Что такое парциальное давление кислорода в атмосфере

ГАЗООБМЕН В ЛЕГКИХ И ТКАНЯХ

Значение дыхания. Дыхание — жизненно необходимый процесс постоянного обмена газами между организмом и окружаю­щей его внешней средой. В процессе дыхания человек погло­щает из окружающей среды кислород и выделяет углекислый газ.

Почти все сложные реакции превращения веществ в организме идут с обязательным участием кислорода. Без кислорода невоз­можен обмен веществ, и для сохранения жизни необходимо постоян­ное поступление кислорода. В клетках и тканях в результате об­мена веществ образуется углекислый газ, который должен быть удален из организма. Накопление значительного количества угле­кислого газа внутри организма опасно. Углекислый газ выносится кровью к органам дыхания и выдыхается. Кислород, поступаю­щий в органы дыхания при вдохе, диффундирует в кровь и кровью доставляется к органам и тканям.

В организме человека и животных нет запасов кислорода, и поэтому непрерывное поступление его в организм является жиз­ненной необходимостью. Если человек в необходимых случаях может прожить без пищи более месяца, без воды до 10 дней, то при отсутствии кислорода необратимые изменения наступают уже через 5—7 мин.

Состав вдыхаемого, выдыхаемого и альвеолярного воздуха. Производя попеременно вдох и выдох, человек вентилирует легкие, поддерживая в легочных пузырьках (альвеолах) относительно по­стоянный газовый состав. Человек дышит атмосферным воздухом с большим содержанием кислорода (20,9%) и низким содержани­ем углекислого газа (0,03%), а выдыхает воздух, в котором кисло­рода 16,3%, углекислого газа 4% (табл. 8).

Состав альвеолярного воздуха значительно отличается от состава атмосферного, вдыхаемого воздуха. В нем меньше кислоро­да (14,2%) и большое количество углекислого газа (5,2%).

Азот и инертные газы, входящие в состав воздуха, в дыхании участия не принимают, и их содержание во вдыхаемом, выдыхае­мом и альвеолярном воздухе практически одинаково.

Почему в выдыхаемом воздухе кислорода содержится больше, чем в альвеолярном? Объясняется это тем, что при выдохе к альвео­лярному воздуху примешивается воздух, который находится в ор­ганах дыхания, в воздухоносных путях.

Для газов, растворенных в жидкости, употребляют термин «напряжение», соответствующий термину «парциальное давление», применяемому для свободных газов. Напряжение газов выражается в тех же единицах, что и давление (в мм рт. ст.). Если парциаль­ное давление газа в окружающей среде выше, чем напряжение этого газа в жидкости, то газ растворяется в жидкости.

Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе 100—105 мм рт. ст., а в притекающей к легким крови напряжение кислорода в среднем 60 мм рт. ст., поэтому в легких кислород из альвеолярного воздуха переходит в кровь.

Движение газов происходит по законам диффузии, согласно которым газ распространяется из среды с высоким парциальным давлением в среду с меньшим давлением.

Газообмен в легких. Переход в легких кислорода из альвео­лярного воздуха в кровь и поступление углекислого газа из крови в легкие подчиняются описанным выше закономерностям.

Из таблицы 9 следует, что разность между напряжением газов в венозной крови и их парциальным давлением в альвеолярном воздухе составляет для кислорода ПО — 40 = 70 ммрт. ст., а для углекислого газа 47 — 40 — 7 мм рт. ст.

Благодаря работам великого русского физиолога Ивана Михай­ловича Сеченова стало возможно изучение газового состава крови и условий газообмена в легких и тканях.

Газообмен в легких совершается между альвеолярным возду­хом и кровью путем диффузии. Альвеолы легких оплетены густой сетью капилляров. Стенки альвеол и капилляров очень тонкие, что способствует проникновению газов из легких в кровь и наобо­рот. Газообмен зависит от величины поверхности, через которую осу­ществляется диффузия газов, и разности парциального давления (напряжения) диффундирующих газов. При глубоком вдохе альве­олы растягиваются, и их поверхность достигает 100—105 м2. Так же велика и поверхность капилляров в легких. Есть, и достаточ­ная, разница между парциальным давлением газов в альвеоляр­ном воздухе и напряжением этих газов в венозной крови (табл. 9).

