Temat nr 25. Wymiana gazowa – układ oddechowy człowieka

Temat nr 25. Wymiana gazowa – układ oddechowy człowieka - część II.
Teoria
Pod pojęciem oddychania można rozumieć wentylację płuc, (czyli nabieranie do płuc powietrza bogatego w tlen, a
wydychanie powietrza z dużą ilością dwutlenku węgla) lub oddychanie komórkowe, czyli proces utleniania związków
organicznych w komórce, z wytworzeniem energii. Oba procesy są ze sobą powiązane, gdyż oddychanie komórkowe
wymaga dostarczenia tlenu, a w trakcie utleniania komórkowego dochodzi do wytworzenia dwutlenku węgla, który musi
zostać usunięty. Transport tlenu i dwutlenku węgla odbywa się za pomocą krwi, a wymiana tych gazów ma miejsce w
płucach.
Budowa układu oddechowego człowieka
W układzie oddechowym wyróżniamy drogi oddechowe, doprowadzające i odprowadzające powietrze (jama nosowa,
gardło, krtań, tchawica, oskrzela i oskrzeliki) oraz narządy wymiany gazowej płuca o budowie pęcherzykowatej.
Drogi oddechowe mają za zadanie ogrzać, nawilżyć i oczyścić powietrze
atmosferyczne z drobnych zanieczyszczeń - zanim dotrze ono do płuc. Pomaga w
rym nabłonek migawkowy wyścielający jamę nosową, krtań, tchawicę i oskrzela.
Komórki wydzielają śluz, do którego przylepiają się cząsteczki kurzu i bakterie, a
następnie są przesuwane ku górze przez poruszające się rzęski nabłonka. Potem
zostają wykrztuszone lub połknięte.
W górnej części jamy nosowej znajdują się receptory węchowe umożliwiające
odbiór wrażeń węchowych Powietrze z jamy nosowej (i jamy ustnej) dostaje się
do gardła i krtani. W gardle krzyżują się drogi pokarmowe i oddechowe. Krtań
jest zbudowana z chrząstek.
W jej górnej części znajduje się chrzestny płatek, tzw. nagłośnia, która w trakcie
połykania zamyka wejście do krtani.
Dlatego pokarm dostaje się do
przełyku, a nie do tchawicy. Jednak niekiedy, w czasie zadławienia kęs
pokarmu dostaje się do krtani, co może spowodować uduszenie. Poniżej
nagłośni znajdują się struny głosowe, szczelina między nimi to głośnia. Jeśli
powietrze przechodzi przez głośnię w czasie wydechu, przy napiętych
strunach głosowych - te drgają co powoduje powstanie dźwięków.
Tchawica ma postać rury wzmocnionej, która rozgałęzia się na dwa oskrzela
główne wnikające do płuc. Oskrzela rozgałęziają się w płucach na coraz
mniejsze oskrzeliki. W miarę zmniejszania się średnicy oskrzeli nabłonek
migawkowy jest zastępowany przez nabłonek płaski, a elementy chrzestne
zanikają.
Najmniejsze oskrzeliki kończą się pęcherzykami płucnymi, zbudowanymi
tylko z jednej warstwy nabłonka płaskiego. Pęcherzyki są ciasno oplecione
siecią naczyń włosowatych, co umożliwia wymianę gazową między
pęcherzykami a krwią. Ogromna liczba pęcherzyków płucnych człowieka
(350-500 mln) zapewnia olbrzymią powierzchnię wymiany gazowej.
Pęcherzyki płucne i rozgałęziające się oskrzela znajdują się w płucach
(dlatego mówimy, że płuca ssaków mają budowę pęcherzykową)
położonych w klatce piersiowej, po obu stronach serca; lewe płuco składa się
z dwóch płatów, prawe -z trzech. Płuca oraz wewnętrzna powierzchnia klatki
piersiowej pokrywa błona, tzw. opłucna. Przestrzeń między nimi to jama
płucna wypełniona płynem zmniejszającym tarcie między płucami a ścianą klatki piersiowej w trakcie wykonywania
wdechów i wydechów.
Mechanizm wentylacji płuc
Proces nabierania do płuc powietrza bogatego w tlen, a wydychania powietrza z dużą ilością dwutlenku węgła to
wentylacja płuc. Odbywa się dzięki rytmicznym ruchom klatki piersiowej, które zachodzą przy udziale mięśni
międzyżebrowych, przepony (inaczej diafragmy, płaskiego mięśnia oddzielającego jamę brzuszną od klatki piersiowej),
oraz samych żeber (poruszanych przez mięśnie klatki piersiowej).
