их родителей. Рассказывать о вреде курения нужно не только на уроках ОБЖ, биологии, но и физики и химии.

Мы провели ряд физических опытов, демонстрирующих процесс курения.

Опыт 1. В раствор гидрокарбоната натрия добавим несколько капель фенолфталеина, раствор станет малиновым (гидролиз). К малиновому раствору добавляем фильтры от выкуренных сигарет. Окраска исчезает.

В выкуренных сигаретах на фильтрах осели: пропионовая, уксусная, муравьиная, синильная кислоты. Они нейтрализовали щелочной раствор. При курении эти кислоты раздражают слизистую оболочку дыхательных путей.

Опыт 2. Через малиновый раствор гидрокарбоната натрия пропускаем дым от сигареты, малиновая окраска исчезает, в пробирке появляется маслянистая буроватая плёнка смолы, никотина, эфирных масел — сердечные яды. Их определяют по резкому запаху (дать понюхать) — так пахнет изо рта курильщика! Никотин легко всасывается слизистой рта и носа, проникает в кровь и оказывает разрушающее действие, т.к. является сильным ядом.

Опыт 3. Сравнить два фильтра от целой и выкуренной сигареты (коричневый цвет — значит , есть смолы и никотин). Часть никотина откладывается в альвеолах лёгких и разрушает их. Наполняем резиновый шарик дымом. Затем выдавливаем дым из него. Дым полностью не удаляется, как и из альвеол лёгких.

Опыт 4. В нашем организме образуется оксид углерода (IV), который мы выдыхаем. Его избыток вредно действует на наше самочувствие. Если в воздухе О, 1% углекислого газа, то он не пригоден для дыхания.

Через стеклянную трубку в пробирку с гидроксидом кальция и фенолфталеином продуваем углекислый газ. Раствор обесцвечивается и помутнеет. В табачном дыме его 6-9%, что в 90 раз превышает допустимую норму. И в 200 — 300 paз превосходит содержание углекислого газа в чистом воздухе. Там есть и другие вредные и ядовитые газы: угарный газ, сероводород, аммиак, метан.

Опыт 5. Положить в колбу два куска ваты, вставить пробку с двумя стеклянными трубочками. Пропускать через одну трубочку в колбу сигаретный дым. Вата от никотина и смолистых веществ темнеет. Тоже происходит в организме человека .

Опыт 6. Через кровь от печени пропускаем табачный дым. Кровь темнеет и частично свёртывается. Это же происходит в организме человека.

ВЫВОД. Табачный дым содержит яды — эфирные масла, смолы, никотин, кислоты и мельчайшие частицы угля.

Вывод по экспериментальной части.

Предложенные опыты как нельзя лучше демонстрируют тот вред, который может нанести курение любому человеку. Эти эксперименты необходимо проводить на уроках физики и химии. Фотографии, сделанные во время экспериментов, также могут быть продемонстрированы учащимся. Предлагаем оформить выставку фотографий в кабинете физики.

Существуют мифы о курении. Мы в своем реферате пытались опровергнуть эти мифы.

Миф первый : Курево успокаивает нервы и спасает от стрессов.

На самом деле компоненты табака (смолы, никотин, дым и т.д.) не расслабляют, а просто «тормозят» важнейшие участки центральной нервной системы. Зато, привыкнув к сигарете, человек без неё уже расслабиться не может. Получается замкнутый круг: и возникновение и прекращение стресса зависят от курения.

Миф второй : Курящие люди дольше сохраняют стройную фигуру. Во-первых, кругом полно дымящих толстяков. Во-вторых, притупляя сигаретой чувство голода, вы провоцируете развитие гастрита и язвенной болезни желудка. В-третьих, худеть с помощью курения — это всё равно, что привить себе инфекционную болезнь и «таять на глазах от неё».

Миф третий : На морозе сигарета согревает. Табачный дым действительно создает кратковременный согревающий эффект, поскольку содержащиеся в нем яды сужают сосуды, увеличивают частоту пульса и повышают кровяное давление. Стоит ли так «греться», чтобы получить взамен как минимум гипертонию?

Миф четвертый : Сигареты с пометкой «лёгкие» не так вредны, как обычные. Увы, это не так. Постоянно используя легкие сигареты, курильщики затягиваются чаще и глубже, что впоследствии может привести к заболеванию раком не самих легких, а так называемой легочной периферии — альвеол и малых бронхов.

Миф пятый : Столько людей в мире курят, и ничего — живут. ЖИВУТ, но как? Молодые до болячек, связанных с курением, просто еще не дожили, а пожилые скорее лечатся, чем живут полноценной жизнью. Сегодня доказана прямая зависимость между курением и раком легких. Табачный дым разрушает ген р53, подавляющий развитие рака. К тому же курильщики чаще страдают от язвы желудка и сердечнососудистых заболеваний. Курение также нередко приводит к хроническому бронхиту.

. Рекомендации курящим «КАК БРОСИТЬ КУРИТЬ»

1. Поверьте в себя. Поверьте, что вы можете бросить. Вспомните самые сложные вещи, которые вы делали и осознайте, что у вас есть сила воли и решимость бросить курить. Все зависит от Вас.

