Wentylacja i wymiana gazowa

Wszystkie organizmy potrzebują energii do wykonywania czynności życiowych. Powstaje ona w procesie oddychania komórkowego, podczas którego składniki pokarmowe (głównie glukoza) są utleniane do dwutlenku węgla i wody.

Wiąże się to z koniecznością dostarczania tlenu do komórek oraz przetransportowania dwutlenku węgla z komórke na zewnątrz organizmu. Proces pobierania tlenu i usuwania dwutlenku węgla nosi nazwę wymiany gazowej. Następuje on dzięki wentylacji płuc, czyli wymianie powietrza w płucach. Wentylację płuc z kolei umożliwią naprzemiannie wykonywane wdechy i wydechy. Wentylacja jest czynnością odruchową, odbywającą się bez udziału świadomości, wykonywaną rytmicznie, kilkanaście razy w ciągu minuty (w spoczynku ok. 12 -15 razy na minutę).

Wentylacja płuc

Wentylacja płuc jest możliwa dzięki odpowiednim mięśniom oddechowym.
Są to :
Wdech jest aktem czynnym, ponieważ odbywa się dzięki pracy mięśni oddechowych.

Podczas wdechu:
W rozciąganych pęcherzykach płucnych ciśnienie powietrza spada o 2 - 3 mm Hg poniżej ciśnienia atmosferycznego. Na skutek powstającej różnicy ciśnień powietrze atmosferyczne wypwłnia płuca.

Wydech jest aktem biernym co oznacza że zmniejszenie objętości kletki piersiowej i usunięcie zużytego powietrza z pęcherzyków odbywa się bez udziału pracy mięśni. W jego trakcie następuje rozkurcz mięśni oddechowych, który powoduje zmniejszenie objętości klatki piersiowej. To z kolei sprawia, że ciśnienie powietrza w pęcherzykach płucnych wzrasta powyżej ciśnienia atmosferycznego i powietrze zostaje usunięte z płuc.

Podczas wentylacji płuc pogą przeważać ruchy żeber (oddychanie piersiowe) lub przepony (oddychanie brzuszne). Oddychanie piersiowe jest charakterystyczne dla kobiet (nasila się w okresie ciąży), natomiast oddychanie brzuszne jest typowe dla mężczyzn i osób cierpiących z powodu chorób płuc.

Rola opłucnej

Każde płuco jest otoczone podwójną błoną zwaną opłucną. Blaszka wewnętrzna opłucnej (opłucna płucna). bezpośrednio pokrywa płuco, wnikając w jego szczeliny. Blaszka zewnętrzna opłucnej (opłucna ścienna) wyściała klatkę piersiow. Niewialka przestrzeń między obiema blaszkami nosi nazwę jamy opłucnej i jest wypełniona płynem surowyczym.

W jamie opłucnej panuje ciśnienie niższe od ciśnienia powietrza atmosferycznego. Jest to jeden z mechanizmów utrzymujących pęcherzyki płucne w stanie napięcia - dzięki niemu ściany pęcherzyków płucnych nie zapadają się. Dodatkowo pęcherzyki płucne są pokryte surfakantem - białkowo - lipidowym czynnikiem powierzchniowym, zapobiegającym ich sklejeniu się.

Pojemność płuc

Całkowita pojemność płuc, czyli maksymalna odjętość gazów, która może się zmieścić w płucach, zależy od płci, wieku, pozmiarów siała (masy i wzrostu), trybu życia i stanu zdrowia.
U dorosłego człowieka wynosi ok. 5 l powietrza.

Pojemność życiowa płuc to ilość powietrza wprowadzonego do płuc przy maksymalnym wdechum poprzedzonym maksymalnym wydechem. Wynosi ona ok 4 l. Pozostałą część (ok. 1 l) stanowu powietrze zalegające w pęcherzykach płucnyh.

