Unde are loc schimbul de gaze în timpul respirației? Schimbul de gaze în țesuturi și plămâni

Schimb de gaze

Pentru a asigura viata intre corp si mediu inconjurator schimbul de gaze trebuie să fie continuu. Organismele aerobe, ca urmare a difuziei, absorb oxigenul (din apa in care este dizolvat sau din atmosfera) si elibereaza dioxid de carbon. Suprafața respiratorie pe care are loc schimbul de gaze ar trebui să fie:

Permeabil la O2 şi CO2;

Subțire - difuzia este eficientă numai la distanțe scurte;

Umed - aceste gaze difuzează în soluție;

Mare - pentru a menține o rată suficientă de schimb de gaze.

Intensitatea metabolismului plantelor este scăzută, necesită relativ puțin oxigen. Schimbul de gaze se realizează prin difuzia gazelor pe toată suprafața; la plantele mari, stomatele frunzelor și crăpăturile din scoarță servesc în acest scop. Celulele care conțin clorofilă pot consuma oxigenul pe care tocmai l-au produs pentru respirație.

La animalele unicelulare, schimbul de gaze are loc prin membrana celulara. Cele mai primitive multicelulare - celenterate, viermi plati - își asigură și nevoile de oxigen prin absorbția acestuia cu fiecare celulă care este în contact cu mediul.

Organismele mai complexe au un numar mare de celulele nu sunt în contact cu mediul, iar difuzia simplă devine ineficientă. Special sistemul respirator, care va absorbi eficient oxigenul și va elibera dioxid de carbon. De regulă, acest sistem este asociat cu sistemul circulator, care asigură livrarea de oxigen către țesuturi și celule. Solubilitatea oxigenului în sânge este de 0,2 ml la 100 ml de sânge, dar prezența pigmenților respiratori poate crește eficiența acestui proces de zeci și sute de ori. Cel mai cunoscut pigment respirator este hemoglobina.

Luați în considerare unele dintre cele mai tipice sisteme respiratorii.

Aerul intră în corpul insectelor prin deschideri speciale - spiraculi. Se deschid în cavități de aer, din care pleacă tuburi speciale - traheea. Traheele sunt întărite cu chitină și rămân întotdeauna deschise. În fiecare segment al corpului, se ramifică în numeroase tuburi mici - traheole, prin care oxigenul pătrunde direct în țesuturi; nu este nevoie să-l transportăm prin sânge. Traheolele sunt umplute cu un fluid apos prin care difuzează oxigenul și dioxidul de carbon. Odată cu munca activă a mușchilor, lichidul este absorbit în țesuturi, iar oxigenul intră direct în celulele deja în stare gazoasă. Sistemul respirator traheal este foarte eficient, dar prezența procesului de difuzie în lanțul respirator limitează dimensiunea insectei (mai precis, grosimea acesteia).

Schimbul de gaze la pești are loc cu ajutorul unor organe respiratorii speciale - branhii. Fiecare branhie este susținută de cartilaj vertical - arc branhial. La peștii osoși, arcul branhial este format din țesut osos. Din septul situat deasupra arcului branhial pleacă o serie de pliuri orizontale - filamente branhiale, pe fiecare dintre care se formează petale secundare verticale. Marginile libere ale septurilor branhiale sunt alungite și acționează ca valve cu clapete. Când podeaua gurii și faringele coboară, presiunea din ele scade, iar apa se repetă în branhii prin gură și spiraculi. Supapa în același timp împiedică apa să pătrundă în branhii din cealaltă parte. Numeroase capilare care pătrund în branhii sunt saturate cu oxigen aici și se unesc în artere branhiale, care transportă sângele bogat în oxigen din branhii. Trebuie remarcat faptul că sistemul respirator al peștilor osoși este mai perfect decât cel al peștilor cartilaginosi, deoarece branhiile la peștii osoși au o suprafață mai mare, iar mișcarea sângelui către curgerea apei oferă mai mult schimb eficient gazele.