2. Изложите на бумаге причины, по которым Вы хотите бросить курить (преимущества жизни без курения): жить дольше, чувствовать себя лучше, для своей семьи, сберечь деньги, пахнуть лучше, легче найти пару, и т.д. Вы знаете, что плохого в курении и что Вы приобретете бросив. Запишите все на бумаге и читайте ежедневно.

. Попросите свою семью и друзей поддержать Вас в Вашем решении бросить курить. Попросите их о полной поддержке и терпимости. Поставьте их в известность заранее, что Вы, возможно, будете раздражительным даже раздражающим во время расставания с этой вредной привычкой.

. Назначьте дату окончания курения. Решите, в какой день Вы расстанетесь с сигаретами навсегда. Запишите эту дату. Спланируйте ее. Подготовьте свой мозг к «первому дню Вашей новой жизни». Вы даже можете провести небольшую церемонию по поводу Вашей последней сигареты или утра дня отказа от курения.

. Попробуйте «завязать» — бросить курить раз и навсегда. Многие курильщики проверили на себе, что единственный способ расстаться с сигаретами — бросить резко и полностью, без попыток уменьшить количество выкуриваемых сигарет.

Целью нашего исследования стала проблема курения, прежде всего волнуют курящие семиклассники. С помощью наших исследований мы показали влияние табачного дыма на организм человека и окружающую среду, объяснили с точки зрения физики, как курение вредит человеку и окружающей среде, провели анкетирование учащихся нашей школы. И узнали, что наши сверстники курят, и говорят что это безболезненно для человека. Но это не так!

Многие пробуют курить потому, что курят их друзья или их просто попробовать стать быстро «взрослым». Некоторые хотят казаться сильными, крутыми и независимыми внешне, при этом оставаясь слабыми и зависимыми. Многие бросили бы курить, но они думают, что не нравится курение только им и это признак слабости. Но слабость не в этом, слабость в неспособности бросить то, что не нравится, а значит и вредит здоровью.

Мы дали рекомендации, как бросить курить, и поделились личным опытом. Мы раньше сами курили, но бросили, поняв, что в мире есть другие радости.

Просто запретить, людям курить, наверное, невозможно, а вот убедить бросить курить можно.

Запомни: человек не слаб,

Рождён свободным. Он не раб.

Сегодня вечером, как ляжешь спать,

Ты должен так себе сказать:

«Я выбрал сам себе дорогу к свету

И, презирая сигарету,

Не стану ни за что курить.

Я — Человек! Я должен жить!».

Репетиторство

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Интегрированный урок (биология + физика) по теме «Дыхание – это жизнь». 8-й класс

Цель урока: расширить и закрепить функции органов дыхания в соответствии с законами физики, которые едины для органического и неорганического мира.

Раскрыть физические закономерности процессов голосообразования, механизмов вдоха и выдоха, легочного и тканевого газообмена.

Развивать умения применять законы физики для объяснения физиологических процессов в организме

Воспитывать у обучающихся стремление вести здоровый образ жизни.

Оборудование: компьютер, проектор, презентация, 2 воздушных шара, измерительная лента

I. Организационный момент:

Сообщение темы, цели, задач.

II. Актуализация опорных знаний в форме диалога о строении органов воздухоносного пути и строении лёгких в процессе изучения темы урока.

Учитель биологии. Без пищи и без воды человек может жить несколько дней, а без воздуха человек не выдержит и десяти минут. Воздух поступает в организм в процессе дыхания.

(3 слайд) “Пока дышу, надеюсь” – сказал римский поэт Овидий. Откройте тетради, напишите тему урока.

(4 слайд) Что такое дыхание? Найти ответ поможет загадка. Топится печка, а огня нет. Куда воздух входит, оттуда и дым выходит. Что это такое? (Кто это?)

(5 слайд) Это человек! Лёгкие человека – это очаг печки. Воздухоносный дыхательный путь – труба печки. Клетки организма человека – кирпичики печки. Кирпичики печки всегда тёплые, потомучто в них идёт процесс горения (биологического окисления).

Так что такое дыхание?

(6 слайд) Дыхание – это совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода, использование его в биологическом окислении органических веществ и удаление из организма углекислого газа.

(7 слайд) Перечислите воздухоносные пути.

(8 слайд) Почему так важно дышать носом? (Ответы обучающихся)

(Cлайд 9) “При дыхании носом мы получаем на 15% больше кислорода, нежели дыша ртом”. Если бы мы научили всех детей дышать носом, то одно поколение правильно дышащих людей возродило бы человечество. (Йог Рамачарака)

(Слайд 10) В дыхательном пути особое место занимает гортань. Почему? Каковы функции гортани? Какие органы участвуют в голосообразовании? (Ответы детей).

(Слайд 11) А что такое звук с точки зрения физики? Учитель физики. Ребята, все вы слышали звуки, которые издают при полете комар и муха. Чем они отличаются? (комар – пищит, а муха – жужжит, то есть звук, издаваемый мухой более низкий). А как вы думаете, из-за чего муха жужжит при полете? (она летит благодаря взмахам крылышек вверх-вниз, т.е. совершает колебания, но по сравнению с комаром не так часто). То есть, звук идет по воздуху от места колебания за счет взаимодействия молекул воздуха. Комар маленькими крылышками колеблет чаще, получается более высокий звук; у мухи крылья больше – колебания реже, т.е. частота колебания меньше – звук ниже. Частота колебаний измеряется в герцах. Далее опыт со струной. Звук возникает в голосовой щели в результате сопротивления сомкнутых голосовых складок давлению выдыхаемого воздуха, что вызывает их колебание. Пропустив порцию воздуха, складки снова смыкаются в силу эластичности, затем цикл повторяется. В результате возникают периодические порывы (толчки) воздуха, т. е. звуковые колебания определённой частоты. Частота колебаний воспринимается как высота звука.