Опытным путем удалось установить, что при разнице напряже­ния кислорода в 1 мм рт. ст. у взрослого человека, находящегося в покое, в кровь может поступить 25—60 мл кислорода в \мин. Человеку в покое нужно примерно 25—30 мл кислорода в I мин. Следовательно, разность давлений кислорода в 70 мм рт. ст. достаточна для обеспечения организма кислородом при разных условиях его деятельности: при физической работе, спортивных упражнениях и др.

Скорость диффузии углекислого газа из крови в 25 раз больше, чем кислорода, поэтому при разности давлений в 7 мм рт. ст. углекислый газ успевает выделиться из крови.

Перенос газов кровью. Кровь переносит кислород и углекислый газ. В крови, как и во всякой жидкости, газы могут находиться в двух состояниях: в физически растворенном и химически связан­ном. И кислород и углекислый газ в очень небольшом количестве растворяются в плазме крови. Большая часть кислорода и углекис­лого газа переносится в химически связанном виде.

Основной переносчик кислорода — гемоглобин крови. 1 г гемо­глобина связывает 1,34 мл кислорода. Гемоглобин обладает спо­собностью вступать в соединение с кислородом, образуя оксигемо­глобин. Чем выше парциальное давление кислорода, тем больше образуется оксигемоглобина. В альвеолярном воздухе парциаль­ное давление кислорода 100—ПО мм рт. ст. При таких условиях 97% гемоглобина крови связывается с кислородом. Кровь приносит к тканям кислород в виде оксигемоглобина. Здесь парциальное давление кислорода низкое, и оксигемоглобин — соединение не­прочное — высвобождает кислород, который используется тканями. На связывание кислорода гемоглобином оказывает влияние и на­пряжение углекислого газа. Углекислый газ уменьшает способ­ность гемоглобина связывать кислород и способствует диссоциации оксигемоглобина. Повышение температуры также уменьшает воз­можности связывания гемоглобином кислорода. Известно, что тем­пература в тканях выше, чем в легких. Все эти условия помогают диссоциации оксигемоглобина, в результате чего кровь отдает вы­свободившийся из химического соединения кислород в тканевую жидкость.

Свойство гемоглобина связывать кислород имеет жизненно важ­ное значение для организма. Иногда люди гибнут от недостатка кислорода в организме, окруженные самым чистым воздухом. Это может случиться с человеком, оказавшимся в условиях понижен­ного давления (на больших высотах), где в разреженной атмосфере очень низкое парциальное давление кислорода. 15 апреля 1875 г. воздушный шар «Зенит», на борту которого находились три возду­хоплавателя, достиг высоты 8000 м. Когда шар приземлился, то в живых остался только один человек. Причиной гибели людей было резкое снижение парциального давления кислорода на боль­шой высоте. На больших высотах (7—8 км) артериальная кровь по своему газовому составу приближается к венозной; все ткани тела начинают испытывать острый недостаток в кислороде, что и при­водит к тяжелым последствиям. Подъем на высоту более 5000 м обычно требует пользования особыми кислородными приборами.

При специальной тренировке организм может приспосабливать­ся к пониженному содержанию кислорода в атмосферном воздухе. У тренированного человека углубляется дыхание, увеличивается количество эритроцитов в крови за счет усиленного образования их в кроветворных органах и поступления из депо крови. Кроме того, усиливаются сердечные сокращения, что приводит к увеличению минутного объема крови.

Для тренировки широко применяют барокамеры.

Углекислый газ переносится кровью в виде химических соеди­нений — бикарбонатов натрия и калия. Связывание углекислого газа и отдача его кровью зависят от его напряжения в тканях и крови.