Amfibienii primesc oxigen în trei moduri: prin piele, gură și plămâni. În timpul respirației cutanate și orale, gazul este absorbit de epiteliul umed care căptușește pielea sau cavitatea bucală. Mișcările gâtului broaștei care sunt vizibile pentru ochi sunt exact respirația bucală. Aerul care intră în gură poate pătrunde și în plămâni prin laringe, trahee și bronhii. Plămânii unei broaște sunt o pereche de saci goale, ai căror pereți formează numeroase pliuri străpunse de capilarele sanguine. Ca urmare contractii musculare are loc inhalarea și expirația, plămânii sunt umpluți cu aer, oxigenul din acesta intră în sânge.

La forme superioare La vertebrate, respirația cutanată este absentă; plămânii devin principalul organ respirator. Au un număr mult mai mare de pliuri decât amfibienii ușoare. Păsările au dezvoltat și saci de aer, datorită cărora aerul bogat în oxigen trece prin plămâni atât în ​​timpul inhalării, cât și în timpul expirației; aceasta crește eficiența schimbului de gaze.

La mamifere, aerul intră prin nări; firele de păr mici captează particule străine, iar epiteliul ciliar, care este căptușit cu pasaje nazale, hidratează aerul, îl încălzește și, de asemenea, captează particulele care au reușit să alunece prin fire de păr. Aerul intră din nas în faringe și apoi în laringe. O valvă cartilaginoasă (epiglotă) protejează căile respiratorii de alimentele care pătrund în ele. În cavitatea laringelui se află corzi vocale; când aerul expirat trece prin glotă, unde sonore. Odată cu o modificare a tensiunii ligamentelor, înălțimea sunetului produs se modifică.

Din laringe, aerul intră în traheea tubulară. Pereții săi sunt acoperiți cu epiteliu ciliat, care adună particule de praf și microbi care au intrat în trahee. Pereții traheei (precum și laringele) sunt formați din țesut cartilaginos, datorită căruia nu cade la inhalare. La capătul inferior, traheea se ramifică în două bronhii. Bronhiile se împart în bronhiole mai subțiri; în cel mai mic dintre ele (diametru 1 mm sau mai puțin) țesutul cartilajului dispărut. Bronhiolele se ramifică, la rândul lor, în numeroase pasaje alveolare, care se termină în saci căptușiți cu țesut conjunctiv, - alveole. Un plămân de mamifer poate conține sute de milioane de alveole, cu o suprafață totală care ar putea acoperi un întreg teren de fotbal. Grosimea peretelui alveolei este de numai 0,0001 mm. Partea exterioară a alveolelor este acoperită cu o rețea densă de capilare sanguine. Absorbit de epiteliul umed, oxigenul difuzează în plasma sanguină și se combină cu hemoglobina de acolo. Dioxidul de carbon difuzează în sens opus. Diametrul capilarelor este mai mic decât diametrul eritrocitelor; aceasta asigură contactul strâns al eritrocitelor cu suprafața alveolelor.

Plămânii separați de peretele toracic cavitatea pleurala. Este impermeabil la aer; presiunea în ea cu 3-4 mm Hg. Artă. mai jos decât în ​​plămâni, datorită căruia aceștia din urmă umplu aproape tot pieptul. Ventilația plămânilor se realizează datorită contracției simultane a diafragmei și a mușchilor intercostali externi. Volumul pieptului crește, presiunea scade și aerul intră. În timpul expirației, diafragma și mușchii externi revin la poziția anterioară, iar mușchii intercostali interni se contractă. Pieptul devine mai mic și aerul este forțat să iasă din plămâni. Cu un efort fizic mare, expirația devine mai activă și necesită o cheltuială suplimentară de energie.

Cu o saturație insuficientă a aerului cu oxigen (de exemplu, la mare în munți), începe hipoxia, manifestată prin stare de rău și o senzație de oboseală severă. În timp, sistemul respirator se poate adapta la o cantitate mică de oxigen - în astfel de cazuri, se spune că organismul s-a aclimatizat la noile condiții.

Mamiferele care pot sta mult timp sub apă (balene, foci) își scad în mod reflex ritmul cardiac atunci când se scufundă, canalele lor sanguine se îngustează și doar cele mai importante organe pentru viață sunt alimentate cu sânge. Prima respirație după refacere la suprafață servește drept semnal pentru creșterea ritmului cardiac.

Respirația este un proces integral și vital pentru orice organism viu. Pentru a satura organele și țesuturile cu oxigen, o compoziție optimă a aerului și treaba potrivita corpul uman. În acest caz corp sanatos se simte vesel și activ, fără semne patologice de hipoxie.

