Дыхание
План:
Введение
1 Дыхание растений
2 Дыхание человека
2.1 Значение дыхания для человека
2.2 Строение и функции дыхательных путей
2.2.1 Верхние дыхательные пути
2.2.2 Нижние дыхательные пути
2.3 Процессы дыхания и их регуляция
2.4 Газообмен в легких и тканях
2.5 Основные показатели дыхания
2.6 Регуляция дыхания
2.6.1 Нервная регуляция
2.6.2 Гуморальная регуляция
2.6.3 Причины нарушения регуляции дыхания
Примечания
Литература
Введение
Дыхание - совокупность реакций биологического окисления органических енерговмисних веществ с выделением энергии, необходимой для поддержания жизнедеятельности организма. Состоит из трех последовательных этапов: внешнего дыхания, транспорта газов кровью, внутреннего дыхания.
Дыхание людей и отдельных животных возможно через нос и через ротовую полость.
Человек без дыхания может прожить до 5 - 7 минут, а то и меньше. После такого промежутка времени отмирают невозобновляемые клетки мозга.
1. Дыхание растений
Формализованная схема цикла дыхания растений
Дыхание присуще всем органам, тканям и клеткам растения. Интенсивность дыхания можно представить, измеряя количество углекислого газа, выделяемого тканью, или измеряя кислород, что поглощается ею. Более интенсивно дышат молодые, быстро растущие органы и ткани растений. Наиболее активно дыхания репродуктивных органов, затем листьев; слабее дышат стебли и корни. Теневыносливые растения дышат слабее светолюбивых. Для высокогорных растений, адаптированных к пониженному парциального давления O 2, характерна повышенная интенсивность дыхания. Очень активен дыхания плесневых грибов, бактерий. Дыхание усиливается с повышением температуры (на каждые 10 C - примерно в 2-3 раза), останавливаясь при температуре в 45-50 C. В тканях зимующих органов растений ( почки лиственных деревьев, иглы хвойных) дыхание продолжается (с резко сниженной интенсивностью) и при значительных морозах. Дыхание растений стимулируют механические и химические раздражения (ранения, некоторые яда, наркотики). Закономерно изменяется дыхание развития растения и его органов. Сухое семена дышит довольно слабо. При набухании и последующем прорастании семян дыхание усиливается в сотни и тысячи раз. С окончанием периода активного роста растений дыхание их тканей ослабевает, что связано с процессом старения протоплазмы. При созревании семян, плодов интенсивность дыхания уменьшается.
Согласно теории советского биохимика А. Н. Баха, процесс дыхания, т.е. окисления углеводов, жиров, белков, осуществляется с помощью окислительной системы клетки в два этапа [1] :
активация кислорода (O 2) воздуха путем его присоединения к ненасыщенным, способных самопроизвольно окисляться соединениям, содержащимся в живой клетке (оксигеназы) с образованием перекисей,
активация перекисей с освобождением атомарного кислорода, способного окислять трудноокисляемой органические вещества.
По теории дегидрирования русского ботаника В. И. Палладина, важнейшее звено дыхания - активация водорода субстрата, осуществляемая дегидрогеназы. Обязательный участник сложной цепи процессов дыхания - вода, водород которой вместе с водородом субстрата используется для восстановления самоокислюваних соединений - так называемых дыхательных пигментов. Углекислый газ (CO 2), который выделяется при дыхании, образуется без участия кислорода воздуха, т.е. анаэробно. Кислород воздуха идет на окисление дыхательных хромогенов, которые превращаются при этом в дыхательные пигменты. Дальнейшее развитие теория дыхания получила в исследованиях советского ботаника С. П. Костычева, согласно которым первые этапы аэробного дыхания аналогичны процессам, свойственным анаэробам. Преобразование создаваемого при этом промежуточного продукта могут идти с участием кислорода, что свойственно аэробных. В анаэробов же эти превращения идут без участия молекулярного кислорода.