Кроме того, в переносе углекислого газа участвует гемоглобин крови. В капиллярах тканей гемоглобин вступает в химическое соединение с углекислым газом. В легких это соединение распадает­ся с освобождением углекислого газа. Около 25—30% выделяемого в легких углекислого газа переносит гемоглобин.

Источник

Глава IV. Дыхание

1. Газообмен в легких и тканях

Значение дыхания

Почти все сложные реакции превращения веществ в организме идут с обязательным участием кислорода. Без кислорода невозможен обмен веществ, и для сохранения жизни необходимо постоянное поступление кислорода. В клетках и тканях в результате обмена веществ образуется углекислый газ, который должен быть удален из организма. Накопление значительного количества углекислого газа внутри организма опасно. Углекислый газ выносится кровью к органам дыхания и выдыхается. Кислород, поступающий в органы дыхания при вдохе, диффундирует в кровь и кровью доставляется к органам и тканям.

В организме человека и животных нет запасов кислорода, и поэтому непрерывное поступление его в организм является жизненной необходимостью. Если человек в необходимых случаях может прожить без пищи более месяца, без воды до 10 дней, то при отсутствии кислорода необратимые изменения наступают уже через 5-7 мин.

Состав вдыхаемого, выдыхаемого и альвеолярного воздуха

Производя попеременно вдох и выдох, человек вентилирует легкие, поддерживая в легочных пузырьках (альвеолах) относительно постоянный газовый состав. Человек дышит атмосферным воздухом с большим содержанием кислорода (20,9%) и низким содержанием углекислого газа (0,03%), а выдыхает воздух, в котором кислорода 16,3%, углекислого газа 4% (табл. 8).

Состав альвеолярного воздуха значительно отличается от состава атмосферного, вдыхаемого воздуха. В нем меньше кислорода (14,2%) и большое количество углекислого газа (5,2%).

Азот и инертные газы, входящие в состав воздуха, в дыхании участия не принимают, и их содержание во вдыхаемом, выдыхаемом и альвеолярном воздухе практически одинаково.

Таблица 8. Состав вдыхаемого, выдыхаемого и альвеолярного воздуха

Почему в выдыхаемом воздухе кислорода содержится больше, чем в альвеолярном? Объясняется это тем, что при выдохе к альвеолярному воздуху примешивается воздух, который находится в органах дыхания, в воздухоносных путях.

Парциальное давление и напряжение газов

Для газов, растворенных в жидкости, употребляют термин «напряжение», соответствующий термину «парциальное давление», применяемому для свободных газов. Напряжение газов выражается в тех же единицах, что и давление (в мм рт. ст.). Если парциальное давление газа в окружающей среде выше, чем напряжение этого газа в жидкости, то газ растворяется в жидкости.

Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе 100-105 мм рт. ст., а в притекающей к легким крови напряжение кислорода в среднем 60 мм рт. ст., поэтому в легких кислород из альвеолярного воздуха переходит в кровь.

Движение газов происходит по законам диффузии, согласно которым газ распространяется из среды с высоким парциальным давлением в среду с меньшим давлением.

Газообмен в легких

Переход в легких кислорода из альвеолярного воздуха в кровь и поступление углекислого газа из крови в легкие подчиняются описанным выше закономерностям.

Благодаря работам великого русского физиолога Ивана Михайловича Сеченова стало возможно изучение газового состава крови и условий газообмена в легких и тканях.

Таблица 9. Парциальное давление кислорода и углекислого газа во вдыхаемом и альвеолярном воздухе и их напряжение в крови

Опытным путем удалось установить, что при разнице напряжения кислорода в 1 мм рт. ст. у взрослого человека, находящегося в покое, в кровь может поступить 25-60 мл кислорода в 1 мин. Человеку в покое нужно примерно 25-30 мл кислорода в 1 мин. Следовательно, разность давлений кислорода в 70 мм рт. ст, достаточна для обеспечения организма кислородом при разных условиях его деятельности: при физической работе, спортивных упражнениях и др.

