21.4. Газообмен Содержание газов в альвеолах

Вычисление содержания газов в альвеолах. Газовую смесь в альвеолах, участвующих в газообмене, прежде называли альвеолярным воздухом. Однако теперь достигнуто общее согласие в том, чтобы «воздухом» называть только смесь газов, по составу аналогичную атмосферному воздуху (FO₂ = 0,209, FCO₂ ≈ 0, FN₂ =0,791). Поскольку в альвеолах содержание газов иное (в них меньше O₂ и больше СO₂ ), следует употреблять термин «альвеолярная газовая смесь».

Для того чтобы рассчитать содержание O₂ и СO₂ в альвеолярной газовой смеси, будем исходить из баланса их поступления и выделения. Поглощение O₂ кровью (VO₂ ) равно разнице между количеством O₂ , поступающим в альвеолы при входе (Fи O₂ •Va), и количеством O₂, выходящего из них при выдохе (FaO₂ • Va). Выделение же СO₂ , из крови соответствует количеству этого газа, выходящему из альвеол при выдохе (FaO₂ • Va), так как со вдыхаемым воздухом CO₂ практически не поступает в альвеолы. Эти соотношения можно описать следующими уравнениями:

VO₂ = Fи O₂•Va – FaO₂ • Va, VCO₂ =FaCO₂•Va (19)

или (после преобразования)

 

FaO₂= Fи O₂– VO₂/ Va, FaCO₂= VCO₂/ Va (20)

Отсюда ясно, что содержание газов в альвеолярной газовой смеси зависит как от потребления O₂ и выделения СO₂ в процессе метаболизма, так и от объема альвеолярной вентиляции (Va). Важно отметить, что уравнение (20) справедливо лишь в том случае, если объемы, стоящие в числителе и знаменателе, измерены в одинаковых условиях. Однако, когда говорят о поглощении O₂ и выделении СO₂ , обычно имеют в виду стандартные физические условия, тогда как дыхательные объемы и другие показатели вентиляции легких определяют при условиях, имеющих место в организме. В связи с этим необходимо производить соответствующие пересчеты.

Пересчет значений объемов, измеренных при разных условиях. Объем газа зависит от атмосферного давления Ратм, температуры Т и давления водяного пара РH₂O. В связи с этим всегда необходимо указывать условия, при которых измерен тот или иной объем. В физиологии дыхания выделяют следующие типы условий.

1. Условия СТДС (от слов стандартная температура и давление; сухой воздух). Это стандартные физические условия; объемы газов измеряются при Т = 273 К, Ратм = 760 мм рт. ст., РH₂O = 0 мм рт. ст. (сухой воздух).

2. Условия ТДОН (температура и давление в организме; насыщенный водяным паром воздух). Это условия, имеющие место в легких (Т = 273 К + 37 К = 310 К; Ратм соответствует атмосферному давлению окружающей среды и поэтому может быть различным; РH₂O равно давлению насыщенного водяного пара при 37 °С, т. е. 47 мм рт. ст.).

3. Условия ТДВН (температура и давление во внешней среде; насыщенный водяным паром воздух). Это условия, которые реально имеют место в окружающей среде во время измерения («условия в спирометре»),–комнатная температура Т, атмосферное давление в момент исследования Ратм, давление водяного пара в окружающей среде.

Сводка всех этих условий приведена в табл. 21.2. Видно, что для получения давления «сухой» газовой смеси, от которого зависит объем газа, из общего давления всегда следует вычитать давление водяного пара.

Для того чтобы пересчитать объем газа с одних условий на другие, следует использовать универсальное газовое уравнение

 

 

Применяя это общее уравнение в конкретных случаях, можно использовать данные, приведенные в табл. 21.2. Так, для приведения объема газа, измеренного при условиях в организме (Vтдон) к стандартным условиям (Vстдс) необходимо сделать следующую подстановку:

 

Vстдс/ Vтдон= 273/310 •(Pатм – 47)/760= Pатм– 7/863 (22)

 

Искомая величина довольно существенно зависит от принятых условий. Так, если альвеолярная вентиляция в покое при условиях ТДОН составляет 5 л/мин, то в соответствии с уравнением (22) в условиях СТДС (при среднем атмосферном давлении на уровне моря Ратм = 760 мм рт. ст.) она уменьшается до 4,1 л/мин.

Содержание газов в альвеолярной смеси в условиях покоя. Для расчета содержания дыхательных газов в альвеолярной смеси подставим в уравнение (20) значения, соответствующие стандартным условиям. У взрослого поглощение кислорода в покое V^∙O₂ (СТДС) = 0,28 л/мин, а выделение СO₂ (СТДС) = 0,23 л/мин. Таким образом, отношение выделения СO₂ к поглощению O₂, называемое дыхательным коэффициентом, составляет 0,23/0,28 = 0,82. Альвеолярная вентиляция Vа(СТДС) равна 4,1 л/мин (см. выше); содержание O₂ во вдыхаемом воздухе FиO₂ = 0,209 (20,9 об.%) (табл. 21.3). Соответственно содержание газов в альвеолярной смеси составляет:

 

FaO₂ = 0,14 (14 об.%),

FaCO₂ = 0,056 (5,6 об.%).

 

Оставшаяся часть альвеолярной газовой смеси приходится на азот и присутствующие в очень небольшом количестве благородные газы.

