Utlenianie biologiczne a wymiana gazowa

Przebieg wszystkich procesów życiowych i reakcji rozkładu uzależniony jest od dopływu energii. Energia powstaje w procesie biologicznego utleniania (spalania) związków organicznych z udziałem tlenu, a wymiana gazowa jest tylko jego zewnętrznym przejawem. Paliwo energetyczne stanowią wyprodukowane przez rośliny, dzięki procesowi fotosyntezy związki organiczne, a przede wszystkim cukry. Zakumulowana w nich w postaci wiązań chemicznych energia słoneczna uwalniana jest w procesie utleniania biologicznego.

Glukoza, jako podstawowy produkt fotosyntezy, w obecności tlenu rozkładana jest do dwutlenku węgla i wody z uwolnieniem energii. W komórkach proces ten przebiega wieloetapowo z udziałem enzymów, a powstające jako produkty uboczne H2O i CO2 są wydalane. Zatem, pobieranie tlenu w trakcie wdechu związane jest z biologicznym zapotrzebowaniem na ten pierwiastek, a usuwanie CO2 w trakcie wydechu jest przejawem pozbywania się zbędnych produktów metabolizmu przez organizm. Powstała w skutek spalania energia zostaje zgromadzona w wysokoenergetycznych wiązaniach fosforanowych ATP, a pozostała jej część uwalniana jest w postaci ciepła. Organellum komórkowym, na terenie którego przebiegają te procesy jest mitochondrium.

Pierwotny mechanizm

Oddech jest naturalnym odruchem, niezależnym od naszej woli i kontrolowany przez ośrodek oddechowy zlokalizowany w rdzeniu przedłużonym w mózgu. Dzięki temu ośrodkowi pobieranie i wydalanie powietrza przebiega wydajnie, a ilość dostarczanego do płuc powietrza jest odpowiednia do zapotrzebowania. W spoczynku wykonujemy średnio 16 oddechów na minutę, co daje średnio wentylacje minutową na poziomie 8 dm3.

Regulacja oddychania

W zależności od poziomu dwutlenku węgla we krwi, a zatem od poziomu jej kwasowości, ośrodek oddechowy reguluje częstotliwość i intensywność oddychania. Nadmiar dwutlenku we krwi stymuluje ośrodek oddechowy, który przesyła impulsy nerwowe do mięśni oddechowych i te regulują oddech - staje się on szybszy i głębszy. Pozbycie się nadmiaru gazu sprawia, że oddech znów powraca do prawidłowej pracy. Nadmiar dwutlenku węgla we krwi może być spowodowany jego nadmierną zawartością w powietrzu - dopuszczalne jego stężenie wynosi 0,1% lub też obniżoną zawartością tlenu w powietrzu.

Pojemność życiowa płuc

Płuca są tak zbudowane że nie grozi nam ich zapadnięcie nawet przy najgłębszym wydechu - nawet wtedy zostaje w nich ok. 1200 cm3 powietrza zalegającego. W sytuacji kiedy oddychamy spokojnie dochodzi do wymiany ok. 600 cm3 - jest to tzw. objętość oddechowa. Pogłębienie wdechu pozwala nam jeszcze na pobranie dodatkowej objętości (objętość uzupełniająca). Kiedy z kolei pogłębimy wydech, okaże się że również w płucach zalega jeszcze powietrze jako tzw. objętość zapasowa. Podsumowując:

Objętość oddechowa (500cm3) + objętość uzupełniająca (2500cm3) + objętość zapasowa (1200cm3) = pojemność życiowa płuc (4200cm3)

Oczywiście bezwzględna pojemność życiowa płuc jest zmienna i zależy od płci, stanu zdrowia i wytrenowania.

Znaczenie pierwszego krzyku noworodka

Płód w łonie matki zaopatrywany jest w tlen przez łożysko, a płuca przed narodzeniem nie funkcjonują. Dopiero z przyjściem dziecka na świat dopływ tlenu z łożyska zostaje zablokowany. Pierwszy płacz dziecka jest bardzo ważny, ze względu na fakt, iż dochodzi do rozszerzenia pęcherzyków płucnych, które od tej pory przejmą niezwykle ważną rolę w procesie wymiany gazowej.