Скорость диффузии углекислого газа из крови в 25 раз больше, чем кислорода, поэтому при разности давлений в 7 мм рт. ст., углекислый газ успевает выделиться из крови.

Перенос газов кровью

Кровь переносит кислород и углекислый газ. В крови, как и во всякой жидкости, газы могут находиться в двух состояниях: в физически растворенном и химически связанном. И кислород и углекислый газ в очень небольшом количестве растворяются в плазме крови. Большая часть кислорода и углекислого газа переносится в химически связанном виде.

Свойство гемоглобина связывать кислород имеет жизненно важное значение для организма. Иногда люди гибнут от недостатка кислорода в организме, окруженные самым чистым воздухом. Это может случиться с человеком, оказавшимся в условиях пониженного давления (на больших высотах), где в разреженной атмосфере очень низкое парциальное давление кислорода. 15 апреля 1875 г. воздушный шар «Зенит», на борту которого находились три воздухоплавателя, достиг высоты 8000 м. Когда шар приземлился, то в живых остался только один человек. Причиной гибели людей было резкое снижение парциального давления кислорода на большой высоте. На больших высотах (7-8 км) артериальная кровь по своему газовому составу приближается к венозной; все ткани тела начинают испытывать острый недостаток в кислороде, что и приводит к тяжелым последствиям. Подъем на высоту более 5000 м обычно требует пользования особыми кислородными приборами.

При специальной тренировке организм может приспосабливаться к пониженному содержанию кислорода в атмосферном воздухе. У тренированного человека углубляется дыхание, увеличивается количество эритроцитов в крови за счет усиленного образования их в кроветворных органах и поступления из депо крови. Кроме того, усиливаются сердечные сокращения, что приводит к увеличению минутного объема крови.

Для тренировки широко применяют барокамеры.

Кроме того, в переносе углекислого газа участвует гемоглобин крови. В капиллярах тканей гемоглобин вступает в химическое соединение с углекислым газом. В легких это соединение распадается с освобождением углекислого газа. Около 25-30% выделяемого в легких углекислого газа переносит гемоглобин.

Источник

Определение парциального давления газов в атмосфере

С уменьшением барометрического давления снижается и парциальное давление основных газов, входящих в состав атмосферы. Количественный же состав воздушной смеси в тропосфере остается практически неизменным. Так атмосферный воздух в нормальных условиях (на уровне моря) содержит 21% кислорода, 78% азота, 0,03% углекислого газа и почти % приходится на инертные газы: гелий, ксенон, аргон и т.д.

Парциальное давление газа в атмосферном воздухе определяется по формуле:

, (1.1)

Рh – барометрическое давление на фактической высоте.

Решающую роль в поддержании жизнедеятельности человека играет газовый обмен между организмом и внешней средой. Газовый обмен осуществляется за счет дыхания и кровообращения: в организм непрерывно поступает кислород, а из организма выделяется углекислый газ и другие продукты обмена веществ. Чтобы этот процесс не нарушался необходимо поддерживать парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе на уровне близком к земному.

Парциальным давлением кислорода (О₂) в воздухе называется часть общего давления воздуха, приходящаяся на долю О_2.

Так, на уровне моря (Н=0м), в соответствии с (1.1), парциальное давление кислорода составит:

, (1.2)

Р_h=0 – барометрическое давление на высоте уровня моря

При увеличении высоты суммарное давление газов падает, однако парциальное давление таких составных частей, как углекислого газа и водяных паров в альвеолярном воздухе, практически остается без изменений.

И равно, при температуре тела человека 37 0 С примерно:

· для водяных паров РН₂О=47мм рт.ст.;

· для углекислого газа РСО₂=40 мм рт.ст.

При этом значительно изменяется скорость падения давления кислорода в альвеолярном воздухе.