Respirația fiziologică

Procesele de schimb de gaze în plămâni și țesuturi sunt un lanț complex de reacții și compuși biochimici. Aerul pătrunde prin tractul respirator superior în secțiunile sale inferioare. arbore bronșic tine amestec de gaze la punctele lor finale - alveolele. Alveolele constau din alveolocite, care sunt căptușite pe interior cu un surfactant, iar pe exterior acoperă stratul bazal.

Întreaga suprafață a plămânilor este ca și cum ar fi învăluită într-o rețea de capilare bine fixate, prin peretele vascular al căruia pătrunde atât de mult. necesare organismului oxigen. Limita dintre peretele alveolar și peretele capilar este foarte mică - 1 micron, ceea ce asigură un proces complet în care are loc schimbul de gaze.

Actul de inhalare se realizează prin contractarea mușchilor pieptului, inclusiv a diafragmei - un mușchi mare situat la marginea toracelui și a cavității abdominale. Când este redus, amestecul de aer este injectat datorită diferenței de presiune atmosferică și intratoracică. Expirația, dimpotrivă, se face pasiv, datorită elasticității plămânilor. Excepția este activă stresul exercitat atunci când o persoană întărește munca mușchilor netezi și scheletici, reducând-o forțat.

Centrul de Control

Procesul de schimb de gaze în plămâni are loc prin reglarea centrală sistem nervos. În trunchiul cerebral, care se află la granița cu măduva spinării, există conglomerate celule nervoase- contribuie la faza de inhalare si iesire prin darea de impulsuri speciale.

Această zonă se numește centru respirator. Particularitatea sa constă în autonomie - impulsurile sunt generate automat, ceea ce explică respirația unei persoane în timpul somnului. Odată cu creșterea nivelului de dioxid de carbon din sânge, centrul respirator induce inhalarea, unde, atunci când este întins în plămâni, are loc un schimb activ de gaze între sânge și celulele alveolare.

Există acumulări de celule nervoase în cortexul cerebral, hipotalamus, pons, măduva spinării, responsabile de reglarea voluntară a respirației. Cu toate acestea, ele sunt conectate continuu prin fibre nervoase ale centrului principal al respirației din trunchi, atunci când sunt deteriorate, apare stopul respirator.

Mecanism

Alveolocitele și peretele vasului servesc ca o punte unde are loc schimbul de gaze. Oxigenul se reped spre rețeaua capilară și dioxid de carbonîn alveole - acest lucru se datorează diferenței de presiune dintre aer și sânge. Schema de difuzie a gazelor respectă legile fizicii.

Oxigenul primit este atașat de proteina eritrocitelor - hemoglobina. Acest compus se numește oxihemoglobină, iar sângele saturat cu el este arterial. Este împins în atriul și ventriculul stâng, de unde este livrat către organe de către aortă și ramurile sale.

Compușii oxidați sunt apoi colectați în șunturi venoase și transportați prin vena cavă, atriul drept și ventricul către sistemul respirator. Acest proces ar trebui să promoveze schimbul de gaze în țesuturi, să apară saturația și recaptarea produselor metabolice.

Schimbul de gaze în țesuturi este un proces fulgerător, realizat în 0,1 s. Corpul este aranjat astfel încât într-un timp atât de scurt este capabil să îndeplinească cea mai importantă funcție vitală a corpului. Odată cu scăderea tensiunii de oxigen în țesuturi, se dezvoltă o patologie, care se numește hipoxie. Poate fi un semn al unei încălcări:

• Capacitatea de ventilație a țesutului pulmonar.
• Insuficiență circulatorie.
• Funcționarea incompletă a sistemului enzimatic.

Funcțiile tractului respirator sunt multiple și includ nu numai reglarea gazelor din sânge, ci și răspunsul imunitar, sunt responsabile pentru sistem tamponși starea acido-bazică, excreția de substanțe toxice, proprietățile reologice ale sângelui.