Objętość powietrza, które dostaje się do płuc przy spokojnym wdechu lub zostaje usunięte podczas spokojnego wydechu, to ok. 0,5 l. Jest ona określana jako objętość oddechowa. POgłębiając wdech, można zmieścić w płucach dodatkowe 2,5 l powietrza (objętość zapasowa wdechowa), natomiast pogłębiająć wydech można usunąć dodatkowo ok. 1 l powitrza (objętość zapasowa wydechowa).

Pojemność płuc
Całkowita
pojemność
płuc (5 dm3)		 pojemność
życiowa płuc
(4 dm3)		 objętość zapasowa
wdechowa (2,5 dm3)
objętość oddechowa
(0,5 dm3)
objętość zapasowa
wydechowa (1 dm3)
powietrza zalegające (1 dm3)

Regulacja częstości oddechów

O częstotliwości wykonywanych oddechów decyduje ośrofek oddechowy, który jest umiejscowuony w części mózgowia nazywanej rdzeniem przedłużonym. W skłąd ośrodka oddechowego wchodzą:
O naprzemiennym występowaniu wdechu i wydechu decyduje ośrodek pneumatoksyczny.

Liczba oddechów zmienia sie w zależności od zawartości gazów oddechowych w powietrzu atmosferycznym lub zapotrzebowania organizmu np. wzrasta podczas wysiłku fizycznego, a maleje podczas snu.

Ośrodek oddechowy reaguje przede wszystkim na wzrost stężenia CO2. Dwutlenek węgla reaguje z wodą zawartą w osoczu krwi, tworząc kwas węglowy (H2CO3), który sysocjuje na jony H+ i HCO3-. Zwiększenie stężenia jonów H+ obniża pH krwi poniżej tolerowanej wartości (pH = 7,35). Rejestrują to wyspecjalizowane komórki receptorowe rdzenia przedłużonego oraz chemoreceptory ścian aorty i tętnicy szyjnej. Pobudzony przez ośrodek oddechowy wysyła za pomocą neuronów dyspozycje do mięśni oddechowych, które zwiększają tempo i głębokość oddechów. Aż do czasu gdy pH krwi osiągnie prawidłową wartość.

Wymiana gazowa w płucach i tkankach

Wdychane powietrze zawiera głównie azot, tlen i dwutlenek węgla. Składniki powietrza wydychanego są takie same, inne jest jednak ich ilość. Skład powietrza wdychanego i skład powietrza wydychanego świadczą o tym, że nastepuje wymiana gazowa. Obdywa się ona na zasadzie dyfuzji, a jaj kierunki i tempo są uwarunkowane różnicą ciśnień cząstkowych (parcjalnych) gazów. Każdy gaz przenika ze środowiska o wyższym ciśnieniu cząsteczkowym do środowiska, w którym to ciśnienie jest niższe. Wyróżniamy wymianę gazową zewnętrzną oraz wymianę gazową wewnętrzną.

Wymiana gazowa zewnętrzna odbywa się między pęcherzykami płucnymi a krwią. Z powietrza znajdującego się w pęcherzykach płucnych do krwi przepływającej przez naczynia włosowate przedostaje się tlen, a w kierunku odwrotnym przenika dwutlenek węgla.

Wymiana gazowa wewnętrzna zachodzi między komórkami a krwią. Krew opuszczająca płuca zawiera znaczną ilość tlenu. Dociera do wszystkich komórek ciała, gdzie tlen jest stale zużywany podczas oddychania komórkowego, a ubicznym produktem tego procesu jest dwutlenek węgla. W efekcie zawatrość tlenu w komórkach jest zawsze mniejsza, a dwutlenku węgla większa niż we krwi. Gazy dyfundują więc ponownie zgodnie z różnicą ciśnień cząsteczkowych : tlen z krwi do komórek, a dwutlenek węgla z komórek do krwi.

