1. Химическая природа кислорода и углекислого газа. 1.1. Кислород. 1.2. Роль кислорода в природе и его применение в технике. 1.3. Оксид углерода (IV). - презентация

1

2 1. Химическая природа кислорода и углекислого газа Кислород Роль кислорода в природе и его применение в технике Оксид углерода (IV). 2. Участие кислорода и углекислого газа в обмене газов в организме человека Парциальное давление кислорода и углекислого газа Гемоглобин Разновидности гемоглобина у человека. 3. Гипоксия. Влияние гипоксии на функциональное состояние человека. 4. Методы исследования функции внешнего дыхания. Функциональные пробы. 5. Изучение состояния внешнего дыхания у школьников с различной степенью физической подготовки. Конец >> Конец >>

3

4 Кислород – самый распространенный элемент на Земле. В свободном состоянии молекулярный кислород входит в состав воздуха, где его содержание составляет 20,95% (по объему). Содержание в земной коре 47,2% (по массе). Кислород – важная составная часть углеводов, жиров, белков. Существует в виде двух аллотропных модификаций – молекулярный кислород (дикислород) и озон (трикислород). Наиболее устойчива молекула О2, обладающая парамагнитными свойствами. В лабораторных условиях кислород можно получить следующими способами: А) Разложением бертолетовой соли: 3KClO 3 = 2KCl + 3O 2 Б) Разложением перманганата калия: 2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 В) Нагреванием нитратов щелочных металлов (NaNO 3, KNO 3 ); при этом выделяется в свободном состоянии лишь 1/3 содержащегося в них кислорода: 2NaNO 3 = 2NaNO 2 + O 2 Основным источником промышленного получения кислорода является воздух, который сжигают и затем фракционируют. Вначале выделяется азот (t кип = -195,8˚С), а в жидком состоянии остается почти чистый кислород, так как его температура кипения выше (-183 ˚С) Широко распространен способ получения кислорода, основанный на электролизе воды. Физические свойства. При нормальных условиях кислород – бесцветный газ, без запаха и вкуса. Температура кипения 183˚С, тяжелее воздуха, плотность 1,43 г/см 3. В 1л воды при нормальных условиях растворяется 0,04г кислорода. Химические свойства. Как элемент, занимающий место в правом верхнем углу периодической системы Д.И. Менделеева, кислород обладает ярко выраженными неметаллическими свойствами. Имея на наружном энергетическом уровне шесть электронов, атом кислорода может перейти к предельно заполненной 8-й электронной оболочке (условие максимальной химической устойчивости), присоединив 2 электрона. Поэтому в реакциях с другими элементами (кроме фтора) кислород проявляет исключительно окислительные свойства. Кислород образует соединения со всеми химическими элементами, кроме гелия, неона и аргона. С большинством элементов он взаимодействует непосредственно, кроме галогенов, золота и платины. Скорость реакции, как с простыми, так и со сложными веществами зависит от природы веществ, температуры и других условий. Такой активный металл, как цезий, самовозгорается в кислороде воздуха уже при комнатной температуре. С фосфором кислород активно реагирует при нагревании до 60˚С, с серой – до 250˚С, с водородом – более 300˚С, с углеродом (в виде угля и графита) – при ˚С: 4P + 5O 2 = 2P 2 O 5 S + O 2 = SO 2 2H 2 + O 2 = 2H 2 O C + O 2 = CO 2 Горение водорода в кислороде протекает по цепному механизму. Эта реакция начинается с образования активных нестабильных частиц – свободных радикалов-носителей неспаренных электронов: H 2 + O 2 = OH + OH (зарождение цепи) Радикалы OH легко реагируют с молекулой H 2 : OH + H 2 = H 2 O + H Атом водорода реагирует далее с молекулой O 2 с образованием вновь радикала OH и атома кислорода и т. д. Эти элементарные акты способствуют развитию цепи. При горении сложные веществ в избытке кислорода образуются оксиды соответствующих элементов: 2H 2 S + 3O 2 = 2SO 2 + 2H 2 OCH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O СероводородМетан C 2 H 5 OH + 3O 2 = 2CO 2 + 3H 2 O4FeS O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 ЭтанолКолчедан Рассмотренные реакции сопровождаются выделением только теплоты, так и света. Такие процессы с участием кислорода называются горением. Кроме указанного типа взаимодействия, имеют место и такие, которые сопровождаются выделением только тепло теплоты, а свет не выделяется. К ним, прежде всего, следует отнести процесс дыхания.

5 При участии кислорода совершается один из жизненно важнейших процессов – дыхание. Окисление кислородом углеводов, жиров и белков служит источником энергии живых организмов. В организме человека содержание кислорода составляет 61% от массы тела. В виде различных соединений он входит в состав всех органов, тканей, биологических жидкостей. Человек вдыхает в сутки м 3 воздуха. Кислород широко используется практически во всех отраслях химической промышленности: - для получения азотной и серной кислот, - в органическом синтезе, - в процессах обжига руд. Процесс производства стали невозможен без кислорода, металлургия использует свыше 60% всего промышленного кислорода. Горение водорода в кислороде сопровождается выделением значительной энергии – почти 286 кДж/моль. Эта реакция используется для сварки и резки металлов. Жидкий кислород применяется для изготовления взрывчатых смесей. Огромная потребность в кислороде ставит перед человечеством серьезную экологическую проблему сохранения его запасов в атмосфере. До настоящего времени единственным источником, пополняющим атмосферу кислородом, является жизнедеятельность зеленых растений. Поэтому особо важно следить за тем, чтобы их количество на Земле не уменьшалось.