SCHIMBUL DE GAZ (biologic), schimbul de gaze între organism și mediu în timpul respirației. Oxigenul (O 2) pătrunde în organisme, care este apoi folosit pentru a oxida compușii implicați în metabolism; ca urmare, energia necesară vieții este eliberată și se formează produse finale ale metabolismului, inclusiv dioxid de carbon (CO 2) și o cantitate mică de alți compuși gazoși. Organismele obțin O 2 de care au nevoie fie din atmosferă, fie din apa în care este dizolvat. Schimbul de gaze se realizează prin difuzia gazelor direct prin suprafața celulelor.

Schimbul de gaze la animale. La protozoare, celenterate și viermi, schimbul de gaze are loc prin tegumentul corpului. La insecte și arahnide apare un sistem de tuburi (trahee), cu ajutorul cărora O 2 pătrunde direct în țesuturile corpului. La crustacee, pești și alte organisme, branhiile servesc pentru schimbul de gaze, iar la majoritatea vertebratelor, plămânii. La amfibieni, pe lângă plămâni, pielea și epiteliul care căptușește cavitatea bucală participă la schimbul de gaze.

La multe animale și oameni, schimbul de gaze se realizează cu participarea pigmenților respiratori (metaloproteine ​​ale sângelui sau hemolimfei), care se pot lega reversibil de O2 și servesc ca purtători ai acestuia. La concentrații mari de O 2, pigmentul îl atașează cu ușurință, iar la concentrații mici îl eliberează (în principal în legarea O 2 sunt implicați ionii de fier sau cupru). La vertebrate și multe nevertebrate, acest pigment este hemoglobina; la un număr de nevertebrate, hemocianina, hemoeritrina și clorocuorina. Doar o mică proporție (aproximativ 5%) din tot CO 2 care provine din celule în sânge este în stare dizolvată; partea sa principală (aproximativ 80%) cu participarea enzimei anhidrază carbonică este transformată în acid carbonic, care se disociază în ioni de carbonat și hidrocarbonat; astfel, există un echilibru între CO 2 dizolvat, H 2 CO 3, HCO - 3 și CO 2- 3. În plus, 6-7% CO 2 poate interacționa și cu grupările amino ale proteinelor (inclusiv hemoglobina) pentru a forma compuși carbamici. Raportul dintre CO 2 eliminat din organism și O 2 absorbit în același timp se numește coeficient respirator, care este de aproximativ 0,7 pentru oxidarea grăsimilor, 0,8 pentru oxidarea proteinelor și 1,0 pentru oxidarea carbohidraților. Cantitatea de energie eliberată la consumarea a 1 litru de O 2 este de 20,9 kJ (5 kcal) pentru oxidarea carbohidraților și de 19,7 kJ (4,7 kcal) pentru oxidarea grăsimilor. Astfel, în funcție de consumul de O 2 pe unitatea de timp și de coeficientul respirator, este posibil să se calculeze cantitatea de energie eliberată în organism, să se estimeze intensitatea proceselor redox care au loc în toate organele și țesuturile.

Schimbul de gaze la animale scade odată cu scăderea temperaturii corpului, iar odată cu creșterea acesteia, crește. La om, consumul de O 2 poate crește de la 200-300 ml/min în repaus la 2000-3000 ml/min în timpul muncii fizice, iar la sportivii bine antrenați - până la 5000 ml/min. În mod corespunzător, emisiile de CO 2 și consumul de energie cresc; sunt ture coeficientul respirator. Constanța relativă a schimbului de gaze este asigurată de reacții adaptative (compensatorii) ale sistemelor corpului implicate în schimbul de gaze și reglate de sistemul nervos atât direct, cât și prin Sistemul endocrin. Schimbul de gaze la om și animale se examinează în condiții de repaus complet, pe stomacul gol, la o temperatură de 18-22 °C. La studierea schimbului de gaze se determină volumul aerului inhalat și expirat și compoziția acestuia (folosind analizoare de gaze), ceea ce face posibilă calcularea cantității de O 2 consumată și CO 2 emis. Vezi și Respirație, Organe respiratorii.

Lit.: Fiziologia umană. M., 1986. T. 4; West J. Fiziologia respiraţiei. M., 1988; Eckert R., Randell D., Augustine J. Animal Physiology. M., 1992. T. 2; Fiziologia umană. M., 1996. T. 2. G. G. Isaev.

