22.4: Газообмен и перенос

Газообмен, поглощение молекулярного кислорода (O ₂ ) из окружающей среды и отток углекислого газа (CO ₂ ) в окружающую среду, необходим для клеточного функция. Газообмен во время дыхания происходит в основном за счет движения молекул газа по градиентам давления. Газ перемещается из областей с более высоким парциальным давлением в области с более низким парциальным давлением. У млекопитающих газообмен происходит в альвеолах легких, которые прилегают к капиллярам и имеют с ними общую мембрану.

Когда легкие расширяются, в результате снижения давления по отношению к атмосфере в легкие попадает кислород. Воздух, поступающий в легкие из окружающей среды, имеет более высокую концентрацию кислорода и более низкую концентрацию углекислого газа, чем обедненная кислородом кровь, которая проходит от сердца к легким. Таким образом, кислород диффундирует из альвеол в кровь в капиллярах, откуда он может быть доставлен в ткани. Углекислый газ, напротив, диффундирует из капилляров в альвеолы, откуда он может быть выведен через выдох.

Парциальное давление

Расход газа определяется градиентом давления каждого газа, при этом каждый газ движется вниз по своему градиенту. Давление, оказываемое отдельным газом в смеси газов, является его парциальным давлением, и каждый газ перемещается от более высокого к более низкому парциальному давлению. Таким образом, движение O ₂ и CO ₂ напрямую не связано.

Общая картина

Кислород используется организмом человека для преобразования сахара и других органических молекул в энергетическое соединение АТФ в процессе клеточного дыхания. Побочным продуктом клеточного дыхания является CO ₂ , который необходимо удалить из клеток, иначе он изменит pH и повредит клетки. Поскольку кислород необходим для обеспечения энергией важнейших клеточных функций, а CO ₂ не может накапливаться, человеческому организму необходим постоянный поток крови ко всем тканям и от них для обеспечения газообмена.

Альвеолы ​​

Дыхательная и кровеносная системы структурно и функционально встречаются в альвеолах. Альвеолы ​​и капилляры переплетены и физически соприкасаются, и, поскольку оба обычно имеют толщину в одну клетку, между ними легко происходит газообмен. Несмотря на то, что легкие невелики, количество обмениваемых O ₂ и CO ₂ огромно, потому что в каждом легком очень много альвеол - сотни миллионов с площадь около 100 м ² !

Подача кислорода и удаление углекислого газа являются неотъемлемой частью производительности и выживания клетки. Этот газообмен обусловлен диффузией газа к областям с более низким частичным давлением, давлением, оказываемым одним газом в смеси газов, в разных частях органов дыхания и системы кровообращения. Когда кислород попадает в лёгкие, он смешивается с остаточным воздухом, снижая альвеолярное парциальное давление кислорода и увеличивая поглощение кислорода лёгкими.

Затем кислород рассеивается через альвеолы в соседние капилляры, снова передвигаясь в среду с более низким парциальным давлением. В крови кислород связывается с дыхательным пигментом, гемоглобином, обнаруженным в красных кровяных тельцах, и путешествует к тканям, где парциальное давление кислорода ниже, так что он диссоциирует от гемоглобина и высвобождается. Таким же образом, углекислый газ следует своему градиенту давления от ткани к крови, и транспортируется обратно в лёгкие, где градиент давления приводит к выбросу углекислого газа в альвеолы, а кислорода в кровь, перезапуская цикл.