6 CO 2 (углекислый газ) имеет линейную структуру. Связи в молекуле образованы за счет четырех электронных пар. В молекуле оксида углерода (IV) имеет место sp-гибридизация. Две sp-гибридные орбитали углерода образуют две сигма-связи с атомами кислорода, а оставшиеся негибридизированные p-орбитали углерода дают с двумя p-орбиталями атомов кислорода пи-связи, которые располагаются в плоскостях, перпендикулярных друг другу. Изложенное объясняет линейное строение CO 2. CO2 образуется при термическом разложении карбонатов. В промышленности CO2 получают при обжиге известняка: CaCO 3 = CaO + CO 2 В лаборатории его можно получить действием разбавленных кислот на карбонаты: CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + CO 2 + H 2 O При обычных условиях CO 2 – бесцветный газ в 1,5 раза тяжелее воздуха. Растворим в воде (при 0 ˚С 1,7 л CO 2 в 1 л H 2 O). При повышении температуры растворимость CO 2 сильно уменьшается и его избыток удаляется из раствора в виде пузырьков, образующих пену. Это свойство используют для изготовления шипучих напитков. При сильном охлаждении CO 2 кристаллизуется в виде белой снегообразной массы, которая в спрессованном виде испаряется очень медленно, понижая температуру окружающей среды. Этим и объясняется ее применение в качестве «сухого льда». Не поддерживает дыхания, но служит источником питания зеленых растений (фотосинтез). Свойство CO 2 не поддерживать горения используется в противопожарных устройствах. При высоких температурах оксид углерода (IV) может реагировать с металлами, сродство которых к кислороду выше, чем у самого углерода (например, с магнием): CO 2 +2Mg = 2MgO + C При растворении CO 2 в воде происходит их частичное взаимодействие, ведущее к образованию угольной кислоты H 2 CO 3.

7 1. Химическая природа кислорода и углекислого газа Кислород Роль кислорода в природе и его применение в технике Оксид углерода (IV). 2. Участие кислорода и углекислого газа в обмене газов в организме человека Парциальное давление кислорода и углекислого газа Гемоглобин Разновидности гемоглобина у человека. 3. Гипоксия. Влияние гипоксии на функциональное состояние человека. 4. Методы исследования функции внешнего дыхания. Функциональные пробы. 5. Изучение состояния внешнего дыхания у школьников с различной степенью физической подготовки. Конец >> Конец >>

8

9 Альвеолы легких представляют собой полушаровидные впячивания стенок альвеолярных ходов и дыхательных бронхиол. Диаметр альвеол – мкм. Количество альвеол в одном легком человека в среднем 400 млн (со значительными индивидуальными вариациями). Большая часть наружной поверхности альвеол соприкасается с капиллярами малого круга кровообращения. Суммарная площадь этих контактов велика – около 90 м 2. От альвеолярного воздуха кровь отделяет так называемая легочная мембрана, состоящая из эндотелиальных клеток, двух основных мембран, плоского альвеолярного эпителия, слоя суфактанта. Толщина легочной мембраны всего 0,4 – 1,5 мкм. Газообмен в легких осуществляется в результате диффузии кислорода из альвеолярного воздуха в кровь (около 500 л в сутки) и углекислого газа из крови в альвеолярный воздух (около 430 л в сутки). Диффузия происходит вследствие разности парциального давления этих газов в альвеолярном воздухе и их напряжением в крови. Парциальное давление газа в газовой смеси пропорционально процентному содержанию газа и общему давлению смеси. Оно не зависит от природы газа. Так, при давлении сухого воздуха 760 мм.рт.ст. парциальное давление кислорода примерно 21%, то есть 159 мм.рт.ст. При расчете парциального давления в альвеолярном воздухе следует учитывать, что он насыщен водяными парами, парциальное давление которых при температуре тела равно 47 мм.рт.ст. Поэтому на долю парциального давления газов приходится 760 – 47 = 713 мм.рт.ст. При содержании кислорода в альвеолярном воздухе 14% парциальное давление его будет 99,8 мм.рт.ст. (около 100 мм.рт.ст.). При содержании диоксида углерода 5,5% парциальное давление соответствует 39,2 мм.рт.ст (около 40 мм.рт.ст.). Парциальное давление кислорода и диоксида углерода в альвеолярном воздухе является той силок, с которой молекулы этих газов стремятся проникнуть через альвеолярную мембрану в кровь. В крови газы находятся в растворенном (свободном) и химически связанном состоянии. В диффузии участвуют только молекулы растворенного газа. Количество газа, растворяющегося в жидкости, зависит от: 1) Состава жидкости, 2) Объема и давления газа над жидкостью, 3) Температуры жидкости, 4) Природы исследуемого газа. Чем выше давление данного газа и чем ниже температура, тем больше газа растворяется в жидкости. При давлении 760 мм.рт.мт. и температуре 38 ˚С в 1 мл крови растворяется 2,2% кислорода и 5,1 % диоксида углерода. Растворение газа в жидкости продолжается до наступления динамического равновесия между количеством растворяющихся и выходящих в газовую среду молекул газа. Сила, с которой молекулы растворенного газа стремятся выйти в газовую среду, называется напряжением газа в жидкости. Таким образом, в состоянии равновесия напряжение газа равно парциальному давлению газа над жидкостью. Если парциальное давление газа выше его напряжения, газ будет растворяться. Если парциальное давление газа ниже его напряжения, то газ будет выходить из раствора в газовую среду. Проницаемость легочной мембраны для газа выражают величиной диффузионной способности легких. Это – количество газа, проникающего через легочную мембрану за 1 мин на 1 мм.рт.ст. градиента давлений. Диффузионная способность легких пропорциональна толщине мембраны. В норме диффузионная способность легких для кислорода около 25 мл/мин мм.рт.ст. Для диоксида углерода вследствие высокой растворимости этого газа в легочной мембране диффузионная способность в 24 раза выше. Парциальное давление и напряжение кислорода и диоксида углерода в легких приведены в таблице. Парциальное давление и напряжение кислорода и углекислого газа в легких (мм.рт.ст.) Диффузия кислорода обеспечивается разностью парциальных давлений, равной около 60 мм.рт.ст., а диоксида углерода – всего лишь около 6 мм.рт.ст. Время протекания крови через капилляры малого круга (в среднем 0,7 с) достаточно для практически полного выравнивания парциального давления и напряжения газов: кислород растворяется в крови, а диоксид углерода переходит в альвеолярный воздух при относительно небольшой разнице давлений объясняется высокой диффузионной способностью легких для этого газа. ГазыВенозная кровьАльвеолярный воздух Артериальная кровь O2O CO