Schimbul de gaze în plante însoțește atât respirația, cât și fotosinteza: în timpul fotosintezei, CO 2 este absorbit, O 2 este eliberat și invers în timpul respirației. Ca toate organismele vii, plantele respiră 24 de ore pe zi, în timp ce fotosinteza are loc numai în lumină. În timpul zilei, de regulă, fotosinteza merge mai repede decât respirația, seara rata scade și la un moment dat devine viteză egală respirație simultană. În acest caz, bursa de gaze nu este înregistrată (starea de compensare). Odată cu o scădere suplimentară a iluminării, respirația începe să predomine, iar în întuneric se eliberează doar CO 2, care se formează ca urmare a respirației.

Schimbul gazos al frunzelor, tulpinilor tinere, florilor are loc prin stomatele (prin deschiderea și închiderea acestora din urmă, planta reglează rata schimbului de gaze). Pe tulpinile vechi, stomatele sunt întotdeauna înlocuite cu lenticele deschise (găuri în plută), astfel încât planta nu poate regla schimbul de gaze al tulpinilor vechi. Rata schimbului de gaze este diferită la plantele din specii diferite, în diferite organe și țesuturi ale aceleiași plante. Depinde de factori externiși stare fiziologică celule. Cantitatea de O 2 sau CO 2 eliberată sau absorbită determină viteza de fotosinteză sau respirație a unei anumite plante sau organe.

Ce este schimbul de gaze? Aproape nicio făptură vie nu se poate descurca fără ea. Schimbul de gaze în plămâni și țesuturi, precum și în sânge, ajută la saturarea celulelor nutrienți. Datorită lui, obținem energie și vitalitate.

Ce este schimbul de gaze?

Organismele vii au nevoie de aer pentru a exista. Este un amestec de multe gaze, a căror parte principală este oxigenul și azotul. Ambele gaze sunt componente esențiale pentru funcționarea normală a organismelor.

În cursul evoluției tipuri diferiteși-au dezvoltat propriile adaptări pentru producerea lor, unii au dezvoltat plămâni, alții au branhii, iar alții folosesc doar pielea. Aceste organe sunt folosite pentru schimbul de gaze.

Ce este schimbul de gaze? Este un proces de interacțiune Mediul externși celulele vii, în timpul cărora are loc un schimb de oxigen și dioxid de carbon. În timpul respirației, oxigenul intră în corp împreună cu aerul. Saturând toate celulele și țesuturile, participă reacție oxidativă, transformându-se în dioxid de carbon, care este excretat din organism împreună cu alți produse metabolice.

Schimbul de gaze în plămâni

În fiecare zi respirăm mai mult de 12 kilograme de aer. Plămânii ne ajută cu asta. Sunt cel mai voluminos organ, capabil să rețină până la 3 litri de aer într-o singură respirație profundă. Schimbul de gaze în plămâni are loc cu ajutorul alveolelor - numeroase bule care se împletesc cu vasele de sânge.

Aerul intră în ele prin tractul respirator superior, trecând prin trahee și bronhii. Capilarele conectate la alveole iau aer și îl transportă prin sistemul circulator. În același timp, ele dau alveolelor dioxid de carbon, care părăsește corpul cu expirație.

Procesul de schimb dintre alveole și vasele de sânge se numește difuzie bilaterală. Are loc în doar câteva secunde și se realizează datorită diferenței de presiune. La oxigenat aerul atmosferic este mai mare, deci se repezi spre capilare. Dioxidul de carbon are mai puțină presiune, motiv pentru care este împins în alveole.

Circulaţie

Fără sistemul circulator, schimbul de gaze în plămâni și țesuturi ar fi imposibil. Corpul nostru este pătruns de multe vase de sânge de diferite lungimi și diametre. Sunt reprezentate de artere, vene, capilare, venule etc. Sângele circulă continuu în vase, facilitând schimbul de gaze și substanțe.

Schimbul de gaze în sânge se realizează cu ajutorul a două cercuri de circulație a sângelui. Când respiră, aerul începe să se miște într-un cerc mare. În sânge, este transportat prin atașarea la o proteină specială numită hemoglobină, care se găsește în celulele roșii din sânge.

Din alveole, aerul intră în capilare și apoi în artere, îndreptându-se direct spre inimă. În corpul nostru, joacă rolul unei pompe puternice, pompând sângele oxigenat către țesuturi și celule. Ei, la rândul lor, dau sânge plin cu dioxid de carbon, direcționându-l prin venule și vene înapoi către inimă.

