Состав вдыхаемого, выдыхаемого и альвеолярного воздуха

Воздух	Содержание газа в процентах
	кислород	углекислый газ	азот
Вдыхаемый	20,94	0,03	79,03
Выдыхаемый	16,3	4	79,7
Альвеолярный	14,2	5,2	80,6

Альвеолярный и выдыхаемый воздух по своему составу значительно отличаются друг от дру­га. Отличие их состава связано с тем, что при выдохе к альвеолярному воздуху примешивается воздух, который находится в воздухоносных путях, в так называемом вредном пространстве. Сле­довательно, выдыхаемый воздух представляет собой смесь альвеолярного воздуха и воздуха вред­ного пространства. Если считать, что человек в среднем выдыхает (при одном выдохе) 500 мл, то этот воздух будет состоять из 360 мл альвеолярного воздуха и 140 мл воздуха, находившегося во вредном пространстве.

Переход газов в легких из воздуха в кровь и, наоборот, поступление газов из крови в воздух "одчиняется определенным физическим законам, связанным с парциальным давлением и коэф­фициентами растворимости газов в жидкостях.

Каждый газ растворяется в жидкости в зависимости от своего парциального давления. Что же называется парциальным давлением газа? Если имеется смесь газов, то парциальное давле­ние каждого газа определяется процентным содержанием данного газа в смеси газов. Таким обра­зом,

парциальным давлением называется та часть общего давления, которая приходится на долю каждого газа в газовой смеси. Поясним это примером. В состав атмосферного воздуха входят кислород, углекислый газ и азот, причем, как нам известно, кислорода содержится 20,94%, угле­кислого газа 0,03% и азота 79,03%. Каково же будет парциальное давление каждого из этих газов? Атмосферное давление равно 760 мм рт. ст. Следовательно, если воздух оказывает давление, рав­ное 760 мм, то парциальное давление кислорода будет равняться 20,94% от общего давления, т. е. от 760 мм, и будет равно 159 мм рт. ст; парциальное давление азота составит 79,03% атмосферного давления и будет равно 600,8 мм рт. ст. Углекислого газа содержится очень мало — всего 0,03%. Поэтому и парциальное давление углекислого газа будет составлять приблизительно 0,2 мм рт. ст. Если парциальное давление газа в окружающей среде выше, чем давление (напряжение) этого же газа в жидкости, то газ растворяется в жидкости, и между жидкостью и окружающим ее газом устанавливается определенное равновесие. Напряжение газа измеряют парциальным давлением газа над жидкостью, с которой он находится в равновесии. Если, например, парциальное давле­ние кислорода в альвеолярном воздухе будет выше, чем в притекающей венозной крови, то кисло­род из альвеолярного воздуха будет переходить в кровь. Но в силу той же разницы газ из жидко­сти будет выходить в окружающий воздух, когда напряжение газа в жидкости выше, чем его пар­циальное давление в окружающей среде. Если напряжение углекислого газа в венозной крови будет выше, чем его парциальное давление в альвеолярном воздухе, то этот газ будет выходить из венозной крови в альвеолярный воздух. Переход газа из жидкости в окружающую смесь газов будет продолжаться до тех пор, пока не установится равновесие. Таким образом, газ растворяется

в жидкости или выходит из жидкости в окружающую среду в зависимости от величины парциаль­ного давления этого же газа в воздухе и его напряжения в жидкости, причем газ переходит из среды, где имеется высокое давление, в среду с меньшим давлением. Этот переход продолжается до тех пор, пока не установится равновесие.

Кроме парциального давления, при растворении газов в жидкостях большое значение имеют температура жидкости и коэффициент растворимости газа в жидкости. Между температурой жидкости и количеством растворенного в ней газа существует определенная зависимость: чем выше температура жидкости, тем меньше газа в ней растворяется. Общеизвестно, что при кипяче­нии воды из нее выделяются пузырьки растворенного в ней воздуха. Коэффициентом раствори­мости называется то количество газа, которое может быть растворено в 1 мл воды при давлении 760 мм рт. ст. при данной температуре. Коэффициент растворимости меняется в зависимости от температуры раствора. Разные газы имеют разный коэффициент растворимости, так же как и в разных растворителях может раствориться разное количество одного и того же газа.