(Слайды 12-13) Учитель биологии. Из гортани через трахею и бронхи воздух поступает в лёгкие. Какие мышцы обеспечивают вдох? Дыхательные движения происходят благодаря работе дыхательных мышц. Найдите в тексте учебника каковы механизмы процесса вдоха и выдоха. (В процессе беседы выясняется механизм дыхательных движений). Почему легкие, не имея мышц, следуют за движением грудной клетки? Что такое атмосферное давление? Обратимся за помощью к науке физике.

Учитель физики. Легкие окружены и защищены двухслойной оболочкой плевры. Между ее слоями имеется узкий просвет или плевральная полость, содержащая небольшое количество жидкости. Как вы думаете, для чего эта жидкость? (Жидкость служит смазкой, не допускающей трения легких о грудную клетку при каждом вдохе). Почему, если плевра пострадает при ранении, человек погибает почти сразу? (Внутри плевры давление всегда гораздо ниже атмосферного, поэтому под действием атмосферного давления в нее устремится воздух, чтобы сравнятся с наружным давлением и следующий вдох невозможен). А что такое атмосферное давление? (Ответ дают дети)

(Слайд 14) Пока давление внутри плевральной полости остается ниже атмосферного, размеры легких точно следуют за размерами грудной полости. При сокращении межреберных мышц и диафрагмы, объем грудной клетки увеличивается, что ведет к расширению легких, так как легкие следуют вслед за движением грудной клетки, давление в легких уменьшается и становится ниже атмосферного. Из-за разности давлений воздух устремляется в легкие. Происходит вдох.

Затем дыхательные мышцы расслабляются и лёгкие, имея массу, под действием силы тяжести возвращаются в положение, предшествующее вдоху. Происходит выдох.

(Слайд 15) Учитель биологии. Почему диафрагму называют “вторым сердцем” человека?

Диафрагма, подобно куполу парашюта, полностью покрывает внутренние органы брюшной полости, отделяя её от грудной клетки. При дыхании животом, при глубоком вдохе и выдохе, диафрагма приводит к улучшению кровообращения во внутренних органах, ликвидируя венозный застой. Поэтому диафрагму называют “вторым сердцем” человека.

Учитель физики. При спокойном вдохе и выдохе дыхательный объем лёгких составляет 500-600 мл. Мы же измерим жизненную емкость легких. К доске приглашаются 2 мальчика и 2 девочки.

Для определения ЖЕЛ мальчик и девочка делают самый глубокий вдох, и как можно глубже – выдох в воздушный шарик и закрутят его. Затем измерительной лентой определяем длину окружности. По формуле рассчитаем объем: V=4/3ПR?; L=2ПR; R=L/2П; V=L?/6П?. (Считают за партой самостоятельно, затем проверить).

Получилось, что ЖЕЛ мальчика больше, чем у девочки. Это не случайные результаты, а закономерность, которую вы объясните вместе с учителем биологии.

Учитель биологии. Анатомическое строение грудной клетки юноши и девушки различны. Скелет плечевого пояса юноши шире, чем у девушки, и объём грудной клетки юноши больше от природы. Значит, больше и дыхательный объём, и ЖЕЛ.

Учитель физики. Решим задачу. (Работа у доски по желанию).

Задача 1: Сколько воздуха израсходует на дыхание наш класс за урок, если один человек делает в среднем 16 вдохов в минуту, забирая с каждым вдохом 500см? воздуха?

Задача 2: Объем воздуха, поступающего при вдохе, около 2 литров. Плотность воздуха – 1,29кг/м?. Сколько молекул участвуют в нашем вдохе, если молярная масса воздуха – 0,029кг/моль?

Оценивается решение задач у доски.

(Слайд 16-17) Учитель биологии. Какова судьба воздуха в лёгких? Как строение лёгких взаимосвязано с выполняемой функцией?

Стенки альвеол и кровеносных капилляр образованы из одного слоя эпителиальных клеток, что обеспечивает газообмен между альвеолярным воздухом и венозной кровью за 0,8 секунды. Внутренняя поверхность альвеол выстлана тонким слоем поверхностно активного вещества сурфактантом. Это вещество увеличивет поверхностное натяжение стенок альвеол.

(Запись в тетради) Сурфактант – это вещество, которое тонким слоем выстилает альвеолы изнутри и не даёт альвеолам спадаться.

Учитель биологии. При дыхании количество кислорода в легких уменьшается, а углекислого газа увеличивается. Кислород из воздуха, находящегося в альвеолах, переходит в кровь, а углекислота переходит из крови в альвеолярный воздух. Почему и как это происходит? Чтобы объяснить этот процесс, мы должны обратиться к физике, потому что переход газов из окружающей среды в жидкость и из жидкости в воздух подчиняется физическим законам.

(Слайд 17– 18) Учитель физики.