Podczas wdechu:
• przepona kurczy się, dzięki czemu obniża się ona i jama klatki piersiowej;
• mięśnie międzyżebrowe kurczą się i unoszą klatkę piersiową ku przodowi i w górę;
• objętość klatki piersiowej zwiększa się, płuca rozciągają się - co powoduje w nich wzrost podciśnienia i zasysanie
powietrza;
•
wdech
to
faza
aktywna,
wymagająca zwiększenia wymiarów
klatki piersiowej dzięki pracy mięśni
międzyżebrowych
i
przepony
(jednego z nielicznych mięśni
działających bez udziału woli).
Podczas wydechu:
• napięcie mięśni przepony maleje,
która rozciąga się i unosi;
•
spadek
napięcia
mięśni
międzyżebrowych
wywołuje
opadnięcie żeber w dół pod
wpływem ich ciężaru;
• elastyczne płuca powracają do wyjściowej (spoczynkowej) wielkości,
 wydech to faza bierna wywoływana przez rozluźnienie mięśni.
Pojemność oddechowa to ilość powietrza wymieniana w czasie spoczynku; średnio u mężczyzny wynosi ona ok. 0,5 l.
Pojemność dopełniająca, czyli ilość powietrza, którą można
maksymalnie pobrać przy wdechu, wynosi 2,5-3 1. Ilość
powietrza, którą można usunąć przy maksymalnym wydechu to
pojemność zapasowa (ok.1,2-1,5 1). Wyżej wymienione
pojemności składają się na tzw. pojemność życiową (4-4,5 1),
która razem z pojemnością zalegającą (powietrzem, które
zawsze znajduje się w płucach; ok. 1,2 1) daje całkowitą
pojemność płuc, tj. 5-6 1.
Mechanizm wentylacji płuc podlega kontroli ośrodka
oddechowego w rdzeniu przedłużonym. Regulacja jest
uzależniona od stężenia dwutlenku węgla we krwi i jej
zakwaszenia. Np. wzmożona praca mięśni to większe
zapotrzebowanie na tlen oraz wzrost stężenia dwutlenku węgla
we krwi. Odpowiednie receptory wrażliwe na zmiany składu
krwi przekazują sygnały do ośrodka oddechowego, a ten wysyła
impulsy do mięśni oddechowych podlegających jego kontroli.
Efektem jest szybszy rytm oddychania i zwiększenie głębokości
wdechów. Jednak w ograniczonym stopniu możemy mieć
wpływ na częstość oddechów (np. możliwe jest wstrzymanie
oddechu na pewien czas).
Wymiana gazowa w pęcherzykach płucnych i tkankach
Proces wymiany tlenu i dwutlenku węgla między powietrzem w
pęcherzykach płucnych a krwią w naczyniach włosowatych, a w
następnej kolejności w tkankach, to wymiana gazowa. Tlen i
dwutlenek węgla przenikają przez bardzo cienkie (ok. 0,2 um)
ściany naczyń włosowatych na zasadzie dyfuzji. Gazy w
pęcherzykach płucnych nie kontaktują się bezpośrednio z krwią
- są rozpuszczone w warstwie płynu, który zwilża powierzchnię
pęcherzyka. Powietrze w pęcherzykach płucnych jest nasycone
parą wodną (dlatego także powietrze wydychane z płuc jest
nasycone parą wodną). Po przejściu przez ścianę pęcherzyka
płucnego cząsteczki tlenu rozpuszczają się w osoczu i
natychmiast dyfundują do erytrocytów.
Na ogół stężenie gazów przedstawia się, jako ciśnienie
parcjalne, które oznacza, jaki jest udział każdego z gazów w
całkowitym ciśnieniu powietrza. Podobna dyfuzja gazów ma
miejsce między wszystkimi tkankami organizmu a krwią. Należy jednak podkreślić, że naczynia włosowate nie
przylegają ściśle do komórek ciała, tak jak w pęcherzykach płucnych. Wymiana gazowa zachodzi najpierw pomiędzy
krwią a płynem tkankowym, który następnie dociera do wszystkich komórek ciała.