10 Гемоглобин является основной составной частью эритроцитов и обеспечивает дыхательную функцию крови, являясь дыхательным ферментом. Он находится внутри эритроцитов, а не в плазме крови, что: А) Обеспечивает уменьшение вязкости крови (растворение такого же количества гемоглобина в плазме повысило бы вязкость крови в несколько раз и резко затруднило бы работу сердца и кровообращение); Б) Уменьшает онокотическое давление плазмы, предотвращая обезвоживание тканей; В) Предупреждает потерю организмом гемоглобина вследствие его фильтрации в клубочках почек и выделения с мочой. По химической структуре гемоглобин представляет собой хромопротеид. Он состоит из белка глобина и простетической группы гема. В молекуле гемоглобина содержится одна молекула глобина и 4 молекулы гема. Гем имеет в своем составе атом железа, способный присоединять и отдавать молекулу O 2. При этом валентность железа не изменяется, то есть оно остается двухвалентным. Железо входит в состав всех дыхательных ферментов тканей. Такая важная роль железа в дыхании определяется строением его атома – большим числом свободных электроном, способностью к комплексообразованию и к участию в реакциях окисления – восстановления. В крови здоровых мужчин содержится в среднем гемоглобина 145 г/л с колебаниями от 130 до 160 г/л. В крови женщин находится около 130 г/л с колебаниями от 120 до 140 г/л. В клинике часто определяют цветовой показатель – относительное насыщение эритроцитов гемоглобином. В норме он составляет 0,8-1. Эритроциты, имеющие такой показатель, называют нормохромными. Если показатель больше 1, то эритроциты называют гиперхромными, а если меньше 0,8 – гипохромными. Гемоглобин синтезируется эритробластами и нормобластами костного мозга. При разрушении эритроцитов гемоглобин после отщепления гема превращается в желчный пигмент билирубин. Последний с желчью поступает в кишечник, где превращается в стеркобилин и уробилин, выводимые с калом и мочой. За сутки разрушается и превращается в желчные пигменты около 8 г гемоглобина, то есть около 1% гемоглобина, находящегося в крови.

11 В первые 7-12 недель внутриутробного развития зародыша его красные кровяные тельца содержат примитивный гемоглобин. На 9-й неделе в крови зародыша появляется фетальный гемоглобин, а перед рождением – гемоглобин взрослых. В течении первого года жизни фетальный гемоглобин почти полностью заменяется гемоглобином взрослых. Весьма существенно, что фетальный Hb обладает более высоким сродством с O 2, чем гемоглобин взрослых, что позволяет ему насыщаться при более низком напряжении кислорода. Гем разных гемоглобинов одинаков, глобины же отличаются по своему аминокислотному составу и свойствам. В норме гемоглобин содержится в виде 3 физиологических соединений. Гемоглобин, присоединивший кислород, превращается в оксигемоглобин – HbO 2. Это соединение по цвету отличается от гемоглобина, поэтому артериальная кровь имеет ярко-алый цвет. Оксигемоглобин, отдавший кислород, называют восстановленным или дезоксигемоглобином (Hb). Он находится в венозной крови, которая имеет более темный цвет, чем артериальная. Кроме того, в венозной крови содержится соединение гемоглобина с углекислым газом – карбогемоглобин, который транспортирует CO 2 из тканей к легким. Гемоглобин и оксигемоглобин неодинаково поглощают световые лучи длиной , что легло в основу метода оценки насыщения крови кислородом – оксигемометрии. По этому методу ушную раковину или кювету с кровью просвечивают электрической лампочкой и с помощью фотоэлемента определяют насыщение гемоглобина кислородом. Гемоглобин обладает способностью образовывать и патологические события. Одним из них является карбоксигемоглобин – соединение гемоглобина с угарным газом (HbCO). Сродство железа гемоглобина к CO 2 превышает его сродство к O 2, поэтому даже 0,1 % CO в воздухе ведет к превращению 80% гемоглобина в HbCO, который не способен присоединять кислород, что является опасным для жизни. Слабое отравление угарным газом – обратимый процесс. При дыхании свежим воздухом CO постепенно отщепляется. Вдыхание чистого кислорода увеличивает скорость расщепления HbCO в 20 раз. Метгемоглобин Ме(Hb) тоже патологическое соединение, является окисленным гемоглобином, в котором под влиянием сильных окислителей (феррицианид, перманганат калия, амил- и пропилнитрит, анилин, бертолетова соль, фенацетин) железо гем из двухвалентного превращается в трехвалентное. При накоплении в крови больших количеств метгемоглобина транспорт кислорода тканям разрушается и может наступить смерть. Миоглобин. В скелетных мышцах и миокарде находится мышечный гемоглобин, называемый миоглобином. Его простетическая группа идентична гемоглобину крови, а белковая часть – глобин – обладает меньшей молекулярной массой. Миоглобин человека связывает до 14 % общего количества кислорода в организме. Это его свойство играет важную роль в снабжении работающих мышц. При сокращении мышц из кровеносные капилляры сдавливаются, и кровоток уменьшается либо прекращается. Однако благодаря наличию кислорода, связанного с миоглобином, в течение некоторого времени снабжение мышечных волокон кислородом сохраняется.