По современным представлениям, процесс окисления, который составляет химическую основу дыхания, заключается в потере веществом электрона. Способность присоединять или отдавать электроны зависит от величины окислительного потенциала соединения. Кислород обладает самым высоким окислительным потенциалом и, следовательно, максимальной способностью присоединять электроны. Однако потенциал кислорода сильно отличается от потенциала дыхательного субстрата. Поэтому роль промежуточных переносчиков электронов от дыхательного субстрата к кислороду выполняют специфические соединения. Поочередно окиснюючись и восстанавливаясь, они образуют систему переноса электронов. Присоединив к себе электрон от менее окисленного компонента, такой переносчика восстанавливается и, отдавая его следующему компоненту с более высоким потенциалом, окисляется. Так электрон передается от одного звена дыхательной цепи к другому и, наконец, кислорода. Это заключительный этап дыхания.
Все эти процессы (активация кислорода, водорода, перенос электрона цепной реакцией на кислород) осуществляются главным образом в митохондриях благодаря разветвленной системе окислительно-восстановительных ферментов. Путем следования к кислороду электроны, мобилизуемые первоначально от молекулы органического вещества, постепенно отдают заключенную в них энергию, которую клетка запасает в форме химических соединений, главным образом АТФ.
Благодаря совершенным механизмам запасания и использования энергии процессы энергообмена в клетке идут с очень высоким КПД, пока недостижимым в технике. Биологическая роль дыхания не исчерпывается использованием энергии, накопленной в окисляемые органической молекуле. В ходе окислительных превращений органических веществ образуются активные промежуточные соединения - метаболиты, которые живая клетка использует для синтеза специфических составных частей своей протоплазмы, образования ферментов. Всем этим определяется центральное место, которое занимает дыхания в комплексе процессов обмена веществ живой клетки. В дыхании скрещиваются и увязываются между собой процессы обмена белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и других компонентов протоплазмы.
2. Дыхание человека
Подробная схема дыхательной системы человека
Дыхание человека состоит из следующих процессов:
Внешнее дыхание (вентиляция легких) - поступление воздуха в воздухоносные пути и газообмен между альвеолами и внешней средой. К этому процессу относятся дыхательные движения - вдох и выдох, направленные на надхождення воздуха в дыхательные пути, а из них - в легких и в обратном направлении.
Диффузия газов между альвеолами и кровью.
Транспортировка газов кровью. Он заключается в разнесении кислорода к клеткам всего организма и переносе углекислого газа, образующегося в клетках, в легких.
Диффузия газов между кровью и тканями в тканевых капиллярах.
Внутреннее (тканевое) - потребление кислорода клетками и выделение углекислого газа.
2.1. Значение дыхания для человека
Газообмен между организмом и внешней средой (поступление О 2 в клетки организма, а также вывод СО 2 из организма).
Терморегуляция - легкие тратят тепловую энергию:
согревая вдихуванне воздуха,
при испарения воды из легких.
Функции выделения - через органы дыхания из организма выводятся: углекислый газ, вода, аммиак, пыль, микроорганизмы, мочевина, мочевая кислота, ионы минеральных солей.
В носовой полости находится орган обоняния человека.
Участие в создании звуков, общении людей (голосовой аппарат - гортань).
2.2. Строение и функции дыхательных путей - Подробнее в статье Дыхательная система
2.2.1. Верхние дыхательные пути
Носовая полость делится хрящевой перегородкой на две половины - правую и левую. На перегородке располагаются три носовые раковины, которые образуют носовые ходы: верхний, средний и нижний. Стенки полости носа покрыты слизистой оболочкой с реснитчатым эпителием. Реснички эпителия, двигаясь резко и быстро в направлении ноздрей и медленно и плавно в направлении легких, задерживают и выводят наружу пыль и микроорганизмы, которые оседают на слизистой оболочке. Железы слизистой оболочки выделяют слизь, который увлажняет стенки полости и снижает жизнеспособность бактерий которые попадают с воздуха.
Слизистая оболочка имеет густую сеть кровеносных сосудов и капилляров. Кровь, которая течет по этим сосудам участвует в терморегуляции тела человека, согревает или охлаждает воздух, она вдыхает. Таким образом, воздух, поступающий в легкие через носовую полость, очищается, согревается и обеззараживается, чего не происходит при дыхании через ротовую полость. В слизистой оболочке верхней носовой раковины и верхнего отдела перегородки носа находятся специальные обонятельные клетки ( рецепторы), которые образуют периферическую часть обонятельного анализатора (органа обоняния). Рядом с обонятельной полости расположены четыре воздухоносные придаточные пазухи носа. Крупнейшие из них гайморовы (содержатся в верхних челюстях) и лобная (в центре лоб). Пазухи соединяются каналами с полостью носа.