Переход газов в легких из воздуха в кровь и, наоборот, поступление газов из крови в воздух подчиняются рассмотренным выше физическим законам. Однако в легких имеется ряд особенно­стей. Воздух, находящийся в альвеолах, и кровь, протекающая по капиллярам, отделены друг от друга всего лишь двумя слоями клеток: стенкой альвеолы и стенкой капилляра. Незначительная толщина перепонки, отделяющей газ от крови, не мешает свободному переходу газа. Полный газообмен между альвеолярным воздухом и кровью возможен в короткий срок протекания крови по легочным капиллярам в том случае, если имеются условия для лучшего и быстрого перехода газов. Одним из таких условий является большая площадь легких. Действительно, если растя­нуть легкие, то их поверхность равняется в среднем 90 м². Вся огромная площадь легкого густо покрыта капиллярами, по которым кровь растекается очень небольшим слоем. Огромная пло­щадь соприкосновения крови и воздуха при незначительной толщине слоя протекающей в капил­лярах крови способствует быстрому насыщению крови кислородом и отдаче углекислоты. Газо­обмен совершается в легких между альвеолярным воздухом и кровью. Обмен газов в легких может протекать совершенно нормально, так как имеется вполне достаточная разность в напряжении газов в крови и их парциальном давлении в воздухе. Эта разность видна из табл. 5.2.

Таблица 5.2

Парциальное давление кислорода, углекислого газа и азота во вдыхаемом и альвеолярном воздухе, а также их напряжение в крови

Газ	Парциальное давление (напряжение) в мм рт. ст.
	атмосферный воздух	альвеолярный воздух	венозная кровь (капилляры)	артериальная кровь
Кислород Углекислый газ Азот	159 0,2-0,3 600,8	100-110 40 570	40 47 570	102 40 570

Кислород из альвеолярного воздуха в кровь, а углекислый газ из крови в альвеолярный воз­дух переходят путем диффузии. Диффузия возможна потому, что парциальное давление кислоро­да в альвеолярном воздухе составляет 110 мм рт. ст., а в венозной крови — 40 мм рт. ст. Таким образом, создается разность давления в 70 мм рт. ст., чего вполне достаточно, чтобы обеспечить переход кислорода. Потребность человека в кислороде равна 350 мл в минуту; при работе потребность в кислороде возрастает и доходит до 5000 мл в минуту. Разности в парциальном давлении в 1 мм рт. ст. достаточно, чтобы за минуту перешло в кровь 250 мл кислорода, а между парциальным давле­нием крови в альвеолярном воздухе и его напряжением в крови имеется разность в 70 мм рт. ст. — разность, вполне достаточная для обеспечения максимальных потребностей орга­низма. Что же касается углекислого газа, то и здесь имеется достаточная разность между напря­жением СО₂ в крови и его парциальным давлением в альвеолярном воздухе. Эта разность равна 6—7 мм рт. ст., что обеспечивает переход углекислого газа из крови в альвеолярный воздух.

Связывание, перенос и отдача кислорода, а также связывание и перенос углекислоты в орга­низме человека осуществляются кровью. Кислород и углекислый газ находятся в крови в физи­чески растворенном состоянии (растворение газов в жидкости называется абсорбцией) и в хими­чески связанном виде. Из 100 мл крови можно выделить только 20 мл кислорода; между тем в физически растворенном состоянии в 100 мл крови может находиться только 0,3 мл кислорода. Так как количество кислорода, содержащегося в 100 мл крови, во много раз больше, чем может находиться в растворенном состоянии, то ясно, что кислород в основном находится в химически связанном виде. Веществом, вступающим в химическую связь с кислородом, является гемоглобин, содержащийся в эритроцитах (см. главу 6). Кислород из воздуха диффундирует в плазму крови, а из плазмы поступает в эритроциты и вступает в химическую связь с гемоглобином. Гемоглобин при этом превращается в оксигемоглобин; 1 г гемоглобина может связать 1,34 мл кислорода. Пре­вращение гемоглобина в оксигемоглобин, т. е степень насыщения гемоглобина кислородом, связа­но с величиной парциального давления кислорода, но зависимость эта не прямо пропорциональ­ная. Гемоглобин обладает особым свойством, имеющим очень важное биологическое значение: он может энергично вступать в соединение с кислородом даже при его незначительном парциальном давлении.