12 1. Химическая природа кислорода и углекислого газа Кислород Роль кислорода в природе и его применение в технике Оксид углерода (IV). 2. Участие кислорода и углекислого газа в обмене газов в организме человека Парциальное давление кислорода и углекислого газа Гемоглобин Разновидности гемоглобина у человека. 3. Гипоксия. Влияние гипоксии на функциональное состояние человека. 4. Методы исследования функции внешнего дыхания. Функциональные пробы. 5. Изучение состояния внешнего дыхания у школьников с различной степенью физической подготовки. Конец >> Конец >>

13

14 Гипоксия представляет собой патологическое состояние, характеризующееся пониженным напряжением кислорода в клетках и тканях организма. Причины, определяющие развитие кислородного голодания, различны, поэтому и сами гипоксические состояния по физиологическому механизму развития неоднородны. Это определило необходимость классификации гипоксии, среди которых выделяют четыре основные формы: - гипоксическую, - циркуляторную, - гермическую, - гистотоксическую. Снижение парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе приводит в развитию артериальной гипоксемии, которая является пусковым механизмом развития гипоксического состояния, вызывая, по меньшей мере, три связанных между собой комплекса явлений. Во-первых, под влиянием гипоксемии возникает рефлекторное увеличение напряжения функции систем, специфически ответственных за транспорт кислорода из окружающей среды и его распределение внутри организма, то есть гипервентиляция легких, увеличение минутного объема кровообращения, расширение сосудов мозга и сердца, сужения сосудов брюшной полости и мышц. Во-вторых, развивается активация адренергической и гипофизарно-адреналовой систем, то есть стресс-реакция. Этот неспецифический компонент адаптации играет роль в мобилизации аппарата кровообращения и внешнего дыхания, но вместе с тем избыточно выраженная стресс- реакция за счет катаболического действия может приводить к срыву адаптивных процессов в организме. Ведущим звеном патогенеза гипоксического состояния становится дефицит энергии, связанный с переходом обмена на менее энергетически выгодный анаэробный путь и нарушение сопряжения процессов окисления и фосфорилирования. Нарушается процесс взаимного окисления – фосфорилирования переносчиков электронов в дыхательной цепи митохондрий. Вслед за нарушением окислительно-восстановительного потенциала переносчиков электроном снижается окислительное фосфорилирование, энергообразование и процесс аккумуляции энергии в макроэргических связях АТФ и креатипфосфата. Ограничивая ре-синтез АТВ в митохондриях, острая гипоксия вызывает прямую депрессию функций ряда систем организма, и прежде всего ЦНС, миокарда и печени. В интенсивно работающих органах идет усиленный распад гликогена, возникают дистрофические явления, нарастает «кислородный долг» организма. Возникающие изменения еще более усиливаются под влиянием недоокисленных продуктов метаболизма. Наблюдаемая картина гипоксической гипогсии зависит от снижения парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе. Начиная с высоты 1000м, наблюдается увеличение легочной вентиляции, первоначально за счет увеличения глубины дыхания, а на высоте более 2000м гипервентиляция легких обусловлена и увеличением частоты дыханий. При этом глубина дыхания может снижаться за счет повышения тонуса дыхательных мышц и подъема диафрагмы, увеличения остаточного объема и снижения резервного объема выдоха, что субъективно оценивается, как чувство вздутия грудной клетки. На высотах более 3000м гипервентиляция приводит к гипокапнии, что может приводить к возникновению периодического дыхания и снижению выраженной гипервентиляции. В результате прямого действия сниженного парциального давления кислорода на гладкую мускулатуру легочных сосудов и выброса биологически активных веществ повышает легочное артериальное давление. Повышение давления в легочной артерии является фактором, определяющим повышение кровотока через газообменные структуры легких. При этом сужение просвета мелких легочных сосудов определяет равномерное кровоснабжение различных участков легких и повышение их диффузионной способности. Параллельно с изменениями в системе внешнего дыхания отмечается увеличение минутного объема кровотока в основном за счет преходящей тахикардии, начиная с высоты 2510 м, а у лиц с расстройством кардиореспираторной системы – сниженной физической выносливостью с высоты 1500м. В генезе тахикардии пусковым механизмом являются рефлексы с хеморецепторов синокаротидной и аортальной сосудистой области, к которым присоединяются адренергические влияния, связанные с фазой мобилизации стресс-реакции и реализующиеся через адренорецепторы миокарда. Существование влияние на клиническую картину гипоксической гипоксии оказывают более высокие приросты частоты пульса при выполнении даже легкой физической работы или при проведении ортостатической пробы. Наиболее чувствительной к дефициту кислорода является ЦНС, со стороны которой наблюдаются следующие изменения высших психологических функций: - повышается уровень эмоциональной возбудимости, - снижается критическое мышление, - замедляются тонко координированные реакции. На высотах м отмечаются нарушения функции зрительного и слухового анализатора, падает психическая активность, нарушаются кратковременная и оперативная память. На больших высотах к этим явлениям присоединяется тяжесть в голове, сонливость, головная боль, адинамия и тошнота. Развитию этих симптомов обычно предшествует эйфория. Кратковременное воздействие умеренной гипоксии может оказывать стимулирующий эффект на физическую и умственную работоспособность, но пребывание более 30 мин в высотах м уже может приводить к снижению физической и умственной работоспособности при чрезмерном функционировании кардиореспираторной системы. Так, уже в первые сутки пребывания на высоте 3000м максимальная физическая работоспособность может снижаться на 20-45% в зависимости от индивидуальной устойчивости и гипоксии. Поэтому физическая работа даже небольшой интенсивности в условиях гипоксии может оцениваться организмом как работа субмаксимальной или максимальной мощности, а следовательно, быстро приводить к утомлению и истощению резервных возможностей организма.