Transport tlenu i dwutlenku węgla
Za transport tlenu odpowiada hemoglobina, białko wypełniające niemal całą objętość erytrocytów (w l czerwonej krwince
jest upakowane ok. 300 milionów cząsteczek tego białka!). Hemoglobina zawiera hem, którego składnikiem jest atom
żelaza. Hemoglobina (Hb) ma własność nietrwałego przyłączania tlenu tworząc tzw. oksyhemoglobinę (HbO2). Każdy
atom żelaza wiąże jedną cząsteczkę tlenu, dlatego jedna cząsteczka hemoglobiny może przenosić 4 cząsteczki tlenu.
Hemoglobina przechodzi w oksyhemoglobine przy niskim ciśnieniu parcjalnym CO2. Taka sytuacja ma miejsce w osoczu
naczyń włosowatych oplatających pęcherzyki płucne. W tkankach, gdzie panuje wysokie ciśnienie parcjalne CO 2
następuje odłączanie się tlenu od białka. Im wyższe ciśnienie parcjalne CO2 tym oksyhemoglobina łatwiej „oddaje" tlen.
W komórkach mięśni występuje białko o podobnej budowie do hemoglobiny -mioglobina (MioHb), łatwiej wiążąca tlen.
Utlenowana krew przepływając przez mięśnie oddaje tlen, który natychmiast wiąże się z mioglobiną, białkiem
magazynującym ten gaz. Tlen zostanie wykorzystany dopiero, kiedy ciśnienie parcjalne CO2 znacznie wzrośnie
porcjonalne do jego stężenia w mieszaninie. Mięśnie zawierające dużo mioglobiny są nazywane mięśniami czerwonymi,
cechuje je duża wytrzymałość, ale stosunkowo niewielka szybkość skurczu (np. u człowieka mięśnie grzbietu).
Tymczasem mięśnie z niewielką ilością mioglobiny to tzw. mięśnie białe, które szybko się kurczą, ale i szybko ulegają
zmęczeniu (np. u człowieka mięśnie palców i ramion).
W krwi płodu jest obecna tzw. hemoglobina płodowa (HbF), która zanika w ok. 12 tygodniu po porodzie. Krew płodu
kontaktuje się z krwią matki przez łożysko, ale nie dochodzi do wymiany erytrocytów. Tak więc niezbędne jest białko,
które łatwiej łączy się z tlenem niż hemoglobina i będzie przejmować od niej tlen.
Transport dwutlenku węgla może się odbywać na trzy sposoby. Po odłączeniu cząsteczek tlenu hemoglobina może
wiązać się nietrwale z dwutlenkiem węgla, tworząc karbaminohemoglobinę (HbCO2). Jednak tylko ok. 20%
powstającego w tkankach CO2 jest przenoszona w ten sposób. Ok. 5-10% dwutlenku węgla jest rozpuszczone w osoczu.
Zdecydowana większość CO2 czyli ok. 70-75% pod wpływem enzymu anhydrazy węglanowej tworzy z wodą kwas
węglowy. Kwas ten dysocjuje na transportowane przez osocze aniony wodorowęglanowe i protony.
Zaburzenia funkcjonowania układu oddechowego
Podczas pobytu na dużych wysokościach, powyżej 3000 m n.p.m. pojawiają się pierwsze objawy niewydolności
organizmu, będącej wynikiem zaburzeń funkcjonowania układu oddechowego. Wraz ze wzrostem wysokości ciśnienie
parcjalne tlenu maleje - mówimy, że powietrze staje się rozrzedzone. Do krwi przenika zbyt mało tlenu i komórki
organizmu otrzymują go w niedostatecznej ilości. Organizm usiłuje temu zapobiec przez zwiększenie częstości i
głębokości oddechów, rozszerzeniu dróg oddechowych i niektórych naczyń krwionośnych, przyspieszeniu akcji serca.
Wymienione mechanizmy są stosowane krótko, a dłuższy pobyt na dużych wysokościach (aklimatyzacja) powoduje, że
organizm adaptuje się do nowych warunków poprzez wzrost liczby erytrocytów (nawet do 8 mm/mm3). Istotną rolę
odgrywa tu erytropoetyna, hormon produkowany głównie przez nerki i stymulujący powstawanie erytrocytów w
czerwonym szpiku kostnym. Czynnikiem wzmagającym wydzielanie erytropoetyny jest spadek ciśnienia parcjalnego
krwi dopływającej do nerek. Wysokość 7000 m n.p.m. jest strefą krytyczną - przebywanie w niej stanowi zagrożenie dla
życia.