Атмосферное давление и температура воздуха на высотах

По международному стандарту

Таблица 1.4

Парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе (под маской и в верхних дыхательных путях) рассчитывается по формуле:

, (1.3)

А в альвеолярном воздухе по формуле:

, (1.4)

Рh – барометрическое давление на определенной высоте;

РН₂О=47мм рт.ст. – парциальное давление водяных паров;

РСО₂=40 мм рт.ст.– парциальное давление углекислого газа

В соответствии с (1.3), парциальное давление вдыхаемого кислорода (под маской и в верхних дыхательных путях) в нормальных условиях должно быть:

, (1.5)

И парциальное давление в альвеолярном воздухе, в соответствие с (4), в нормальных условиях должно быть:

(1.6)

По оценкам ученых установлено, что нижним пределом РО₂, при котором человек еще работоспособен, является РО₂ = 98 мм рт.ст. Это соответствует высоте Н=3000 м, которая называется безопасной высотой.

Источник

Парциальное давление и напряжение газов

Если над жидкостью находится смесь газов, то каждый газ растворяется в ней соответственно его парциальному давлении, в смеси, т. е. тому давлению, которое приходится на его долю. Парциальное давление любого газа в газовой смеси можно вычислить, зная общее давление газовой смеси и ее процентный состав. Так, при атмосферном давлении воздуха 700 мм рт.ст. парциальное давление кислорода составляет примерно 21% от 760 мм, т. е. 159 мм, азота — 79% от 700 мм, т. е. 601 мм.

При расчете парциального давления газов в альвеолярном воздухе следует учесть, что он насыщен водяными парами, парциальное давление которых при температуре тела равно 47 мм рт. ст. Поэтому на долю остальных газов (азота, кислорода, углекислого газа) приходится уже не 700 мм, а 700—47 — 713 мм. При содержании кислорода в альвеолярном воздухе, равном 14,3%, парциальное давление его будет равно только 102 мм; при содержании углекислого газа, равном 5,6%, парциальное давление его равно 40 мм.

Если жидкость, насыщенная газом при определенном парциальном давлении придет в соприкосновение с тем же газом, но имеющим меньшее давление, то часть газа выйдет из раствора и количество растворенного газа уменьшится. Если же давление газа будет выше, тогда в жидкости растворится большее количество газа.

Растворение газов зависит от парциального давления, т. е. давления именно данного газа, а не общего давления газовой смеси. Поэтому, например, кислород, растворенный в жидкости, будет выходить в атмосферу азота так же, как и в пустоту, даже в том случае, когда азот находится под очень большим давлением.

При соприкосновении жидкости с газовом смесью определенного состава количество газа, поступившего в жидкость или вышедшего из нее, зависит не только от соотношения давлений газа в жидкости и в газовой смеси, но и от их объемов. Если большой объем жидкости соприкасается с большим объемом газовой смеси, давление которой резко отличается от давления газов в жидкости, то из последней могут выйти или могут войти в нее большие количества газа. Напротив, если достаточно большой объем жидкости соприкасается с газовым пузырьком малого объема, то из жидкости выйдет или войдет в нее очень небольшое количество газа в газовый состав жидкости практически не изменится.

Для газов, растворенных в жидкости, употребляется термин « напряжение », соответствующий термину «парциальное давление» для свободных газов. Напряжение выражается в тех же единицах, что и давление, т.е.в атмосферах или в миллиметрах ртутного или водяного столба. Если напряжение газа равно 1,00 мм рт. ст., то это означает, что растворенная в жидкости газ находится в равновесии со свободным газом, находящихся под давлением 100 мм.

Если напряжение растворенного газа не равно парциальному давлению свободного газа, то равновесие нарушается. Оно восстанавливается, когда эти две величины снова станут равны друг другу. Например, если напряжение кислорода в жидкости замкнутого сосуда равно 100 мм, а давление кислорода в воздухе этого сосуда 150 мм, то кислород будет входить а жидкость.