Воздух представляет собой смесь газов, в которую входят азот, кислород, углекислый газ, аргон и другие газы. Воздушная масса атмосферы оказывает на нас давление, равное примерно 760 мм. рт. ст. В смеси газов каждый газ оказывает независимое давление, которое называют парциальным давлением данного газа. Согласно законам физики, если две жидкости разделены проницаемой для газов мембраной, то газы будут диффундировать (диффузия – проникновения молекул одного вещества между молекулами другого), от места большего давления к месту меньшего до тех пор, пока не установится динамическое равновесие – равенство прямого и обратного потоков газов. Условия для газообмена в легких настолько благоприятны, что данный процесс приводит к равновесному состоянию примерно за 1 с. Смотря по таблице можно ответить куда идет диффузия. Газообмен в тканях протекает по тем же физическим законам.

Как происходит процесс дыхания с точки зрения физики Дыхание, работа лёгких. — презентация

Презентация была опубликована 5 лет назад пользователемНаталья Горохова

Похожие презентации

Презентация на тему: » Как происходит процесс дыхания с точки зрения физики Дыхание, работа лёгких.» — Транскрипт:

1 Как происходит процесс дыхания с точки зрения физики Дыхание, работа лёгких

2 Лёгкие человека Легкие — парный дыхательный орган, располагаются в грудной клетке, состоящей из ребер, отходящих от позвоночника сзади и заканчивающихся у грудины спереди. К ребрам прикреплены межреберные мышцы и хрящи, участвующие в дыхательных экскур­сиях. Куполообразная мышца диафрагмы лежит в основании этой, напоминающей по форме улей, клетки, сквозь которую проходят пищевод, аорта и нижняя полая вена.

3 Что такое дыхание? Мышцы грудной клетки расширяют ее, увеличивая объем легких, создавая в них некоторое разряжение воздуха, и воздух начинает в них поступать, ведь давление внешнее больше, чем давление внутри легких.

4 Частота дыхания здорового взрослого человека в состоянии покоя составляет 12 раз в 1 мин; ребенок дышит в два раза чаще. Объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха при спокойном дыхании составляет 500 мл (дыхательный объем). Из него только 350 мл участвует в газо­ обмене, а 150 мл, находящиеся в носоглотке, трахее и крупных бронхах, составляют воздух «мертвого пространства». Жизненная емкость легких — важный функциональный показатель, составляющие его объемы приведены ниже. Даже после самого глубокого выдоха в легких остается немного воздуха, придающего им воздушность.

5 Модель работы лёгких Отрежьте дно у пластиковой бутылки. Натяните на горлышко бутылки воздушный шарик и пропихните его внутрь бутылки. Отрезанную часть бутылки затяните пленкой от другого воздушного шарика. Пленку закрепите.

6 При оттягивании пленки объем воздуха внутри бутылки увеличивается, давление уменьшается и становится меньше атмосферного: шарик надувается. При надавливании на нижнюю пленку объем воздуха в бутылке уменьшается, давление становится больше атмосферного, шарик сдувается.

7 Резиновая пленка имитирует диафрагму, воздушный шарик — легкие. Диафрагма опускается — вдох, диафрагма поднимается — выдох.

Лекция 13. Физиология дыхания

Кислород, являющийся конечным акцептором электронов в дыхательной цепи, необходимо доставить в организме к каждой клетке. У животных выработались системы внешнего дыхания, функцией которых и является газообмен. В курсе зоологии получены исчерпывающие сведения на этот счет.

Дыхание – это совокупность процессов и механизмов, обеспечивающих потребление кислорода и выделение избытка углекислого газа организмом, и направленных на поддержание газового гомеостазиса.

Функции и этапы дыхания.

Функции системы дыхания

1.газообмен между клетками организма и окружающей средой

2.выделение летучих соединений

С точки зрения физики газообмен происходит с использованием конвекции (перемещение молекул на большие расстояния с током воздуха и крови) и диффузии (движение газов по градиенту парциального давления на небольшие расстояния).

Этапы (стадии) дыхания

1.Газообмен между внешней средой и альвеолярным воздухом (конвекция)

2.Газообмен между альвеолярным воздухом и кровью (диффузия)

3.Транспорт газов кровью по малому и большому кругу кровообращения (конвекция)

4.Газообмен в тканях (диффузия)

5.Клеточное дыхание (изучает биохимия)

Газообмен в легких происходит благодаря ритмичным дыхательным движениям, инспирации (вдох) и экспирации (выдох). Длительность фазы вдоха и выдоха при различных нагрузках на организм меняется, поэтому введено понятие о паттерне дыхания.

Паттерн дыхания – это совокупность объемных и временных параметров, характеризующих структуру дыхательного цикла и легочную вентиляцию в целом.

1.Количество дыхательных циклов в 1 минуту. Частота дыхания.

2.Длительность одного дыхательного цикла.

3.Длительность инспираторной и экспираторной фазы.

4.Дыхательный объем или глубина дыхания.

5.Легочная вентиляция (минутный объем дыхания)

нормопноэ, или нормопноическое дыхание, (12-16 дыхательных циклов в мин);

тахипноэ (частое, но неглубокое дыхание, более 20 циклов в минуту);

брадипноэ (медленное, глубокое дыхание, менее 8 вдохов-выдохов в минуту

Рабочее гиперпноэ может наблюдаться при мышечной нагрузке.