Анализ альвеолярной газовой смеси. Одна из первых трудностей, с которыми приходится сталкиваться при определении содержания газов в альвеолах, связана с получением проб альвеолярной газовой смеси. При выдохе из воздухоносных путей сначала удаляется воздух мертвого пространства и лишь после этого начинает выходить воздух из альвеол. Однако даже к концу выдоха состав выдыхаемой смеси постоянно претерпевает небольшие изменения, обусловленные тем, что в альвеолах продолжается газообмен. В связи с этим были разработаны

 

 

специальные устройства, позволяющие при помощи механических или электронных приспособлений производить забор последней порции выдыхаемого воздуха при каждом дыхательном цикле [3].

После получения пробы альвеолярной газовой смеси можно с помощью специальной аппаратуры определить содержание в ней различных газов. При использовании метода Шоландера химически абсорбируют последовательно O₂ и СO₂ . После каждой операции измеряют, на сколько уменьшился объем газовой смеси. Разница в объемах равна объему абсорбированного газа [43].

Существуют газоанализаторы, позволяющие непрерывно регистрировать содержание газов в выдыхаемой смеси. Принцип подобных приборов, измеряющих концентрацию СO₂ , основан на поглощении этим газом инфракрасных лучей; измерение концентрации O₂ основано на парамагнитных свойствах кислорода. Для определения содержания обоих газов используют также масс–спектрометры. Преимущество этих методов заключается в том, что благодаря непрерывной записи содержание газов в любой момент времени можно определить непосредственно по кривой, так что не требуется производить отбор серийных проб из альвеол. На рис. 21.20 в качестве примера приведена кривая концентрации СO₂ в выдыхаемом воздухе в ходе двух дыхательных циклов, полученная

путем регистрации поглощения инфракрасных лучей. Часть кривой, обозначенная как «альвеолярное плато», соответствует альвеолярной порции экспираторного объема.

 

Парциальные давления дыхательных газов

Парциальные давления газов в атмосферном воздухе. Согласно закону Дальтона, парциальное давление (напряжение) каждого газа в смеси (Рr) пропорционально его доле от общего объема, т. е. его фракции (Fr). Применяя этот закон к дыхательным газам, следует помнить, что как атмосферный воздух, так и альвеолярная газовая смесь содержат не только O₂, СO₂, N₂ и благородные газы, но также водяной пар, имеющий некое парциальное давление рн о– Поскольку фракции газов приводятся для «сухой» смеси, в уравнении для закона Дальтона из общего давления (атмосферное давление Ратм) следует вычитать давление водяного пара РH₂O:

Рr=Fr(Ратм •РH₂O ). (23)

Если подставить в это уравнение содержание O₂ и СO₂ в атмосферном воздухе (табл. 21.3) РH₂O = 47 мм рт. ст. (в легких), то можно вычислить, что парциальные давления дыхательных газов на уровне моря составляют РO₂ ≈ 150мм рт. ст. (20 кПа) и PCO₂ ≈ 0,2 мм рт. ст. (0,03 кПа). На больших высотах парциальные давления O₂ и СO₂ во вдыхаемом , воздухе снижаются пропорционально уменьшению Ратм.

Парциальные давления газов в альвеолярной газовой смеси. Поскольку газообмен в легких идет в направлении градиентов парциальных давлений, именно в единицах давления обычно выражают соотношение O₂ и СO₂ в альвеолярной смеси. Подставляя в уравнение (20) значения парциальных давлений из уравнения (23) при РСО₂ = 47 мм рт. ст. и делая поправку на условия измерения с помощью уравнения (22), получаем

 

 

РаO₂ = РиO₂ –V^∙O_{2 (СТДТС)}/ V^∙a_(ТДОН) . 863 [ мм рт. cт.]

 

 

 

 

РаCO₂ = V^∙CO_{2 (СТДТС)}/ V^∙a_(ТДОН) ^. 863 [ мм рт. cт.]

 

С помощью этих так называемых уравнений альвеолярных газов можно рассчитать парциальные давления дыхательных газов в альвеолярной смеси. Для условий покоя и небольшой высоты над уровнем моря (РиO₂ = 150 мм рт. ст., V^∙O₂(стдс) = 0,28 л/мин, V^∙CO₂(стдс) = 0,23 л/мин, V^∙a(тдон) = 5 л/мин) они составляют:

РaO₂ = 100 мм рт. ст. (13,3 кПа),

РаCO₂ , = 40 мм рт. ст. (5,3 кПа).

Приведенные значения характерны для здорового взрослого человека. Следует, однако, помнить, что это средние величины: существуют как небольшие временные колебания парциальных давлений газов в альвеолах, связанные с периодичностью поступления свежего воздуха в альвеолярное пространство, так и незначительные локальные отклонения, обусловленные неравномерной вентиляцией и перфузией различных участков легких (см. ниже).

Как следует из уравнений (24), парциальные давления газов в альвеолах при данных значениях параметров интенсивности газообмена (V^∙O₂, и V^∙CO₂) зависят от альвеолярной вентиляции V^∙a При ее увеличении (гипервентиляции) РaO₂ повышается, а РaCO₂ , снижается; уменьшение альвеолярной вентиляции (гиповентиляция) сопровождается обратными изменениями. Количественная зависимость между парциальными давлениями газов в альвеолах и уровнем альвеолярной вентиляции представлена на рис. 21.21.