Артериальная кровь, насыщенная в легких кислородом, идет в капиллярную сеть большого круга кровообращения, где оксигемоглобин отдает тканям кислород. Оксигемоглобин, отдавший кислород, называется восстановленным гемоглобином (дезоксигемоглобином). В артериальной крови почти весь гемоглобин превращен в оксигемоглобин, а в венозной крови, оттекающей от капилляров большого круга кровообращения (см. главу 6), преобладает дезоксигемоглобин. В переходе кислорода из крови к тканям решающее значение имеет разность напряжений кисло­рода в артериальной крови и в тканях. Кислород из крови поступает в тканевую жидкость и из нее в клетки, где принимает участие в окислительных процессах. Это возможно потому, что напряже­ние кислорода, растворенного в артериальной крови, протекающей через капилляры, равно 100— НО мм рт. ст., в тканевой жидкости — 20—40 мм рт. ст., а в клетках свободного кислорода нет. Разность напряжения растворенного кислорода, равная 70—80 мм рт. ст., обеспечивает энергич­ный переход кислорода из плазмы крови в тканевую жидкость. Оксигемоглобин, который являет­ся нестойким соединением, отдает кислород в плазму; в силу разности напряжения растворенный кислород переходит в тканевую жидкость и оттуда в клетку, где вступает в окислительные про­цессы. Помимо разности в напряжении растворенного кислорода, на степень отдачи кислорода оксигемоглобином сильно влияет величина напряжения углекислого газа, растворенного в кро­ви. Специальными исследованиями доказано, что чем выше напряжение углекислого газа, ра­створенного в крови, тем слабее становится связь гемоглобина с кислородом, т. е. тем больше кислорода освобождается. В капиллярах большого круга кровообращения наряду с переходом

кислорода из крови в тканевую жидкость происходит и переход углекислого газа из тканевой жидкости в кровь. Количество углекислого газа растет и его напряжение в крови возрастает, а это обстоятельство вызывает ослабление связи гемоглобина с кислородом и способствует большему освобождению кислорода. В легких же происходит отдача углекислого газа; его напряжение в крови падает и благодаря этому сродство гемоглобина с кислородом повышается, т. е. гемоглобин начинает более энергично соединяться с кислородом и превращаться в оксигемоглобин. На проч­ность связи гемоглобина с кислородом влияет также температура. При повышенной температуре связь ослабевает, при пониженной — увеличивается.

Связывание и перенос углекислоты также осуществляет кровь. Углекислота находится в кро­ви преимущественно в виде бикарбонатов натрия и калия. Кроме этих солей, в переносе углекис­лого газа участвует и гемоглобин. Для поступления углекислого газа в кровь и перехода из крови в альвеолярный воздух требуется наличие разности его давления. В тканевой жидкости напряже­ние углекислого газа составляет около 60 мм рт. ст., а в артериальной крови 40 мм рт. ст. Следова­тельно, имеется достаточная разность, и углекислый газ диффундирует в кровь. В венозной крови его напряжение составляет 47 мм рт. ст., а его парциальное давление в альвеолярном воздухе — 40 мм рт. ст. Такая разность давлений вполне достаточна для перехода углекислого газа в альве­олярный воздух, а оттуда — в атмосферный воздух.

Итак, мы кратко рассмотрели основы функционирования дыхательной системы человека, одной из физиологических систем, изменения динамики которых в ходе полиграфной проверки регистрирует и анализирует специалист-полиграфолог.

Мы констатировали, что в регуляции респираторной активности организма человека при­нимают участие нервная и сердечно-сосудистая системы. Поэтому в следующей главе мы изло­жим основы анатомии и физиологии сердечно-сосудистой системы, еще одной системы, актив­ность которой регистрирует и анализирует полиграфолог в ходе инструментальной «детекции лжи».