Взаимоотношения между вентиляцией и кровообращением

Вентиляция альвеол

Газообмен между воздухом и кровью осуществляется в альвеолах. Поэтому важна не общая величина вентиляции легких, а величина вентиляции именно альвеол. Особый интерес представляет альвеолярная вентиляция.. Она меньше вентиляции легких на величину вентиляции мертвого пространства. Так, при МОД, равном 8000 мл, и частоте дыхания 16 в минуту вентиляция мертвого пространства составит 150 мл X 16= =2400 мл. Вентиляция альвеол будет равна 8000—2400=5600 мл. При МОД 8000 мл и частоте дыхания 32 в минуту вентиляция мертвого пространства составит 150Х32= ==4800 мл, а вентиляция альвеол 8000—4800== 3200 мл, т. е. будет вдвое меньшей чем в первом случае.

При данном МОД эффективность вентиляции альвеол выше при более глубоком и редком дыхании, чем при частом и поверхностном. В последнем случае большая часть МОД расходуется на вентиляцию мертвого пространства.

Величина вентиляции легких регулируется так, чтобы обеспечить постоянный газо­вый состав альвеолярного воздуха. Так, при повышении концентрация двуокиси угле­рода в альвеолярном воздухе МОД увеличивается, при снижении — уменьшается.

Состав вдыхаемого, выдыхаемого и альвеолярного воздуха. В обычных условиях человек дышит атмосферным воздухом, имеющим относительно постоянный состав (табл. 14). В выдыхаемом воздухе всегда меньше кислорода и больше двуокиси угле­рода. Меньше всего кислорода и больше всего двуокиси углерода в альвеолярном воз­духе. Различие в составе альвеолярного и выдыхаемого воздуха объясняется тем, что последний является смесью воздуха мертвого пространства и альвеолярного воздуха.

Альвеолярный воздух является внут­ренней газовой средой организма. От его со­става зависит газовый состав артериальной крови. Регуляторные механизма поддержи­вают постоянство состава альвеолярного воздуха. Состав альвеолярного воздуха при спокойном дыхании мало зависит от фаз вдо­ха и выдоха. Например, содержание дву­окиси углерода в конце вдоха всего на 0,2— 0,3% меньше, чем в конце выдоха, так как при каждом вдохе обновляется лишь |^ часть альвеолярного воздуха. Кроме того, газооб­мен в легких протекает непрерывно, при вдохе и при выдохе, что способствует выравниванию

состава альвеолярного воздуха. При глубоком дыхании зависимость состава альвеоляр­ного воздуха от вдоха и выдоха увеличивается.

Различают два способа перемещения молекул газов в воздухоносных путях. Кон-вективный обусловлен движением всей смеси газов по градиенту общего давления. Кроме того, имеется диффузия отдельного газа вследствие разности его парциального давления. Например, молекулы кислорода во время инспираторного тока диффундируют из осевой части потока в его периферические части (поперечная диффузия) и по ходу потока по направлению к альвеолам (продольная диффузия).

ОБМЕН ГАЗОВ В ЛЕГКИХ

Диффузия газов

Альвеолы представляют собой полушаровидные впячивания стенок альвеолярных ходов и дыхательных бронхиол. Диаметр альвеол — 150—300 мкм. Количество альвеол в одном легком человека в среднем 400 млн. (со значительными индивидуальными вариа­циями). Большая часть наружной поверхности альвеол соприкасается с капиллярами малого круга кровообращения. Суммарная площадь этих контактов велика — около 90 м². От альвеолярного воздуха кровь отделяет так называемая легочная мембрана, состоящая из эндотелиальных клеток, двух основных мембран, плоского альвеолярного эпителия, слоя сурфактанта. Толщина легочной мембраны всего 0,4—1,5 мкм.

Газообмен в легких осуществляется в результате диффузии кислорода из альвеоляр­ного воздуха в кровь (около 500 л в сутки) и двуокиси углерода из крови в альвеолярный воздух (около 430 л в сутки). Диффузия происходит вследствие разности парциального давления этих газов в альвеолярном воздухе и их напряжением в крови.

Парциальное давление газа в газовой смеси пропорционально процентному содер­жанию газа и общему давлению смеси. Оно не зависит от природы газа. Так, при давле­нии сухого воздуха 760 мм рт. ст. парциальное давление кислорода примерно 21% от 760 мм рт. ст., т. е. 159 мм рт. ст. При расчете парциального давления в альвеолярном воздухе следует учитывать, что он насыщен водяными парами, парциальное давление которых при температуре тела равно 47 мм рт. ст. Поэтому на долю парциального дав­ления газов приходится 760—47=713 мм рт. ст. При содержании кислорода (02) в аль­веолярном воздухе 14% парциальное давление (Р) его будет:

. При содержании двуокиси углерода 5,5% парциальное давление соответствует 39,2 мм рт. ст. (около 40 мм рт. ст.).

Парциальное давление кислорода и двуокиси углерода в альвеолярном воздухе яв­ляется той силой, с которой молекулы этих газов стремятся проникнуть через альвеоляр­ную мембрану в кровь.

В крови газы находятся в растворенном (свободном) и химически связанном состоя­нии. В диффузии участвуют только молекулы растворенного газа. Количество газа, раст­воряющегося в жидкости, зависит от: 1) состава жидкости, 2) объема и давления газа над жидкостью, 3) температуры жидкости, 4) природы исследуемого газа. Чем выше дав­ление данного газа и чем ниже температура, тем больше газа растворяется в жидкости. При давлении 760 мм рт. ст. и температуре 38 °С в 1 мл крови растворяется 2,2% кислоро­да и 5,1% двуокиси углерода.