15 В сложной структуре компенсаторно-приспособительных процессов, развивающихся в организме человека на гипоксическое воздействие, Меерсон Ф.З. выделил 4 уровня координированных между собой механизмов: 1. Механизмы, мобилизация который может обеспечить достаточное поступление кислорода в организм, несмотря на дефицит его в окружающей среде (гипервентиляция, гиперфункция миокарда, обеспечивающая объем легочного кровообращения; и соответсвующее увеличение кислородной емкости крови). 2. Механизмы, делающие возможным достаточное поступление кислорода к мозгу, сердцу и другим жизненно важным органам, несмотря на гипоксию (уменьшение диффузного расстояния для кислорода между капиллярной стенкой и митохондриями клеток за счет образования новых капилляров и повышении проницаемости клеточных мембран; увеличение способности клеток утилизировать кислород вследствие роста концентрации миоглобина; облегчение диссоциации оксигемоглобина). 3. Увеличение способности клеток и тканей утилизировать кислород в крови и образовывать АТФ, несмотря на его дефицит (повышение сродства цитохромоксидазы, новообразованные митохондрий, увеличение сопряжения окисления с фосфорилированием). 4. Увеличение анаэробного ресинтеза АТФ за счет активации гликолиза. Необходимо учитывать ограниченные возможности этих механизмов, лимитирующим звеном которых выступают ограниченные резервы функциональных систем. Так, эффективность внешнего дыхания резко снижается при минутном объеме дыхания, превышающем 45л/мин; возможности гемодинамики лимитируются хронотропным и инотропным резервом миокарда. Лимитирующее значение резервных систем организма особенно отчетливо выявляется в ситуациях их дефицита (заболевания кардиореспираторной системы, интенсивная физическая нагрузка и др.), когда синдромы дизадаптации (острая головная болезнь, высокогорный отек легких, очаговая дистрофия миокарда) могут развиваться даже при пребывании на относительно малой высоте ( м). Если резервные возможности физиологических систем позволяют поддерживать жизнедеятельность организма на должном уровне, то постепенно к механизмам мобилизации подключаются и другие механизмы, направленные на формирование долгосрочной устойчивой адаптации. Этап срочной реакции на гипоксию сменяется переходным. В переходной стадии дефицит макроэргических соединений в клетках, осуществляющих увеличенную функцию и подвергающихся действию гипоксии, вызывает активацию синтеза нуклеиновых кислот и белков. Эта активация протеинсинтеза охватывает необычно широкий круг органов и систем и приводит к формированию обширного системного структурного следа адаптации. Так, активация синтеза нуклеиновых кислот и белков в костном мозге становится основой пролиферации клеток эритроидного ряда, в легочной ткани она приводит к гипертрофии ткани легких и увеличению их дыхательной поверхности. Активация адаптивного протеинсинтеза в миокарде приводит к увеличению мощности адренергической регуляции сердца, значительному увеличению концентрации миоглобина, пропускной способности коронарного русла, а в целом – к увеличению мощности системы энергообеспечения сердца. В переходной стадии начинают активно функционировать механизмы, обеспечивающие повышение способности тканей и клеток утилизировать кислород из крови и образовывать АТФ, несмотря на его недостаток (увеличение окислительно-восстановительного потенциала ферментов тканевого дыхания, увеличение количества митохондрий, степени окисления и фосфорилирования субстратов). Также происходит повышение интенсивности анаэробных процессов и процессов нейтрализации недоокисленных продуктов метаболизма, таких как гликолиз, глюконеогенез, шунтирование лимитирующих звеньев цикла трикарбоновых кислот. Происходит формирование нового уровня гормональной регуляции физиологических систем организма, приводящего к снижению основного обмена и более экономному использованию кислорода тканями.

16 1. Химическая природа кислорода и углекислого газа Кислород Роль кислорода в природе и его применение в технике Оксид углерода (IV). 2. Участие кислорода и углекислого газа в обмене газов в организме человека Парциальное давление кислорода и углекислого газа Гемоглобин Разновидности гемоглобина у человека. 3. Гипоксия. Влияние гипоксии на функциональное состояние человека. 4. Методы исследования функции внешнего дыхания. Функциональные пробы. 5. Изучение состояния внешнего дыхания у школьников с различной степенью физической подготовки. Конец >> Конец >>

