Ходим ли мы, бегаем, думаем и даже мечтаем — абсолютно для любых действий и процессов нужна энергия. Когда мы просто лежим, организм продолжает тратить энергию. Даже во сне расход энергии не прекращается ни на секунду: бьется сердце, сокращаются дыхательные мышцы, работает выделительная система и бегут по нервам импульсы. В этом непрерывном обмене веществ и энергии заключается одно из основных отличий живых организмов от неживой природы.
Самый эффективный путь получения заветных калорий — окислительные процессы при участии кислорода. Именно чтобы обеспечить организму бесконечное окисление содержащихся в нем органических веществ, происходит процесс дыхания. Под дыханием обычно подразумевают постоянные вдохи и выдохи, которые совершают легкие. Однако это внешнее дыхание, первая ступень сложнейшего процесса.
Попав в кровь, кислород в составе белка гемоглобина движется по кровеносной системе и доставляется в каждую клеточку тела. Там, где капилляры не могут подойти непосредственно к клетке, роль посредника выполняет межклеточная жидкость. Только в клетке, а именно в ее части, называемой митохондрией, происходят процессы окисления, в результате которых выделяется необходимая нам энергия.
Откуда берется материал для окисления? Пища — жиры, белки и углеводы — вот топливо, которое медленно, но верно сгорает в кислородной «топке» нашего тела.
Как при любом производстве, здесь не обходится без отходов. Отходами процесса дыхания являются углекислый газ и вода, которые покидают организм различными путями: углекислый газ проделывает тот же путь, что и кислород, но в обратном порядке (клетка — кровь — легкие), вода удаляется через легкие (с водяными парами), почки (с мочой), кожу (с потом) и кишечник.
Какие силы в легких заставляют кислород устремляться в кровь, а углекислый газ — покидать ее?
Любой газ в составе смеси (в данном случае такой смесью будет вдыхаемый нами воздух) обладает собственной силой, называемой парциальным давлением. Такой же силой обладают и газы, растворенные в жидкой среде (в нашем примере жидкость — это кровь), только здесь эта сила называется напряжением. Обе силы измеряются в миллиметрах ртутного столба. Вся «сцена» обмена разыгрывается в легочных пузырьках — альвеолах, которые, как гроздья винограда, висят на концах самых мелких бронхов. Стенка альвеолы образована слоем альвеолярных клеток, слоем клеток капилляра и слоем соединительной ткани между ними и служит границей между воздушной средой легких и кровью капилляров. Она очень тонкая — общая толщина всех трех слоев всего 1 мкм — и является весьма незначительной преградой для газов.
Если парциальное давление газа в газовой смеси больше, чем напряжение этого же газа в жидкости, газ стремится проникнуть в жидкость и раствориться в ней, и наоборот, если напряжение газа в жидкости больше его парциального давления в газовой смеси, газ покидает жидкость. Например, в природе таким способом атмосферный кислород попадает в водоемы — реки и озера, а углекислый газ — из водоемов в атмосферу.
Как происходит газообмен в легких? На уровне моря во вдыхаемом нами воздухе парциальное давление кислорода составляет около 100 мм рт. ст., а его напряжение в венозной крови —40 мм рт. ст. Естественно, кислород «давит» в газе сильнее, чем «напрягает» в жидкости, и эта сила заставляет его поступать в кровь, пока давление и напряжение кислорода не уравновесятся. Кровь протекает через капилляры легких за 0,5 с, а чтобы кровь из венозной превратилась в артериальную, достаточно половины этого времени. При здоровом состоянии человека артериальная кровь насыщается кислородом на 95-97 %.
Для углекислого газа картина обратная. Его парциальное давление в альвеолах — 40 мм рт. ст., а напряжение в крови — 46 мм рт. ст., поэтому углекислый газ «выталкивается» из крови, пока не наступит равновесие. Несколько странным может показаться факт, что, несмотря на меньшую разницу между напряжением и давлением, углекислый газ покидает кровь в 20 раз быстрее, чем кислород проникает в нее. Это происходит потому, что растворимость углекислого газа в 25 раз больше, чем кислорода. Тем не менее артериальная кровь наряду с кислородом всегда содержит небольшое количество углекислого газа.
Дыхание до некоторой степени контролируется сознанием. Мы можем заставить себя дышать чаще или реже, а то и вовсе задержать дыхание. Однако как бы долго мы ни старались сдерживать вдох, наступает момент, когда это становится невозможным. Сигналом для очередного вдоха служит не недостаток кислорода, что могло бы показаться логичным, а избыток углекислого газа. Именно накопившийся в крови углекислый газ является физиологическим стимулятором дыхания. После открытия роли углекислого газа его начали добавлять в газовые смеси аквалангистов, чтобы стимулировать работу дыхательного центра. Этот же принцип используют при наркозе.