Растворение газа в жидкости продолжается до наступления динамического равнове­сия между количеством растворяющихся и выходящих в газовую среду молекул газа. Сила, с которой молекулы растворенного газа стремятся выйти в газовую среду, назы­вается напряжением газа в жидкости. Таким образом, в состоянии равновесия напряже­ние газа равно парциальному давлению газа над жидкостью. Если парциальное давле­ние газа выше его напряжения, газ будет растворяться. Если парциальное давление газа ниже его напряжения, то газ будет выходить из раствора в газовую среду.

Проницаемость легочной мембраны для газа выражают величиной диффузионной способности легких. Это — количество газа, проникающего через легочную мембрану за 1 мин на 1 мм рт. ст. градиента давлений. Диффузионная способность легких пропорцио­нальна толщине мембраны. В норме диффузионная способность легких для кислорода около 25 мл/мин-мм рт. ст. Для двуокиси углерода вследствие высокой растворимости этого газа в легочной мембране диффузионная способность в 24 раза выше.

Парциальное давление и напряжение кислорода и двуокиси углерода в легких при­ведены в табл. 15.

Диффузия кислорода обеспечивается раз­ностью парциальных давлений, равной около 60 мм рт. ст., а двуокиси углерода — всего лишь около 6 мм рт. ст. Время протекания крови че­рез капилляры малого круга (в среднем 0,7 с) достаточно для практически полного выравни­вания парциального давления и напряжения газов: кислород растворяется в крови, а дву­окись углерода переходит в альвеолярный воз­дух. Переход двуокиси углерода в альвеоляр­ный воздух при относительно небольшой разни­це давлений объясняется высокой диффузион­ной способностью легких для этого газа.

Взаимоотношения между вентиляцией и кровообращением

Для газообмена в легких важное значение имеет соотношение между альвеолярной вентиляцией (Уд), и кровотоком через малый круг кровообращения (или перфузией капилляров альвеол, Q). В конце вдоха отношение va/q близко к 0,8. Это значит, что объем альвеолярной вентиляции несколько меньше количества крови, протекающей через малый круг кровообращения в единицу времени.

Отдельные участки легких вентилируются и перфузивуются не совсем одинаково. Неравно­мерность вентиляции и перфузии рассматривается на следующей модели легкого (рис. 150). Модель состоит из: 1) анатомического мертвого пространства (объем воздухоносных путей, в которых отсутствует газообмен); 2) эффективного альвеолярного пространства (вентилируемые и перфу-зируемые альвеолы); 3) вентилируемых, но не перфузируемых альвеол (альвеолярное мертвое пространство); 4) невентилируемых, но перфузируемых альвеол (альвеолярный вёноартериальный шунт). Альвеолы пространства 3 вентилируются, но газообмена в них не происходит. В капиллярах пространства 4 кровь не оксигенируется, она попадает в артерии с низким напряжением кислорода и высоким напряжением двуокиси углерода, В реальных условиях существуют постепенные переходы от альвеол с соответствующей вентиляцией и кровотоком, с полноценным газообменом (простран­ство 2) к альвеолам без кровотока (пространство 3) и без вентиляции (пространство 4).

Альвеолы без кровотока и с отношением вентиляции к кровотоку, большим единицы, увеличи­вают объем мертвого пространства, в котором вентиляция не сопровождается соответствующим газообменом. Поэтому объем мертвого пространства на самом деле несколько больше, чем объем возду­хоносных путей (анатомического мертвого простран­ства). Сумма анатомического и альвеолярного мерт­вого пространств составляет физиологическое мертвое пространство.

В области верхушек легких альвеолы вен­тилируются менее эффективно, чем у основа­ния, прилежащего к диафрагме. Но и пер-фузия альвеолярных капилляров более ин-

Рис.150. Модель взаимоотношений вентиляции аль­веол и кровотока по капиллярам.

1 — анатомическое мертвое пространство (воздухоносные пути); 2 — вентилируемые альвеолы с нормальным крово­током; 3 — вентилируемые альвеолы, лишенные кровото­ка; 4 — невентилируемые альвеолы с кровотоком; 5 — при­ток венозной крови из системы легочной артерии; 6 — от­ток крови в легочные вены.

тенсивна в нижних частях легких, чем в верхних. В результате в области верхушек легких вентиляция относительно преобладает над кровотоком, напряжение кислорода в артери­альной крови, оттекающей от верхушек легких, выше среднего. В нижних частях легких, наоборот, отношение вентиляции к перфузии меньше единицы, напряжение кислорода в оттекающей артериальной крови ниже среднего.

Наличие веноартериальных шунтов и сниженное отношение вентиляции к кровотоку в отдельных областях легких — основная причина более низкого напряжения кислорода и более высокого напряжения двуокиси углерода в артериальной крови по сравнению с парциальным давлением этих газов в альвеолярном воздухе (см. табл. 15). В возникнове­нии альвеолоартериальной разницы напряжения газов имеет значение также примешива-ние к артериальной крови венозной крови из бронхиальных и коронарных сосудов (тебе-зиевых вен).

Соответствие кровотока объему вентиляции в разных участках легких достигается благодаря наличию регуляторных механизмов, ограничивающих кровоток через недоста­точно вентилируемые участки легких. Гладкая мускулатура большинства сосудов при недостатке кислорода расслабляется. В сосудах малого круга кровообращения она, на­оборот, сокращается, что вызывает сужение сосудов в плохо вентилируемых участках легких и уменьшение в них кровотока.

ТРАНСПОРТ ГАЗОВ КРОВЬЮ

Переносчиком кислорода от легких к тканям и двуокиси углерода от тканей к легким является кровь. В свободном (растворенном) состоянии переносится лишь очень не­большое количество этих газов. Основное количество кислорода и двуокиси углерода переносится в связанном состоянии. Кислород транспортируется в виде оксигемоглобина.