Необходимую для организма интенсивность альвеолярной вентиляции можно обеспечить при различных паттернах дыхания, частоты и глубины его.

Чем больше дыхательный объем, тем большее усилие необходимо приложить для преодоления эластичной тяги легких, т.е. при таком дыхании большая нагрузка ложится на вдыхательные мышцы. С другой стороны, при частом поверхностном дыхании нагрузка на дыхательную мускулатуру возрастает из-за сопротивления току воздуха в воздухоносных путях.

При физиологической одышке может быть частое поверхностное дыхание, встречается такой паттерн дыхания при повышенной температуре воздуха и гипертермии. Газообмен в этом случае происходит только в пределах мертвого пространства, отчего обмен кислорода и диоксида углерода в альвеолах снижен.

Кроме указанных, различают понятия гиперпноэ и гипервентиляция легких, в первом случае газообмен в альвеолах нормален, во втором происходит «вымывание» СО₂из альвеол, и из крови, наступаетгипокапния.При гиповентиляции наблюдаетсягиперкапния, избыток углекислоты в крови или альвеолярном газе.

Недостаток кислорода обозначается как гипоксия, недостаток кровоснабжения в тканях –ишемия.

Дыхательные движения обеспечиваются работой дыхательных мышц.

Исполнительными (эффекторными) образованиями системы дыхания у человека являются инспираторные и экспираторные мышцы. При сокращении инспираторных мышц объем грудной клетки увеличивается за счет поднятия ребер и уплощения диафрагмы. Основные инспираторы – наружные межреберные мышцы и диафрагма. При вдохе межреберные мышцы подтягивают нижележащие ребра вверх, диафрагма опускается книзу. При глубоком вдохе дополнительно в акт включаются грудино-ключично-сосцевидная и трапециевидная мышцы.

Основные экспираторы – внутренние межреберные мышцы, вспомогательные – мышцы живота. Они способствуют опусканию ребер, а также способствуют пассивному смещению диафрагмы при выдохе.

Грудная клетка герметична. С внутренней стороны она выстлана париетальной плеврой. Между тканью легкого (покрытой висцеральной плеврой) и париетальной плеврой имеется плевральная полость, заполненная плевральной жидкостью.

Клетки париетальной плевры фильтруют до 300 мл плевральной жидкости в час. Висцеральная плевра эту жидкость адсорбирует, причем более активно, чем она секретируется. Этим создаются условия для отрицательного (относительно атмосферного) давления в плевральной полости.

Ткань легкого эластична и стремится занять как можно меньший объем. Поэтому растяжение легких происходит за счет распирающего давления атмосферы, атмосферное давление прижимает легкие к париетальной плевре. Нарушение герметичности грудной клетки носит название пневмоторакса.

Таким образом, периодические экскурсии грудной клетки «затягивают» дыхательную порцию воздуха в трахею и далее в легкие, при условии отрицательного давления в плевральной полости.

Воздухопроводящий путь включает носоглотку, трахею, бронхи, 23 поколения которых составляют бронхиальное дерево.

Кондуктивную зону с общим объемом 130-180 мл состаляют первые 16 поколений бронхов, это анатомическое мертвое пространство, названное так потому, что здесь газообмен с кровью не происходит.

Транзиторная зона, 17-19 ветвления бронхов, может содержать альвеолярные ходы.

Респираторная зона бронхиального дерева включает 20-23-е разветвления бронхов. Бронхи образуют альвеолярные бронхиоли и альвеолы.

Функциональной единицей легких являются дольки. Наиболее мелкие бронхиоли входят в дольку и делятся здесь на 12-18 концевых бронхиолей, те образуют альвеолярные бронхиоли и ацинусы, состоящие из альвеол. Число альвеол у человека варьирует от 300 до 700 миллионов. Общая поверхность доходит до 100-130 кв. метров. Альвеолы густо оплетены капиллярами, куда поступает венозная кровь из легочных артерий, а оксигенированная кровь затем отводится из легочного круга кровообращения по легочным венам в левое предсердие.

Особенности нормальной легочной циркуляции крови заключаются в том, что она обладает низким сосудистым сопротивлением и способна аккумулировать весь минутный объем кровотока, создаваемый правым желудочком сердца. Давление в легочной артерии в фазу систолы равно 20-30 мм рт.ст. Объем крови в легких может составлять до 28% от всей циркулирующей в организме. Только за счет емкостных свойств легочные сосуды могут воспринимать весь кровоток, повышающийся при физической нагрузке, без изменений давления.

Альвеолярный эпителий (респираторный) на поверхности покрыт вырабатывающимся в нем специальным веществом фосфолипопротеиновой природы – сурфактонтом. Пленка сурфактанта уменьшает поверхностное натяжение альвеолярной стенки, что препятсвует слипанию альвеол. Сурфактант постоянно вырабатывается разновидностью эпителиальных клеток – гранулярными пневмоноцитами под контролем блуждающих нервов.

В условиях покоя человек дышит так, что используется только часть всего объема легких, поэтому всегда есть резерв для дополнительного вдоха и выдоха. Но даже при самом глубоком дыхании в легких остается определенное количество воздуха, составляющее остаточный объем.

Общая емкость легких=резервный объем вдоха (2,5 л)+дыхательный объем (500-700 мл)+ резервный объем выдоха (1,5 л) + остаточный объем (1,5 л) =3,5…6 л.