W czasie nurkowania bez aparatu tlenowego następuje wstrzymanie oddechu na dłuższy czas. We krwi gromadzi się
dwutlenek węgla, co jest sygnałem dla ośrodka oddechowego do wywołania odruchu zaczerpnięcia powietrza, który tylko
do pewnego momentu może być powstrzymywany. Przed zanurzeniem należy wykonać serię głębokich wdechów i
wydechów (hiperwentylacja), aby obniżyć zawartość CO2 we krwi. Przy nurkowaniu na dużych głębokościach, nawet z
użyciem odpowiedniego sprzętu, zbyt gwałtowne zmiany głębokości (zwłaszcza przy wynurzaniu) stanowią zagrożenie
dla życia. Gwałtowne zmiany ciśnienia nieodwracalnie uszkadzają pęcherzyki płucne (tzw. choroba kesonowa).
Palenie papierosów
Palenie papierosów działa szkodliwie na cały organizm. Dym papierosowy zawiera szereg substancji niebezpiecznych dla
ustroju; są to np. nikotyna, ciała smoliste, benzopiren, tlenek węgla, cyjanowodór, fenole, kadm, ołów i wiele innych.
Aby przedstawić zgubny wpływ palenia papierosów na układ oddechowy należy wymienić:
• skurcz oskrzelików i nadmierne wydzielanie śluzu; substancje smoliste zlepiają i uszkadzają rzęski nabłonka
migawkowego; drogi oddechowe nie usuwają sprawnie bakterii i zanieczyszczeń dlatego u palaczy często występuje
chroniczny nieżyt dróg oddechowych;
• substancje smoliste osadzają się na ścianach pęcherzyków płucnych utrudniając wymianę gazową - co sugeruje
niedotlenienie organizmu;
• substancje mutagenne (np. benzopiren) prowadzą do powstania zmian nowotworowych, zwłaszcza płuc, ale także
krtani, tchawicy, języka, warg. Ok. 30% wszystkich nowotworów u mężczyzn stanowi rak płuc, a palenie papierosów
zwiększa ryzyko zachorowań prawie 40-krotnie.
Choroby układu odechowego (stany zapalne, gruźlica, astma, rozedma płuc)
Infekcje bakteryjne i wirusowe jakiegoś odcinka układu oddechowego mogą wywołać przekrwienie i obrzęk błon
śluzowych oraz nadmierne wydzielanie śluzu. Objawy takie wskazują na stan zapalny dróg oddechowych czyli nieżyt,
np. nosa (tzw. katar), gardła, krtani, tchawicy lub oskrzeli. Niewyleczone nieżyty mogą doprowadzić do zapalenia płuc.
Gruźlica to przewlekła, zakaźna choroba wywoływana przez bakterie, tzw. prątki gruźlicy lub prątki Kocha. Gruźlica
jest rozpoznawana na ogół dopiero w stadium zaawansowanym, ale już na początkowym etapie infekcji chory może
zakażać otoczenie (tzw. faza prątkowania). Prątki przenikają do organizmu ludzkiego poprzez układ oddechowy głównie
tzw. drogą kropelkową. Atakują głównie płuca wywołując stan zapalny, a następnie zwłóknienie i zwapnienie tkanki
płucnej - a w konsekwencji zmniejszenie powierzchni oddechowej. Na ogół organizm potrafi zwalczyć infekcję, jednak
osobniki źle odżywione przemęczone, o słabej odporności łatwo zapadają na tę chorobę. Objawy gruźlicy to: osłabienie,
wychudzenie, bladość, a w zaawansowanym stadium także uciążliwy kaszel i krwioplucie. Gruźlica jest obecnie chorobą
w pełni uleczalną, ale leczenie jest kosztowne. Profilaktyka polega przede wszystkim na szczepieniach ochronnych i
regularnych badaniach radiograficznych płuc.
Astma to choroba o podłożu alergicznym, objawiająca się zwężeniem światła dróg oddechowych, głównie oskrzelików
(tzw. astma oskrzelowa), ich obrzękiem i zwiększonym wydzielaniem śluzu. W konsekwencji u chorego dochodzi do
ataku duszności i kaszlu.
Rozedma płuc to stan chorobowy związany z nieodwracalnym uszkodzeniem pęcherzyków płucnych. Powstaje w
następstwie palenia papierosów oraz przewlekłego nieżytu oskrzeli. Powierzchnia wymiany gazowej zmniejsza się, co
powoduje gorsze utlenowanie krwi, a w konsekwencji duszność i niewydolność układu krążenia.