При этом напряжение кислорода в жидкости будет уволичиваться, а его давление вне жидкости уменьшаться, пока не установится новое динамическое равновесие и обе эти величины не сравняются, получив какое-то новое значение между 150 и 100 мм. Как изменится в данном оучае давление и напряжение, зависит от относительных объемов газа и жидкости.

Источник

Парциальное давление кислорода в крови

Диффузия газов в легких

В обычных условиях человек дышит обычным воздухом, имеющим относительно постоянный состав (табл. 1). В выдыхаемом воздухе всегда меньше кислорода и больше углекислого газа. Меньше всего кислорода и больше всего углекислого газа 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 механизмы поддерживают постоянство состава альвеолярного воздуха. Состав альвеолярного воздуха при спокойном дыхании мало зависит от фаз вдоха и выдоха. Например, содержание углекислого газа в конце вдоха всего на 0,2-0,3% меньше, чем в конце выдоха, так как при каждом вдохе обновляется лишь 1/7 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.

Таблица 1. Состав воздуха (в %)

Название газа

Воздух

вдыхаемый

выдыхаемый

альвеолярный

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

Парциальное давление газа: понятие и формула

Парциальное давленые газа в газовой смеси пропорционально процентному содержанию газа и общему давлению смеси:

Для воздуха: Р_{атмосферное} = 760 мм рт. ст.; С_{кислорода} = 20,95%.

Оно зависит от природы газа. Всю газовую смесь атмосферного воздуха принимают за 100%, она обладает давлением 760 мм рт. ст., а часть газа (кислорода — 20,95%) принимают за х. Отсюда парциальное давление кислорода в смеси воздуха равно 159 мм рт. ст. При расчете парциального давления газов в альвеолярном воздухе необходимо учитывать, что он насыщен водяными парами, давление которых составляет 47 мм рт. ст. Следовательно, на долю газовой смеси, входящей в состав альвеолярного воздуха, приходится давление не 760 мм рт. ст., а 760 — 47 = 713 мм рт. ст. Это давление принимается за 100%. Отсюда легко вычислить, что парциальное давление кислорода, который содержится в альвеолярном воздухе в количестве 14,3%, будет равно 102 мм рт. ст.; соответственно, расчет парциального давления углекислого газа показывает, что оно равно 40 мм рт. ст.

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

Диффузия газов через барьер подчиняется закону Фика; так как толщина мембраны и площадь диффузии одинакова, диффузия зависит от диффузионного коэффициента и градиента давления:

Q_газа — объем газа, проходящего через ткань в единицу времени; S — площадь ткани; DK-диффузионный коэффициент газа; (Р₁, — Р₂) — градиент парциального давления газа; Т — толщина барьера ткани.

Если учесть, что в альвеолярной крови, притекающей к легким, парциальное напряжение кислорода составляет 40 мм рт. ст., а углекислого газа — 46-48 мм рт. ст., то градиент давления, определяющий диффузию газов в легких, будет составлять: для кислорода 102 — 40 = 62 мм рт. ст.; для углекислого газа 40 — 46(48) = минус 6 — минус 8 мм рт. ст. Поскольку диффузный коэффициент углекислого газа в 25 раз больше, чем у кислорода, то углекислый газ более активно уходит из капилляров в альвеолы, чем кислород в обратном направлении.

В крови газы находятся в растворенном (свободном) и химически связанном состоянии. В диффузии участвуют только молекулы растворенного газа. Количество газа, растворяющегося в жидкости, зависит:

Чем выше давление данного газа и 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 % углекислого газа.

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 в жидкости.

Если парциальное давление газа выше его напряжения, то газ будет растворяться. Если парциальное давление газа ниже его напряжения, то газ будет из раствора выходить в газовую среду.

Парциальное давление и напряжение кислорода и углекислого газа в легких приведены в табл. 2.

Таблица 2. Парциальное давление и напряжение кислорода и углекислого газа в легких (в мм рт. ст.)

Название газа

Венозная кровь

Альвеолярный воздух

Источник