Из полости носа воздух поступает в носоглотку. В ней содержатся скопления лимфатических миндалин, которые в случае воспаления могут увеличиваться и превращаться в аденоиды, затрудняющие носовое дыхание. Из носоглотки воздух попадает в глотку, в которой перекрещиваются дыхательные и мае пути. От глотки начинаются две трубки: дыхательная - гортань, и пищеварительная - пищевод, размещенный позади гортани. Вход в гортани при глотании пищи закрывается надгортанных хрящом. Благодаря этому воздух попадает только в гортань, а еда в пищевод.
2.2.2. Нижние дыхательные пути 2.3. Процессы дыхания и их регуляция
Схематическое изображений легких человека.
1: Трахея 2: Легочная артерия 3: Легочная вена 4: Альвеолярный ход 5: Альвеолы 6: Сердечная вырезка левого легкого 7: Бронхиолы 8: Третичные бронхи 9: Вторичные бронхи 10: Главные бронхи 11: Гортань
Легкие не имеют собственных мышц и поэтому не могут активно сокращаться или растягиваться. Свой объем они меняют пассивно, вслед за изменениями объема грудной полости. Дыхательные движения - вдох и выдох происходят вследствие ритмического сокращения и расслабления дыхательных мышц - межреберных, диафрагмы и мышц передней брюшной стенки. Дыхательные движения регулируются дыхательным центром, расположенный в продолговатом мозге, с двумя узлами - центром вдоха и центром выдоха.
Примерно каждые 4 секунды в дыхательном центре возникают возбуждения, которые в спинном мозге проводятся в межреберных дыхательных мышц и диафрагмы. Наружные межреберные мышцы сокращаются и поднимают ребра. При сокращении диафрагмы, ее купол, выступающий в сторону грудной полости, становится плоским и опускается вниз. Благодаря этому объем грудной полости увеличивается. В плевральной щели давление всегда несколько ниже атмосферного, поэтому при увеличении объема грудной полости легкие словно присасываются к стенкам грудной клетки и растягиваются. Легкие заполняются воздухом - происходит вдох. При этом нервные импульсы от мышц и легких идут в дыхательного центра и включают его видихову часть.
При возбуждении центра выдоха одновременно тормозится центр вдоха и дыхательные мышцы (межреберные и диафрагма) расслабляются, ребра опускаются вниз, а органы брюшной полости выпирают диафрагму куполом вверх. Вследствие этого объем грудной полости уменьшается и происходит спокойный пассивный выдох без участия мышц.
При глубоком вдохе происходит одновременное сокращение межреберных мышц, диафрагмы, а также некоторых мышц грудной клетки и плечевого пояса, поднимающие ребра выше, чем при спокойном вдохе. Глубокий выдох обусловливается, кроме расслабления наружных межреберных мышц и диафрагмы, сокращением внутренних межреберных мышц, а также мышц брюшной стенки, что приводит к сильному выпячивание диафрагмы в сторону грудной полости. Объем уменьшается в вертикальном направлении.
Различают брюшной и грудной типы дыхания, в зависимости от того, какие мышцы преобладают в акте выдоха (диафрагма или межреберные). Эффективным считают брюшной тип, ибо он обеспечивает глубокую вентиляцию легких. Тип дыхания зависит от пола (у мужчин преобладает брюшной), профессии, возраста.
Конечно ритм дыхательных движений поддерживается импульсами, которые поступают в нервную систему (продолговатый мозг) из рецепторов легких и дыхательных мышц. Во время вдоха возбуждаются нервные импульсы, которые тормозят выдох. При активном выдохе возникают импульсы, которые тормозят вдох. Выдох является рефлексом на раздражение вызвано вдохом и наоборот.