В нормальных условиях в состоянии покоя человек совершает около 15 дыхательных циклов, то есть вдох-выдох происходит каждые 4-5 с. Если искусственно понизить содержание углекислого газа в крови путем гипервентиляции, выполнив шесть-восемь частых глубоких вдохов и выдохов, то после последнего выдоха наступает интересное состояние — на некоторое время исчезает потребность дышать. Желание сделать вдох появляется примерно через 0,5 мин вместо обычных 4-5 с. Это происходит потому, что при гипервентиляции углекислый газ активно удаляется из организма и его напряжение в артериальной крови значительно падает. Теперь для возбуждения дыхательного центра потребуется больше времени, пока содержание углекислого газа не достигнет нужного уровня. Чем чревата гипервентиляция для ныряльщиков, вы узнаете позже.
Повышение содержания углекислого газа в окружающем воздухе, например в закрытом помещении, заставляет нас чаще дышать. Мы ощущаем нехватку воздуха, но почему-то связываем это с недостатком кислорода, а не с избытком углекислого газа. Недостаток кислорода — гипоксия — вызывает чувство сонливости, а не приступ удушья.
Примером гипоксии, часто приводящей к смерти, является отравление угарным газом. Особенно велико его содержание в автомобильных выхлопах. Коварство этого газа в том, что он не имеет цвета и запаха. Единственный признак начинающегося отравления — непреодолимое желание спать. Угарный газ, как и кислород, соединяется с гемоглобином, но эта связь в 300 раз прочнее. Чем дольше человек дышит угарным газом, тем меньше кислорода остается в его крови. Единственное, что может спасти человека при тяжелом отравлении, — срочное переливание крови, так как при этом в организм поступят эритроциты, свободные от угарного газа и способные переносить кислород.
Отравление угарным газом — это крайний случай гипоксии. В целом у человека, как и у других живых существ, есть разнообразные приспособления для борьбы с недостатком кислорода —учащение дыхания, усиление выработки красных клеток крови и ускорение синтеза гемоглобина. Если содержание кислорода и меняется в окружающей среде, то исключительно в сторону уменьшения, а вот от избытка кислорода организму защищаться нечем.
Как ни странно, при дыхании чистым кислородом наступает отравление организма, а затем гибель от асфиксии, то есть удушья. Если во вдыхаемом воздухе содержание кислорода чрезмерно велико, гемоглобин крови на 100 % насыщается кислородом, а молекулы кислорода, которым не хватило места в эритроцитах, растворяются в крови и отправляются в «свободное плавание». По мере того как эритроциты отдают кислород клеткам, его «свободно плавающие» молекулы занимают освободившееся место. Проходя через капилляры, эритроциты не успевают забрать основную массу углекислого газа, так как 75 % его переносится к легким именно эритроцитами и только 25 % растворяется в плазме крови. Тогда молекулы углекислого газа остаются не удел, ведь «оседлать» эритроциты они могут, только пока те плывут по капиллярам, поскольку газообмен происходит исключительно в этих сосудах. Так вместо венозной крови по венам течет кровь, полная кислорода, а углекислый газ остается в клетках и провоцирует приступ удушья.
В легких кровь снова насыщается кислородом сверх нормы, и история повторяется. Очень быстро количество углекислого газа в клетках и тканях становится настолько ощутимым, что краснеет лицо, появляются одышка, головная боль и судороги (подергивания в мышцах губ, век, лица и пальцев рук и ног), и в конце концов человек теряет сознание, а «беспризорный» кислород продолжает наводить свои порядки. Его молекулы чрезвычайно активны и тратят окислительные силы направо и налево. В первую очередь они разрушают клеточные мембраны, которые состоят главным образом из легко окисляющихся липидных (жироподобных) молекул. Несколько сотен окисленных молекул липида могут запустить цепную реакцию саморазрушения всей клетки. Распадающиеся молекулы уже не просто неспособны выполнять свои функции — они очень токсичны. Разрушаются клетки легких и кровеносных сосудов, страдают сердце, печень, головной и спинной мозг. В атмосфере чистого кислорода человек может выжить не более суток.
ЭТО ИНТЕРЕСНО
Венозная кровь окрашена в темно-вишневый цвет, а в тропиках она приобретает алый оттенок. Это происходит потому, что в теплом и влажном климате человеку требуется меньше энергии для поддержания процессов жизнедеятельности и нормальной температуры тела. Следовательно, организм потребляет меньше кислорода, поэтому в вены возвращается кровь, богатая кислородом. Самые потребляющие кислород органы — сердечная мышца и головной мозг. На 1 мм2 этих органов приходится 2,5-3 тыс. капилляров, тогда как на 1 мм2 скелетной мышцы — только 0,3-1 тыс. капилляров.
Около 15 % всего кислорода, который поступает в организм в состоянии покоя, потребляет сердце.
При вдохе сокращения сердца учащаются, а при выдохе — замедляются.
Общая площадь альвеол у взрослого человека примерно в 50 раз больше поверхности тела.