Trecând prin atriul drept, sângele venos completează un cerc mare. Începe în ventriculul drept.Prin el, sângele este distilat în Se mișcă prin artere, arteriole și capilare, unde schimbă aer cu alveolele pentru a începe din nou ciclul.

Metabolismul tisular

Deci, știm care este schimbul de gaze din plămâni și sânge. Ambele sisteme transportă gaze și le schimbă. Dar rolul cheie revine țesuturilor. Ele sunt principalele procese care se schimbă compoziție chimică aer.

Saturează celulele cu oxigen, care se lansează în ele întreaga linie reacții redox. În biologie, ele sunt numite ciclul Krebs. Pentru implementarea lor sunt necesare enzime, care vin și cu sângele.

În timpul formării acizilor citric, acetic și alți acizi, produse pentru oxidarea grăsimilor, aminoacizilor și glucozei. Acesta este unul dintre repere care însoţeşte schimbul de gaze în ţesuturi. În cursul său, energia necesară pentru funcționarea tuturor organelor și sistemelor corpului este eliberată.

Oxigenul este utilizat în mod activ pentru a efectua reacția. Treptat, se oxidează, transformându-se în dioxid de carbon - CO 2, care este eliberat din celule și țesuturi în sânge, apoi în plămâni și atmosferă.

Schimbul de gaze la animale

Structura corpului și a sistemelor de organe la multe animale variază semnificativ. Mamiferele sunt cele mai asemănătoare cu oamenii. Animalele mici, cum ar fi planarii, nu au sisteme metabolice complexe. Ei își folosesc învelișurile exterioare pentru a respira.

Amfibienii își folosesc pielea, gura și plămânii pentru a respira. La majoritatea animalelor care trăiesc în apă, schimbul de gaze se realizează cu ajutorul branhiilor. Sunt plăci subțiri legate de capilare și care transportă oxigenul din apă în ele.

Artropodele, cum ar fi centipedele, păduchii de lemn, păianjenii, insectele, nu au plămâni. Ei au trahee pe tot corpul care direcționează aerul direct către celule. Un astfel de sistem le permite să se miște rapid fără a experimenta dificultăți de respirație și oboseală, deoarece procesul de generare a energiei este mai rapid.

Schimbul de gaze din plante

Spre deosebire de animale, în plante schimbul de gaze în țesuturi implică atât consumul de oxigen, cât și de dioxid de carbon. Ei consumă oxigen în procesul de respirație. Plantele nu au organe speciale pentru aceasta, așa că aerul intră în ele prin toate părțile corpului.

De obicei, frunzele sunt zona cea mai mare, iar cantitatea principală de aer cade asupra lor. Oxigenul pătrunde în ele prin mici deschideri dintre celule, numite stomate, este procesat și excretat deja sub formă de dioxid de carbon, ca la animale.

O caracteristică distinctivă a plantelor este capacitatea de fotosinteză. Deci, pot transforma componente anorganice în organice cu ajutorul luminii și enzimelor. În timpul fotosintezei, dioxidul de carbon este absorbit și se produce oxigen, astfel încât plantele sunt adevărate „fabrici” de îmbogățire a aerului.

Particularități

Schimbul de gaze este una dintre cele mai importante funcții ale oricărui organism viu. Se desfășoară cu ajutorul respirației și al circulației sângelui, contribuind la eliberarea de energie și metabolism. Caracteristicile schimbului de gaze sunt că nu se desfășoară întotdeauna în același mod.

În primul rând, este imposibil fără respirație; oprirea timpului de 4 minute poate duce la perturbarea celulelor creierului. Ca urmare, organismul moare. Există multe boli în care există o încălcare a schimbului de gaze. Țesuturile nu primesc suficient oxigen, ceea ce le încetinește dezvoltarea și funcționarea.

Se observă, de asemenea, un schimb neuniform de gaze în oameni sanatosi. Crește semnificativ odată cu creșterea efortului muscular. În doar șase minute, atinge puterea maximă și se ține de ea. Cu toate acestea, atunci când sarcina crește, cantitatea de oxigen poate începe să crească, ceea ce va afecta negativ și bunăstarea organismului.