17

18 Показатели легочной вентиляции подразделяются (условно) на анатомические величины. Они зависят от пола, возраста, веса, роста. Правильная оценка функционального состояния аппарата внешнего дыхания возможна лишь при сопоставлении абсолютных показателей с так называемыми должными величинами – соответствующими величинами у здорового человека того же возраста, веся, пола, роста. Различают легочные объемы и емкости. 1) Легочные объемы: - дыхательный объем (глубина дыхания); - резервный объем вдоха (дополнительный воздух); - резервный объем выдоха (резервный воздух); - остаточный объем (остаточный воздух) 2) Легочные емкости: - жизненную емкость легких (сумма дыхательного объема резервного объема вдоха и выдоха); - общую емкость легких (сумма жизненной емкости легких и остаточного объема); - функциональную остаточную емкость (сумма остаточного объема и резервного объема выдоха) -емкость вдоха сумма дыхательного и резервного объема вдоха). Функция внешнего дыхания изучается с помощью аппаратов закрытого и открытого типа. При закрытом способе исследования газообмена (спирография) используются отечественные спирографы Киевского и Казанского заводов медоборудования. В аппаратах закрытого типа исследуемый вдыхает воздух из аппарата и выдыхает его туда же, то есть дыхательные пути и аппарат составляют замкнутую систему. На пути выдыхаемого воздуха имеется поглотитель углекислого газа. На движущейся бумажной ленте регистрируется кривая записи дыхания – спирограмма. По ней определяют частоту и глубину дыхания, минутный объем, жизненную емкость легких и ее фракции, поглощение кислорода в единицу времени, рассчитывают дыхательные показатели и основной обмен. Исследование можно проводить при дыхании как атмосферном воздухом, так и кислородом. Необходимым условием является предварительное ознакомление с характером исследования (тренировочное дыхание в спирограф, мешок Дугласа). Результаты могут считаться достоверными в том случае, если подключение системы не изменяет естественного характера дыхания. Открытый способ исследования газообмена (метод Дугласа и Холдена). В аппаратах открытого типа исследуемый вдыхает атмосферный воздух извне через клапанную коробку. Выдыхаемый воздух поступает в мешок Дугласа (пластмассовый или резиновый мешок, емкостью литров) или газовый счетчик, непрерывно определяющий объем выдыхаемого воздуха. Подключение к системе производится одновременно с включением секундомера. Собранный воздух в мешке Дугласа перемешивается механическим путем и берется на анализ. Оставшийся воздух пропускают через газовые часы для определения объема выдохнутого воздуха. Последний, разделенный на число минут исследования, приводится по специальным таблицам к нормальным условиям (барометрическое давление 760 мм.рт.ст. и температура 0 ˚С). Полученная цифра составляет величину минутного объема дыхания. Анализ пробы выдыхаемого воздуха в газоанализе (аппарат Холдена) позволяет определить процент поглощения кислорода и выделения углекислого газа. Используя специальные таблицы, рассчитывают утилизацию кислорода в легких, выделение углекислого газа, дыхательный коэффициент, основной обмен. К системам открытого типа относится и аппарат Белау, позволяющий непрерывно регистрировать содержание кислорода и углекислоты в выдыхаемом воздухе. Пневмография. Метод исследования дыхательных движений грудной клетки. Запись дыхательной кривой (пневмограммы) производится при помощи резиновой манжетки, которую накладывают на грудь и соединяют с капсулой Марея и пишущим устройством. Получили также распространение пьезодтатчики, преобразующие механические движения грудной клетки в электрический ток. В этом случае пневмограмма регистрируется с помощью осциллографа. Метод пневмографии позволяет определить частоту и ритм дыхания, изменения фаз дыхательного цикла. В норме соотношение длительности вдоха и выдоха составляет 1:1,2 и 1,5. Рекомендуется проводить длительную запись пневмограммы по возможности при спокойном состоянии исследуемого. Метод пневмографии широко используется для исследования дыхания у детей раннего возраста, тогда как применение открытого и закрытого исследования газообмена в этом возрасте затруднительно. Пневмотахометрия. Метод измерения мощности форсированного вдоха и выдоха. Используется для суждения о сопротивлении дыхательных путей (бронхиальной проходимости). Датчик пневмотахометра представляет собой металлическую трубку с диафрагмой. Перепад давлений, возникающий при прохождении воздуха через отверстия диафрагмы, замеряется специальным манометром. Обследуемому предлагают взять наконечник трубки в рот и сделать предельно быстрый глубокий выдох. Затем после кратковременного отдыха и переключения крана производится быстрый вдох. Стрелка школы прибора показывает мощность воздушного потока в литрах в секунду. Измерения производятся троекратно, учитывается наибольший результат. Клиническое значение. При заболеваниях, сопровождающихся нарушением бронхиальной проходимости (хроническая пневмония, бронхиальная астма), обычно наблюдается снижение мощности форсированного выхода и, в меньшей степени, вдоха. Дыхательный объем. (ДО) – объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха при каждом дыхательном цикле. Он определяется путем деления минутного объема и частоты дыхания на число дыханий в минуту. Величина ДО зависит от возраста, физического развития и жизненной емкости легких. Исследование дыхательного объема и частоты дыхания позволяет объективно оценивать характер легочной вентиляции. Глубокое и редкое дыхание создает лучшие условия для легочного газообмена. Частое и поверхностное дыхание, наоборот, малоэффективно ввиду увеличения роли «вредного пространства» (воздуха, заполняющего дыхательные пути и не участвующего в газообмене) и неравномерности вентиляции разных участков легких. В детском возрасте отмечается значительная лабильность показателей внешнего дыхания и, в первую очередь, частоты и глубины дыхания. Дыхание ребенка с раннего возраста частое и поверхностное. С возрастом дыхание у детей становится реже (от 48 до 17 дыханий в 1 минуту) и нарастает дыхательный объем (от 30 мл в месячном возрасте до 275 мл в 15 лет – средние данные по Н.А.Шалкову). Клиническое значение. Практическую значимость имеет величина объема дыхания в сочетании с частотой дыхания. Так, при острых пневмониях и хронических заболеваниях органов дыхания (двусторонний диффузный пневмосклероз, пневмофиброз) дыхательный объем уменьшается, частота же дыхания увеличивается. Уменьшение объема дыхания наблюдается у больных с тяжелой недостаточностью кровообращения, выраженном застое в легких, ригидности грудной клетки, при торможении дыхательного центра. Резервный объем вдоха – максимальный объем воздуха, который можно вдохнуть после спокойного вдоха. Определяется по спирограмме. После спокойного вдоха испытуемому предлагается сделать максимально глубокий вдох, через секунд повторяется запись максимального вдоха. Измеряется высота зубца максимального вдоха. Измеряется высота зубца максимального вдоха от уровня спокойного вдоха. В соответствии с масштабом шкалы спирографа производится пересчет на миллилитры. У детей резервный объем колеблется в широких пределах мл. Резервный объем выдоха – максимальный объем воздуха, который можно выдохнуть после спокойного выдоха. После спокойного выдоха испытуемому предлагают максимально выдохнуть в спирометр, или спирограф. Измеряется величина зубца максимального выдоха от уровня спокойного выдоха до вершины зубца и делается перерасчет на миллилитры. Величина резервного объема выдоха у детей колеблется в пределах мл, составляя примерно 20-25% жизненной емкости легких. Клиническое значение. Значительное уменьшение резервного объемов вдоха и выдоха наблюдается при снижении эластичности легочной такни, бронхиальной астме, эмфиземе легких. Практическая значимость резервного объема вдоха и выдоха в силу значительной индивидуальной вариабельности несущественна. Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) – максимальное количество воздуха, которое можно выдохнуть после максимального вдоха. Она измеряется с помощью спирометра или спирографа. Величина ЖЕЛ нарастает с возрастом. По Н.А. Шалкову, средние данные в возрасте 4-6 лет составляют 1100 – 1200 мл, увеличиваясь к годам до мл. У мальчиков ЖЕЛ бльше, чем у девочек. Рекомендуется оценивать ЖЕЛ исследуемого лица путем сравнения с должно жизненной емкостью легких (ДЖЕЛ). Предложены различные формулы определения долго жизненной емкости легких: ДЖЕЛ = (27,63-0,112 · возраст) · рост стоя (для лиц мужского пола); или (21,78-0,101 · возраст) · рост стоя (для лиц женского пола). По Антони: ДЖЕЛ = должный основной обмен · 2,3 (для женщин) или 2,6 (для мужчин). Полученную таким образом величину затем умножают на поправочный коэффициент 1,21. Снижение ЖЕЛ ниже 80% должной величины расценивается, как явление патологическое. Клиническое значение. Снижение ЖЕЛ наблюдается у детей при острых пневмониях и хронических заболеваниях органов дыхания. Оно прогрессирует по мере нарастания дыхательной недостаточности. ЖЕЛ снижается при заболеваниях сердечно-сосудистой системы, при ограничении подвижности грудной клетки, диафрагмы. Существенное значение имеет повторное измерение ЖЕЛ, в динамике. У детей ЖЕЛ увеличивается при занятиях спортом.