На частоту и глубину дыхательных движений влияют различные раздражители внешней среды, действующие на рецепторы кожи, слуха, зрения, обоняния, вкуса. Процесс возбуждения попадает в разные участки головного мозга, а оттуда возбуждение достигает дыхательного центра. Оттуда через центробежные нервы возбуждение идет к дыхательным мышцам. Вследствие этого происходят ускорение и усиление или замедление и ослабление дыхательных движений. Психические раздражители ( страх, радость) также влияют на дыхательный центр.
Существуют и защитные рефлексы ( кашель, чихание). Это своеобразно изменены резкие выдохи, с помощью которых удаляются инородные частицы, попавшие в дыхательные пути.
2.4. Газообмен в легких и тканях
Схема газообмена в легких
При чередовании вдоха и выдоха, вентилируются легкие, пидтримуюеться в альвеолах относительно постоянный газовый состав. Состав атмосферного воздуха: 21% О 2, 79% N 2, 0,03% СО 2, небольшое количество водяного пара и инертных газов. Состав выдыхаемого отличается увеличенным содержанием углекислого газа, увеличивается содержание водяного пара. Альвеолярный воздух, находящийся в альвеолах отличается от вдыхаемого и выдыхаемого. Это объясняется тем, что во время вдоха в альвеолы поступает воздух воздухоносных путей (выдыхаемый), а при выдохе, наоборот, к выдыхаемого (альвеолярного) примешивается атмосферный из воздухоносных путей (мертвое пространство).
Тип воздуха
|
Кислород, O 2 (%)
|
Углекислый газ, CO 2 (%)
|
Азот, N 2 (%)
|
Примеси
|
Вдыхаемый
|
21
|
0,03
|
79
|
водяной пар, инертные газы
|
Выдыхаемый
|
16
|
4
|
79
|
увеличено содержание
водяного пара
|
Альвеолярный
|
14
|
5
|
80
| |
В легких кислород из альвеолярного воздуха переходит в кровь, а углекислый газ из крови поступает в легкие путем диффузии через стенки альвеол и кровеносных капилляров. Направление и скорость диффузии определяется парциальным давлением. Кровь из венозной превращается в артериальную, которая по легочным венам поступает к левому предсердия, затем в левого желудочка, а оттуда - к большому кругу кровообращения, которое переносится к тканям. Из капилляров кислород уже попадает в ткани. В артериальной крови кислорода больше, чем в клетках, он диффундирует в тканевую жидкость, которая омывает клетки в тканях, это промежуточное среду между кровью и клетками. С тканевой жидкости кислород проникает в клетки и сразу вступает в реакции окисления, поэтому в клетках свободного кислорода практически нет. В результате окисления в клетках увеличивается содержание углекислого газа, который через тканевую жидкость поступает в венозный конец капилляра. Артериальная кровь превращается в венозную, которая по венах большого круга кровообращения поступает в правое предсердие, затем в правого желудочка сердца, а оттуда - в легкие.
2.5. Основные показатели дыхания
Диафрагмальное дыхание
Частота дыхания - количество дыхательных циклов (вдох - выдох) в минуту. В состоянии покоя человек совершает в минуту 12-16 дыхательных циклов, во время сна 10-12, а при физической нагрузке, тяжелой болезни - 30-35. У младенцев и пожилых людей частота дыхания в покое 20-25.
Глубина дыхания определяется объемом воздуха, вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. В спокойном состоянии в легкие поступает 500 мл воздуха (дыхательный объем ДО) и столько же получается во время выдоха. Из 500 мл, что вдыхает человек, только 350 мл попадает в альвеол. Около 150 мл задерживается в мертвом пространстве: в полостях носа, носовой и ротовой части глотки, гортани, трахеи и бронхов, где происходит газообмен. После спокойного вдоха при максимального усилия можно еще вдохнуть 1,5 л дополнительного воздуха (резервный объем вдоха РО вдоха), а при глубоком выдохе можно еще выдохнуть 1,5 л, дополнительный выдох (резервный объем выдоха РО выдоха).
Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) - это наибольшее количество воздуха, которое человек может выдохнуть после максимально глубокого вдоха. Рассчитывается по формуле:
К + РО вдоха + РО выдоха = ЖЕЛ
Жизненная емкость легких зависит от возраста, пола, роста, массы тела, физического развития человека. Показатели ЖЕЛ колеблются: от 3500-4800 мл - у мужчин и 3000-3500 мл - у женщин. У физически тренированных людей, занимающихся греблей, плаванием, гимнастикой, она достигает 6000-7000 мл. Определяют ЖЕЛ с помощью спирометра.