Дыхательный объем – объем воздуха, который входит в легкие при каждом спокойном вдохе и выходит при спокойном выдохе.

Резервные объемы вдоха и выдоха – объемы воздуха, которые человек может произвольно вдохнуть и выдохнуть сверх дыхательного объема.

Жизненная емкость легких – количество воздуха, которое может выдохнуть человек после глубокого вдоха. Она равна сумме дыхательного объема, резервных объемов вдоха и выдоха.

Легочная вентиляция всегда находится в точном соответствии с текущими метаболическими потребностями организма. Увеличение вентиляции происходит как за счет роста дыхательного объема, так и увеличением частоты дыхания.

Не весь воздух, поступающий в легкие, участвует в газообмене, анатомическое мертвое пространство соответствует (в мл) цифре удвоенной массы тела. Функциональное мертвое пространство дополнительно снижает степень газообмена.

Газ в альвеолах имеет постоянный состав, обусловленный буферными функциями мертвого пространства, где воздух увлажняется и нагревается.

В условиях покоя оптимальным является дыхание через нос, хотя при этом сопротивление дыханию возрастает по сравнению с дыханием через рот.

При осуществлении дыхательных движений дыхательные мышцы совершают работу, затрачиваемую на преодоление внутренних и внешних сил. Работа дыхания складывается из энергозатрат на преодоление общего легочного сопротивления (эластичного сопротивления самой легочной ткани и грудной клетки) и преодоления сопротивления потоку воздуха в воздухоносных путях.

Минутному объему дыхания должен соответствовать минутный объем крови, протекающий по сосудам малого круга кровообращения. Вентиляционно-перфузионный коэффициент составляет 0,8-0,9, т. е. при альвеолярной вентиляции, равной 6 л/мин, минутный объем кровообращения может быть равным 7 л/мин.

В атмосфере Земли кислород составляет примерно 21%, или 1/5. Атмосферное давление на уровне моря 760 мм рт.ст. Значит, парциальное давление кислорода примерно соответствует 1/5 этой величины, 160 мм рт.ст., это предельная цифра содержания О₂ в естественных газовых смесях.

В воздухоносных путях воздух постепенно теряет скорость перемещения (конвекции). В респираторных бронхиолях и альвеолах большое значение приобретает диффузия газов. Газы перемещаются по градиенту парциального давления. В альвеолах, где и происходит, контакт альвеолярного газа с капиллярной кровью, напряжение кислорода Р_О2 составляет 103 мм рт.ст., а парциальное давление диоксида углерода Р_СО2 около 40 мм рт.ст. В выдыхаемом воздухе Р_О2 составляет 126 мм рт.ст., а Р_СО2 соответственно 16 мм рт.ст. В артериальной крови Р_О2 соответствует 95 мм рт.ст., в венозной Р_О2 равно 40 мм рт.ст. Р_СО2 артериальной крови соответствует 40 мм рт.ст., а венозной – Р_СО2 приближается к 46 мм рт.ст.

Вектор диффузии дыхательных газов

Парциальное давление, мм рт.ст.

Мертвое пространство (выдох)

Капилляры (венозная кровь)

Поэтому вектор диффузии кислорода постоянно направлен в сторону альвеол и капилляров, а углекислоты – в обратном направлении, из капилляров в атмосферу.

Перенос кислорода из альвеолярного газа в кровь и диоксида углерода из крови в альвеолярный газ происходит исключительно путем диффузии. Движущей силой диффузии диффузии служит градиент парциального давления каждого из газов по обе стороны аэрогематического барьера. Диффузия осуществляется в водной среде. В слое сурфактанта растворимость кислорода повышается.

Аэрогематический барьер состоит из слоя сурфактанта, альвеолярного эпителия, двух основных мембран, эндотелия капилляра и мембраны эритроцита.

Диффузионная способность легких для кислорода достаточно высока. Установлено, что на каждый миллиметр ртутного столба градиента парциального давления кислорода между альвеолярным газом и эритроцитом в кровь поступает путем диффузии 25 мл кислорода в минуту. Этого достаточно для того, чтобы за 0,8 с, что равно времени прохождения отдельным эритроцитом одного легочного капилляра, парциальное давление кислорода в нем успело выравняться с альвеолярным. Даже с большим запасом по времени, поскольку для выравнивания напряжения кислорода в эритроцитах с альвеолярным воздухом достаточно 0,25 с.

Поэтому, если кровоток в капиллярах легких повышается (возрастает линейная скорость движения эритроцитов) при физической нагрузке на организм, и время прохождения капилляров клетками уменьшается до 0,3 с, этого оказывается вполне достаточно для полного газообмена. Для диффузии из крови углекислого газа необходимо всего 0,1 с. Растворимость диоксида углерода в воде превышает этот показатель для кислорода в 25 раз.

Транспорт кислорода кровью.

Если животное имеет систему кровообращения, в крови имеется переносчик кислорода. В растворенном состоянии у человека в артериальной крови имеется только 2% кислорода.

Все пигменты – переносчики кислорода представляют собой металлорганические соединения, большинство содержит Fe, некоторые Cu.