Układ oddechowy - drogi oddechowe i płuca

Układ oddechowy dzieli się na drogi oddechowe i płuca.

Drogi oddechowe maja na celu oczyszczenie, ogrzanie i nawilżenie powietrza, w tym celu pokryte są specjalnym nabłonkiem, migawkowym. Składają się one z: jamy nosowej, gardła, krtani, tchawicy.

Wnętrze jamy nosowej pokryte jest unaczyniona błoną śluzową z wielowarstwowym nabłonkiem migawkowym, który bogaty jest w komórki śluzowe oraz włoski. Jama nosowa łączy się z tyłu z gardłem, które jest częścią wspólna układu pokarmowego i oddechowego, a funkcję przekierowującą spełnia podniebienie miękkie.

Za gardłem występuje krtań zbudowana z chrząstek (mężczyźni posiadają powiększoną chrząstkę tarczowatą zwaną "jabłkiem Adama"), więzadeł i mięśni. Z krtani powietrze przechodzi do tchawicy - wzmocnionej chrząstkami sprężystej rury. Na poziomie klatki piersiowej tchawica przechodzi w parzyste oskrzela. Oskrzelami powietrze dostaje się do płuc. Prawe płuco zbudowane jest z 3 płatów, lewe, ze względu na obecność serca po tej stronie, z dwóch. Każdy z płatów jest efektem rozgałęziania się oskrzeli na coraz drobniejsze oskrzeliki. Oskrzeliki rozgałęziają się coraz bardziej, na coraz mniejsze i drobniejsze, a najdrobniejsze kończą się woreczkowatymi uwypukleniami składającymi się z tzw. pęcherzyków płucnych. Oplecione gęsta siecią naczyń krwionośnych pęcherzyki zajmują łączną powierzchnię ok. 90 m2.

Z prawej komory serca krew odtleniona transportowana jest tętnica płucną do płuc. Po dotarciu do pęcherzyków płucnych tętnica rozdziela się na liczne, maleńkie naczynia włosowate, które oplatają pęcherzyki płucne. Dzięki specjalnej budowie pęcherzyków płucnych, które zbudowane są z nabłonka jednowowarstwowego płaskiego, tlen przenika z nich do krwi znajdującej się w naczyniach włosowatych, a dwutlenek węgla zostaje usunięty do pęcherzyków. Natleniona krew powraca do lewego przedsionka serca żyła płucną, a następnie rozprowadzana jest po wszystkich częściach ciała dzięki aorcie.

Ochrona płuc

Płuca są chronione workowatą błoną surowiczą, zwaną opłucną, składającą się z opłucnej płucnej pokrywającej płuca i opłucnej ściennej od strony żeber. Pomiędzy tymi dwoma błonami znajduje się tzw. jama opłucnej, której wilgotna powierzchnia redukuje tarcie pomiędzy płucami i klatką piersiowa w trakcie oddychania.

Mechanizm wentylacji płuc

Mięśniami biorącymi udział w trakcie wentylacji płuc są mięśnie międzyżebrowe oraz przepona - płaski mięsień poprzecznie prążkowany położony na granicy klatki piersiowej oraz jamy brzusznej.

Etapy wentylacji:

  1. Wdech
    1. Skurcz przepony
    2. Skurcz mięśni międzyżebrowych
    3. Uniesienie żeber ku górze i na boki, a także uniesienie się mostka
    4. Spadek ciśnienia w pęcherzykach płucnych, w skutek czego do płuc przedostaje się powietrze z otoczenia
  3. Wydech
    1. Rozkurcz przepony
    2. Rozkurcz mięśni międzyżebrowych
    3. Opadnięcie klatki piersiowej pod wpływem własnego ciężaru
    4. Opadnięcie mięśni brzusznych