После максимального выдоха в легких остается 1000-1500 мл воздуха, называют остаточным. Это связано с тем, что благодаря низкому давлению в плевральной полости по отношению к атмосферному легкие не смыкаются и всегда имеют остатки воздуха.
У тренированных людей при нагрузке, конечно, возрастает дыхательный объем, а у нетренированных в ответ на нагрузки возрастает частота дыхательных движений.
2.6. Регуляция дыхания 2.6.1. Нервная регуляция
Дыхание регулируется как нервной так и гуморальной системами организма. В продолговатом мозге существует безусловно-рефлекторный центр регуляции дыхания - дыхательный центр. Он обеспечивает координированную ритмичную деятельность дыхательных мышц (сокращение и расслабление), что вызывает поочередно вдох и выдох, и приспособление дыхания к изменениям условий внешней и внутренней среды организма.
Автоматизм дыхательного центра обусловлено нервными импульсами, которые поступают из нервных окончаний легких, сосудов, мышц. Хотя работа дыхательного центра автоматическая (она не прекращается у спящего или обморочной человека) - но она зависит от воли человека. Человек может произвольно затормозить или ускорить дыхание ( условно-рефлекторная регуляция дыхания). Объясняется это контролем дыхательного центра корой больших полушарий мозга. Кроме ритмической смены вдоха выдохом дыхательный центр осуществляет замыкание дыхательных рефлексов:
задержка дыхания во время погружения тела в воду,
защитные рефлексы кашля и чихание,
регуляция деятельности мышц гортани, согласовывают глотания с дыханием.
2.6.2. Гуморальная регуляция
Гуморальная регуляция дыхания происходит из-за содержания углекислого газа в крови. Нейроны дыхательного центра чувствительны к СО 2, если в крови, омывающей дыхательный центр, есть избыток СО 2, тогда возбудимость дыхательного центра растет и дыхание становится частым и глубоким. Если СО 2 в крови мало, то это вызывает торможение дыхания.
При физических нагрузках мышцы выполняют усиленную работу и количество СО 2 в крови возрастает, что становится одной из причин углубления и усиления дыхательных движений.
2.6.3. Причины нарушения регуляции дыхания
Причинами нарушения регуляции дыхания чаще всего становятся:
Физическая нагрузка,
недостаток кислорода в воздухе,
Болезни сердца, легких,
повышенная температура окружающей среды,
нарушение функций центра дыхания (травма головы, действие ядов).
потеря нервного связи между дыхательным центром и дыхательными мышцами (повреждение шейного отдела позвоночника и спинного мозга).
См.. также
Аэробное дыхание
Анаэробное дыхание
Легкие
Дыхательная система
Примечания
(Рус.) Бах А. Н. Собрание трудов по химии и биохимии - ochem.ru / book_view.jsp? idn = 025179 & page = 1 & format = djvu. - М., 1950.
Литература
Костычев С. П. Физиология растений. - 3. - М.-Л. : 1937 Т. 1.
Бах А. Н. Собрание трудов по химии и биохимии - ochem.ru / book_view.jsp? idn = 025179 & page = 1 & format = djvu. - М.: 1950.
Таусон А. Основные положения растительной биоэнергетики. - М.-Л. : 1950.
Джеймс А. Дыхание растений, пер. с англ .. - М.: 1956.
Палладина В. И. Избранные труды. - М.: 1960.
Михлин Д. М. Биохимия клеточного дыхания. - М.: 1960.
Сент-Дьердьи А. биоэнергетики, пер. с англ .. - М.: 1960.
Рубин Б. А., Ладыгина М. Е. энзимологии и биология дыхания растений. - М.: 1966.
Рэкер Э. Биоэнергетические механизмы, пер. с англ .. - М.: 1967.
Рубин Б. А. Курс физиологии растений. - 3. - М.: 1971.
Кретович В. Л. Основы биохимии растений. - 3. - М.: 1971.
http://nado.znate.ru |