Гемоглобины представляют собой железопорфирины (гем), связанные с глобином (белком). Гемоглобин у человека и млекопитающих всегда находится в специализированных клетках крови эритроцитах. Установлено более 90 типов гемоглобинов, отличающихся белковыми составляющими. Молекула гемоглобина состоит из нескольких мономеров, каждый из которых содержит один гем, соединенный с глобином. У человека гемоглобин содержит 4 таких мономера. Миоглобин содержит только 1 гем.

Гем в химическом отношении представляет собой протопорфирин, состоящий из 4 пиррольных колец с атомом железа в центре.

Оксигенация гемоглобина представляет собой обратимое присоединение кислорода к закисному (двухвалентному) железу в количествах, зависящих от напряжения кислорода в окружающем пространстве.

Кислород присоединяется к каждому из атомов железа согласно уравнению равновесия

Формально в этой реакции не происходит изменения валентности железа. Тем не менее оксигенация сопровождается частичным переходом электрона от закисного железа к кислороду, кислород частично восстанавливается.

Иное значение валентности может быть у гемового железа при образовании метгемоглобина, когда Fe изменяет валентность и становится трехвалентным. В этом случае, при истинном окислении железа, гемоглобин утрачивает способность переносить кислород.

Гем в молекуле гемоглобина способен присоединять другие молекулы. Если он присоединяет диоксид углерода, его называют карбогемоглобином. Если к гему присоединятся монооксид углерода, образуется карбоксигемоглобин. Сродство гемоглобина к CO в 300 раз выше, чем к О₂. Поэтому отравление угарным газом очень опасно. Если во вдыхаемом воздухе содержится 1% СО, млекопитающие и птицы могут погибнуть.

Артериальная кровь насыщается кислородом на 96-97%. Этот процесс происходит очень быстро, всего за четверть секунды в альвеолярных капиллярах.

В литературе принято оценивать содержание кислорода в крови по показателю кислородная емкость крови.

Кислородная емкость крови – это максимальное количество кислорода, которое может присоединить 100 мл крови.

Поскольку 96% кислорода находится в соединении с гемоглобином, кислородная емкость крови определяется этим пигментом. Известно, что кислород-связывающая способность 1 г гемоглобина определяется величиной 1,34 – 1,36 мл О₂, при нормальном атмосферном давлении. Это означает, что при содержании в крови 15 г% Нв (а это близко к средней), кислородная емкость составляет 1,341520 объемных процентов, то есть на каждые 20 мл О₂ на каждые 100 мл крови, или 200 мл О₂ на литр крови. В 5 литрах крови (полная кислородная емкость индивидуума, у которого 5 л крови в системе кровообращения) содержится 1 литр кислорода.

Реакция оксигенации гемоглобина обратима

Оказалось, что на практике удобнее анализировать этот процесс, если построить график зависимости концентрации HbО₂ в образце от парциального давления/напряжения кислорода. Чем больше в среде кислорода, тем сильнее равновесие в реакции смещается в сторону оксигенации, и наоборот.

Каждому значению РО₂ соответствует определенный процент HbО₂. При значениях РО₂, характерных для артериальной крови, практически весь гемоглобин окислен. В периферических тканях, при низких значениях напряжения кислорода, увеличивается скорость диссоциации его диссоциации до кислорода и гемоглобина.

Кривая диссоциации гемоглобина имеется в каждом учебнике.

Анализ кривой диссоциации оксигемоглобина показывает, что при напряжении кислорода в среде 60-100 мм рт.ст. (условия равнины и подъема человека на высоту до 2 километров) насыщение кислородов крови происходит полностью. В тканях отдача кислорода также протекает удовлетворительно, при напряжениях кислорода около 20 мм рт.ст.

Другими словами, характер кривой дает сведения о свойствах транспортной системы.

Диссоциация оксигемоглобина зависит не только от парциального давления кислорода в тканях, но и от некоторых других условий. Когда в кровь поступает углекислота из тканей, сродство гемоглобина к кислороду падает и кривая диссоциации сдвигается вправо. Это прямой эффект Вериго-Бора. Эффект Вериго-Бора способствует улучшению диссоциации оксигемоглобина в тканях. Обратный эффект наблюдается в легких, где отдача диоксида углерода приводит к более полному насыщению гемоглобина кислородом. Эффект обусловлен не самим СО₂, а подкислением среды при образовании угольной кислоты (или накоплением молочной кислоты в активно работающих мышцах).

Не весь оксигемоглобин диссоциирует в тканях. От 40 до 70% его сохраняется в венозной крови. У человека каждые 100 мл крови отдают тканям 5-6 мл кислорода, и на такую же величину обогащаются новой его порцией в легочных капиллярах. Для оценки этих процессов (утилизации кислорода тканями) введен показатель артерио-венозная разница по кислороду.

Транспорт углекислого газа кровью.