Teorię i zadania opracowano na podstawie następujących wydawnictw:












Podręczniki do biologii w zakresie podstawowym i rozszerzonym;
Vademecum maturzysty wydawnictwo Operon;
Repetytorium maturzysty wydawnictwo Greg,
Zadania maturalne:
wydawnictwo Operon,
wydawnictwo MAC,
wydawnictwo WSIP,
wydawnictwo PWN,
wydawnictwo CKA,
wydawnictwo OMEGA,
wydawnictwo: NOWA ERA.
Arkusze maturalne (CKE).
Zadania do rozwiązania
1) Na podstawie przeprowadzonych badań sporządzono wykres. Dokonaj analizy wykresu i wykonaj następujące
polecenia
a. Jakiego problemu dotyczyły badania? (1p)
b) Sformułuj hipotezę do zaproponowanego problemu badawczego (1p).
2) Gruźlica jest chorobą zakaźną wywoływaną przez prątek gruźlicy. Źródłem zakażenia jest najczęściej człowiek chory
(zakażenie kropelkowe). Gruźlicę w Polsce zaliczamy do chorób społecznych. W ostatnich latach obserwuje się
wzrost zachorowań na gruźlicę. Choroba ta rozwija się w różnych narządach, ale najczęściej atakuje płuca.
Wykrywana jest przez zdjęcie rentgenowskie płuc.
Dokonaj analizy rysunku i ustal jedną zmianę, jaką powoduje gruźlica w płucach. Podaj jeden skutek występowania
zmian gruźliczych w płucach (2p).
3) Ciśnienie cząsteczkowe CO2 wpływa na wysycenie hemoglobiny tlenem. Poniżej przedstawiono wykresy.
a) Jaką zależność przedstawiają wymienione wykresy?
b) Wybierz krzywą, która wskazuje, że ciśnienie parcjalne (cząsteczkowe) tlenu o wartości 30 mm Hg daje
50% wysycenie hemoglobiny tlenem.
c) Wyjaśnij, używając dwóch argumentów, dlaczego wypoczynek i nauka powinny odbywać się w miejscach
wietrzonych z dostępem świeżego powietrza?
4) W skład górnych i dolnych dróg oddechowych wchodzą odrębne elementy anatomiczne. Elementy te znajdują się na
rysunkach i oznaczono je literami alfabetu (1p).
a) Wybierz te, które należą do dolnych dróg oddechowych i je nazwij.
b) Wyjaśnij jednym zdaniem dlaczego jama nosowo posiada:
1. liczne naczynia krwionośne,
2. dużo gruczołów śluzowych,
3.wysłana jest nabłonkiem wielowarstwowym migawkowym.
5) W płucach zachodzi wymiana gazów między powietrzem wypełniającym pęcherzyki płucne a krwią, która przepływa
w oplatających je naczyniach włosowatych. Ciśnienie parcjalne (cząsteczkowe) składników powietrza oblicza się wg
wzoru:
Wykorzystując poniższą tabelę, oblicz ciśnienie
parcjalne tlenu (1p).
gdzie: 760 mm Hg - ciśnienie atmosferyczne
?% — procentowa zawartość gazu w mieszaninie gazów
6) Wentylacja płuc wiąże się z ruchami klatki piersiowej. Ruchy te obejmują wdech i wydech (3p).
a) Wskaż położenie klatki piersiowej i przepony
przy wdechu (posłuż się oznaczeniami
literowymi).
b) Wyjaśnij w dwóch zdaniach, dlaczego wdech
określany jest jako „akt czynny" wymiany
gazowej, zaś wydech jako „akt bierny" ?
7) Poniższy rysunek przedstawia sytuację powstałą na skutek przebicia zewnętrznej ściany klatki piersiowej i błony
opłucnej (np. w wyniku urazu wypadkowego). Powstaje wtedy schorzenie zwane odmą płucną(2p).
a) Jakie zmiany zachodzą w budowie i pracy
płuc w wyniku odmy.
b) Jakiej pomocy udzielisz osobie, która w
wyniku wypadku ucierpiałaby na odmę.
8) Wykorzystując poniższe wykresy przedstawiające zmiany zachodzące podczas wentylacji płuc człowieka oraz
informacje z zadania poprzedniego (zad nr 4.), oblicz minutowe spoczynkowe zużycie tlenu. Wartość ta jest
iloczynem pojemności oddechowej płuc i różnicy udziału procentowego tlenu w powietrzu wdychanym i
wydychanym w jednostce czasu (1p).