Porównanie procentowe składu powietrza atmosferycznego, pęcherzykowego i wydychanego
Gaz Powietrze
atmosferyczne
(wdychane)		 Powietrze
w pęcherzykach
płucnych		 Powietrze
wydychane
Tlen 20,9 % 13,6 % 15,7 %
Dwutlenek węgla 0,03 % 5,3 % 3,6 %
Azot oraz gazy szlachetne 79,1 % 74,9 % 74,5 %
Para wodna 1 % 6,2 % 6,2 %

Udział krwi w transporcie tlenu i dwutlenku węgla

Transport gazów oddechowych odbywa się przy udziale krwinek czerwonych i osocza. Cząsteczki tlenu po przejściu przez ściany pęcherzyka płucnego i naczynia włosowatego rozpuszczają się w osoczu, po czym natychmiast dyfundują do erytrocytów. Tam wiążą się odwracalnie z hemoglobiną (białko transpotrujące tlen), a dokładnie z Fe2+ henu. Jedna cząsteczka heoglobiny wiąże cztery cząsteczki tlenu, tworząc oksyhemoglobinę - Hb(O2)2. Wiązanie tlenu z hemoglobiną nosi nazwę utlenowania (nie należy mylić z utlenianiem), ponieważ cząsteczka tlenu łączy się w ten sposób, że nie zmienia wartości żelaza. Krew utlenowana (tętnicza) ma jasnoczerwoną barwę.
Reakcja łączenia hemoglobiny z tlenem jest odwracalna i może przebiegać w obu kierunkach, w zależności od warunków, m.in. temperatury i pH. Jednak o kierunku jej przebiegu decyduje przede wszystkim wartość ciśnienia cząstkowego tlenu. W tkankach ciśnienie parcjalne tlenu jest niskie, dlatego następuje rozpad oksyhemoglobiny i uwolnienie tlenu, który dyfunduje do tkanek, gdzie jest zużywany w procesie oddychania komórkowego.

Odtlenowana hemoglobina ma zabarwienie purpurowe, dlatego krew odtleniona (żylna) jest ciemnoczerwona.

Stopień wysycenia hemoglobiny tlenem, czyli równowaga pomiędzy wiązaniem hemoglobiny z tlenem a uwalnianiem tlenu z oksyhemoglobiny, zależy od:

W tkankach ciśnienie parcjalne dwutlenku węgla jest wyższe niż w krwi, dlatego kierunek jego dyfuzji jest przeciwny do kierunku dyfuzji tlenu. Cząsteczki dwutlenku węgla przenikają z tkanek do krwii i są transportowane w różnej postaci :
W płucach zachodzą reakcje odwrotne. Karbaminohemoglobina uwalnia tlen, z jonów wodoru i wodorowęglanowych powstaje kwas węglowy, który rozpada się na dwutlenek węgla i wodę, usuwane z wydychanym powietrzem.

Mięśnie - organy o szczególnym zapotrzebowaniu na tlen

Pracujące mięśnie szkieletowe nieustannie potrzebują tlenu do uzyskiwania energii. Białkiem magazynującym tlen w mięśniach iest mioglobina, której cząsteczki, podobnie jak cząsteczki hemoglobiny, zawierają żelazo na drugim stopniu utlenienia (Fe2+). Powinowactwo mio-globiny do tlenu jest większe niż hemoglobiny, dlatego kiedy utlenowana krew przepływa przez mięśnie, tlen odłącza się od hemoglobiny i wiąże się odwracalnie z mioglobiną. Uwalnianie tlenu przez mioglobinę jest jednak trudniejsze niż jego wiązanie - następuje dopiero wówczas, gdy ciśnienie cząstkowe tlenu w mięśniach jest bardzo niskie.

Na podobnej zasadzie odbywa się dostarczanie tlenu do organizmu płodu w czasie ciąży. Hemoglobina występująca u płodu (HbF) łatwiej łączy się z tlenem niż hemoglobina występująca u osób dorosłych (HbA). Dzięki temu w łożysku następuje przekazywanie tlenu z krwi matki do krwi dziecka.