Как и кислород, диоксид углерода в крови находится в двух состояниях – физически растворенном и химически связанном. Около 5% СО₂ транспортируется в растворенном виде. Химическая связь диоксида углерода осуществляется по реакции

Реакция сдвигается вправо при высоких напряжениях СО₂, и влево при низких. Катализируется карбоангидразой с коэффициентом ускорения 250-300 раз. 80% образовавшейся угольной кислоты транспортируется в виде бикарбонатов щелочных металлов. Противоионами для карбонатных ионов в плазме выступают Na + , а в эритроитах – К + . Остальные 20% НСО₃ — транспортируется в связи с гемоглобином. В артериальной крови 15% СО₂ (в венозной 20%) переносится в виде карбаминовых групп гемоглобина, поскольку NH-группы белка связывают СО₂ обратимо. Доля транспорта в связи с гемом ничтожна. Для образования бикарбонатов щелочных металлов используется их резерв, ассоциированный с молекулой гемоглбина. Гемоглобин, как и все белковые молекулы, является амфотерным соединением. В слабощелочной среде (рН 7,35-7,4) гемоглобин и оксигемоглобин ведут себя как слабые кислоты, ассоциируя ионы калия. В артериальной крови 67% НСО₃ — растворено в плазме, уравновешивающим ионом выступает натрий. Гемоглобин в дезоксиформе слабее по кислотным свойствам, чем оксигемоглобин, поэтому легко отдает К + , при этом реализуется эффект Холдена: оксигенация гемоглобина облегчает отдачу СО₂кровью, а дезоксигенация гемоглобина усиливает поглощение диоксида углерода.

Гемоглобиновая буферная система (отвечает за 75% буферных свойств крови) и карбонатная буферная система, кроме дыхательной функции, обеспечивает постоянство активной реакции крови в диапазоне рН 7,35 – 7,47 (венозная кровь в норме имеет более кислую реакцию на 0,02 единицы рН). Поэтому нарушения кислотно-щелочного равновесия в организме может быть не только метаболическим, но и дыхательным. При респираторном ацидозе рН крови снижается, концентрация НСО₃ — возрастает. При респираторном алкалозе (может наступить при гипервентиляции) наблюдаются обратные процессы, концентрация НСО₃ — падает из-за «вымывания» углекислого газа.

Общее содержание СО₂ в 100 мл венозной крови составляет около 52 мл, в артериальной крови и легочных капиллярах только 47-48. Артерио-венозная разница по СО₂ составлет 4-5 мл на 100 мл крови.

Конечная цель регуляции дыхания, или полезный приспособительный результат – поддержание постоянного газового состава и рН артериальной и венозной крови. Отклонение этих показателей от нормы (РО₂ менее 100 мс рт.ст., РСО₂ более 40 мм рт.ст., рН от 7,36) воспринимается как стимул для регуляции. Координированные сокращения дыхательных мышц обеспечиваются ритмической активностью нейронов дыхательного центра, или, как это принято формулировать по современным представлениям, центрального дыхательного механизма.

К дыхательным нейронам относят те нервные клетки, импульсная активность которых меняется в соответствии с фазами дыхательного цикла. Различают инспираторные нейроны (нейроны вдоха) и экспираторные (нейроны выдоха) и клеточные популяции, согласовывающие смену дыхательных фаз. Центральный дыхательный механизм локализован в ретикулярной формации продолговатого мозга. Большинство нейронов сгруппированы в двух главных группах ядер – дорсальной и вентральной. В дорсальной группе сосредоточены инспираторные нейроны, посылающие аксоны в шейные сегменты спинного мозга, где они синаптически оканчиваются на мотонейронах ядра диафрагмального нерва. Ядра вентральной группы дыхательных ядер содержат как инспираторные, так и экспираторные нейроны. Они связаны синаптически с теми нейронами спинного мозга, которые иннервируют межреберные мышцы. Для 80% нейронов грудного отдела спинного мозга характерна дыхательная ритмика. В области моста выделен пневмотаксический центр, клетки которого принимают участие в переключении фаз дыхательного цикла. Для нейронов центрального дыхательного механизма характерен автоматизм, хотя пейсмекеров пока не обнаружено. Основной активатор дыхательного механизма – афферентная сигнализация от рецепторов, расположенных во внутренней среде организма. Главный дыхательный стимул – снижение в крови содержания кислорода и повышение напряжения диоксида углерода. Хеморецепторы посылают в ЦНС сигналы о степени отклонения этих показателей от нормы. Основное место локализации хеморецепторов дыхательной системы – область каротидного синуса (каротидные клубочки). В области дуги аорты расположена вторая группа хеморецепторов, контролирующая газовые и кислотные показатели той порции крови, которая направляется к внутренним органам. В продолговатом мозге имеются и центральные хеморецепторы.

Установлено, что чем выше в крови рСО₂, тем выше частота импульсации в афферентных волокнах синокаротидного нерва. Эта афферентная посылка интегрируется центральным дыхательным механизмом и используется для усиления дыхания, как увеличением частоты дыхательных циклов, так и углублением каждого вдоха.

В трахее, бронхах имеются собственные рецепторы, инициирующие защитные рефлексы дыхания, например, кашель. Кроме того, часть из них используется и для коррекции частоты и глубины дыхания. К ним относится рефлекс Геринга–Брейера. Рецепторы, реагирующие на повышение давления в воздухоносных путях, активируются при вдохе и посылают афферентные сигналы по волокнам блуждающего нерва к группе нейронов дорсальной порции дыхательного центра. Их возбуждение нарастает в фазу вдоха и тормозит инспираторные нейроны. Каждый вдох за счет рецепторов растяжения подготавливает свое окончание.

Имеются рецепторы и в верхних дыхательных путях, они активируются при попадании в нос и рот пыли или ирритантов. Кашель, чихание, принюхивание, остановка дыхания на вдохе при обнаружении резкого неприятного запаха или химическом загрязнении среды – рефлекторные проявления их активации.