19 Общая емкость легких (ОЕЛ) – количество воздуха, находящегося в легких после максимального вдоха. Рассчитывается после определения остаточного объема и жизненной емкости легких. Зависит от составляющих ее легочных объемов. ОЕЛ увеличивается с возрастом у детей. Для определения должной общей жизненной емкости легких (ДОЖЕЛ) предложено исходить из величины должной ЖЕЛ. По Антони: ДОЖЕЛ равна ДЖЕЛ, умноженной на 1,32. Допускается колебание от этих средних величин на ± 15-20%. Клиническое значение. Резкое снижение ОЕЛ отмечается при диффузном фиброзе легких, в меньшей степени оно выражено при пневмосклерозе и сердечной недостаточности. Под влиянием занятий спортом ОЕЛ у детей увеличивается. Легочная вентиляция. Минутный объем дыхания (МОД) – количество вентилируемого в легких воздуха в минуту. Он может быть измерен при дыхании в мешок Дугласа, на газовых часах или по спирограмме. На спирограмме определяется сумма дыхательных движений в течение 3-5 минут и затем рассчитывается средняя величина за минуту. МОД в условиях основного обмена (в состоянии покоя, лежа, натощак) является величиной относительно постоянной. Средняя величина МОД у здоровых детей увеличивается от 2000 мл в возрасте 1 года до 5000 мл в 15-летнем возрасте. МОД у детей в мл на 1 м2 поверхности тела уменьшается с возрастом от 7800 мл в возрасте 1 года до 3750 мл в 15-летнем возрасте. Для оценки соответствия МОД предложено вычислять дыхательный эквивалент (ДЭ), выражающий количество литров воздуха, которое необходимо провентилировать, чтобы использовать 100 мл кислорода. ДЭ равен фактическому МОД, деленному на должное поглощение кислорода, умноженному на 10. Чем больше ДЭ, тем интенсивнее легочная вентиляция и тем меньше эффективность дыхательной функции. Большая частота и малая глубина дыхания у детей младшего возраста обуславливают меньшую эффективность дыхательной функции по сравнению с детьми старшего возраста. Это обуславливает постепенное уменьшение ДЭ с возрастом детей (в среднем от 3,8 в возрасте 5 месяцев до 2,4 к 15 годам). Клиническое значение. Увеличение МОД (гипервентиляция) наблюдается вследствие возбуждения дыхательного центра, повышения потребности организма в кислороде и ухудшения условий легочного газообмена: уменьшение дыхательной поверхности легких, затруднение диффузии кислорода и т.п. Уменьшение МОД (гиповентиляция) наблюдается вследствие угнетения дыхательного центра, уменьшения эластичности легочной ткани, ограничения подвижности легких (плевральный выпот, пневмоторакс и т.д.) Большое значение для выявления ранних (скрытых) форм дыхательной недостаточности приобретает определение МОД при физической нагрузке. При дыхательной недостаточности переход с дыхания воздухом на дыхание кислородом нередко сопровождается уменьшением МОД, что не наблюдается у здоровых лиц. Максимальная вентиляция легких (МВЛ) (предел дыхания, максимальный минутный объем, максимальная дыхательная емкость) – максимальное количество воздуха, которое может быть провентилировано в течение минуты. МВЛ определяется при помощи газовых часов, мешка Дугласа, прямой спирографии. В детском возрасте наиболее распространенным методом определения МВЛ является произвольное форсированное дыхание в течение 15 секунд (более длительная гипервентиляция ведет к повышенному выделению углекислоты из организма и гипокапнии). По спирограмме вычисляется сумма величин зубцов (в миллиметрах) и в соответствии с масштабом шкалы спирографа осуществляется пересчет на миллилитры. Измеренное количество выдыхаемого воздуха уменьшается на 4. МВЛ определяется в положении сидя, несколько раз, лучше в течение нескольких дней. При повторных исследованиях учитывают наибольшую величину. МВЛ у детей повышается с возрастом от 42 в 6-8 лет до 80 л в лет. Клиническое значение. Уменьшение МВЛ наблюдается при заболеваниях, сопровождающихся снижением растяжимости легких, нарушением бронхиальной проходимости, при сердечной недостаточности. Легочный газообмен. Поглощение кислорода (ПO 2 ) – количество поглощаемого кислорода в минуту. Оно определяется при спирографическом методе изучения функции внешнего дыхания либо по уровню наклона спирограммы (в аппаратах без автоматической подачи кислорода), либо по кривой регистрации подачи кислорода (в аппаратах с автоматической подачей кислорода – запись спирограммы горизонтальная). Учитывая масштаб шкалы спирографа и скорость движения бумаги, рассчитывают количество поглощенного кислорода в минуту. Потребление кислорода с возрастом увеличивается. У детей в возрасте 1-го года оно в среднем составляет 60 мл, в лет – 200 мл в минуту. Определение ПO 2 проводится в условиях основного обмена. Делением должного основного обмена на 7,07 получают должную величину ПO 2. Допустимо отклонение от средней должной величины на ± 20%. Клиническое значение. Увеличение ПO 2 отмечается при повышении окислительных процессов в организме, при увеличении легочной вентиляции. При физической нагрузке ПO 2 увеличивается. Уменьшение ПO 2 наблюдается при сердечной и легочной недостаточности, при значительном увеличении минутной вентиляции. Коэффициент использования кислорода (КИ) – количество мл кислорода, поглощаемого из 1 л вентилируемого воздуха. Рассчитывается путем деления количества поглощенного за минуту кислорода на величину МОД (в л). Определение проводится по одной и той же спирограмме, на одном и том же отрезке времени. Пользуются фактическими величинами МОД и ПO 2, определенных при комнатной температуре. Величина КИ увеличивается с возрастом детей от 20 мл на первом году жизни до 36 мл к 15 годам. Клиническое значение. Снижение КИ свидетельствует об ухудшении и снижении эффективности легочной вентиляции, нарушении процессов диффузии. Проведение пробы с дыханием кислородом сопровождается у некоторых больных увеличением КИ. Это обстоятельство в комплексе с другими симптомами можно рассматривать как проявление дыхательной недостаточности. Под влиянием физической нагрузки у здоровых детей КИ увеличивается, что является показателем хорошего использования вентилируемого воздуха. При скрытой дыхательной недостаточности отмечается уменьшение коэффициента использования кислорода уже при умеренной физической нагрузке, при явной – в покое.

20 Пробы с задержкой дыхания на вдохе (Штанге) и на выдохе (Генча) просты и доступны. Широко применяются для оценки функционального состояния дыхательной и сердечно- сосудистой системы. Исследование проводится в положении сидя после отдыха в течение 5- 7 минут, желательно натощак. Проба Штанге. Ребенку предлагают сделать 3 глубоких вдоха и выдоха, на высоте четвертого вдоха задержать дыхание, зажав нос пальцами. На секундомере отмечают время от момента окончания глубокого вдоха до возобновления дыхания. Длительность задержки дыхания на вдохе у здоровых детей 6-18 лет колеблется в пределах секунд. Проба Генча. Ребенку предлагают сделать 3 глубоких вдоха и выдоха и после третьего выдоха задержать дыхание, зажав нос пальцами. Секундомером регистрируется время от окончания третьего выдоха до возобновления дыхания. У здоровых людей школьного возраста это время равно секундам. Комбинированная проба с задержкой дыхания (проба А.Ф. Серкина) 1-я фаза. Определяется время, в течение которого обследуемый может задержать дыхание на вдохе в положении сидя. 2-я фаза. Определяется время задержки дыхания на фазе вдоха непосредственно после двадцати приседаний, выполненных в течение 30 секунд. 3-я фаза. Через минуту повторяется 1 фаза. Клиническое значение. Длительности задержки дыхания на вдохе и выдохе обычно уменьшается при заболеваниях сердечно-сосудистой и дыхательной системы. Зависит от многих факторов: возбудимости дыхательного центра, интенсивности тканевого обмена, волевых качеств, дисциплинированности ребенка и др. Реакция аппарата внешнего дыхания на физическую нагрузку. Функциональные пробы с физической нагрузкой применяются с целью оценки резервных возможностей системы внешнего дыхания и для выявления скрытой дыхательной недостаточности. В качестве физической нагрузки применяют бег на месте, восхождение по лестнице, глубокие приседания, работу на велоэргометре и т.п. Широкое распространение в медицинской практике получила «дифференцированная функциональная проба». При благоприятной реакции на нагрузку минутный объем дыхания возрастает преимущественно за счет углубления дыхания. Жизненная емкость легких остается неизменной или несколько повышается. Все показатели возвращаются к исходному уровню через 3-5 минут. При наличии у ребенка дыхательной недостаточности наблюдается неблагоприятная реакция: после физической нагрузки происходит увеличение минутного объема дыхания преимущественно за счет его учащения. Жизненная емкость легких нередко уменьшается. Дыхательный эквивалент возрастает. Восстановительный период обычно удлинен. Системы внешнего дыхания и кровообращения выполняют в организме единую функцию – обеспечивают тканевое дыхание, что обуславливает из взаимосвязь и взаимозависимость. Поэтом исследование сердечно-сосудистой и дыхательной системы должно быть комплексным, особенно при проведении нагрузочных функциональных проб.

21 1. Химическая природа кислорода и углекислого газа Кислород Роль кислорода в природе и его применение в технике Оксид углерода (IV). 2. Участие кислорода и углекислого газа в обмене газов в организме человека Парциальное давление кислорода и углекислого газа Гемоглобин Разновидности гемоглобина у человека. 3. Гипоксия. Влияние гипоксии на функциональное состояние человека. 4. Методы исследования функции внешнего дыхания. Функциональные пробы. 5. Изучение состояния внешнего дыхания у школьников с различной степенью физической подготовки. Конец >> Конец >>

22

23 В исследованиях принимали участие школьники, не занимающиеся спортом и школьники- спортсмены в возрасте лет. Общее количество обследованных – 40 человек. Для определения показателей внешнего дыхания у обследуемых измерялась частота дыхания, дыхательный объем, жизненная емкость легких. Проводились следующие функциональные пробы: Штанге и Генча. Результаты исследования показателей внешнего дыхания представлены в таблице. Как следует из полученных данных, показатели внешнего дыхания имеют наиболее высокие значения у школьников, занимающихся спортом. Так, дыхательный объем у спортсменов выше на 33%, а жизненная емкость легких на 27%. Контингент обследуемыхЧастота дыхания Дыхательный объем, лЖизненная емкость легких, л Школьники нетренированные15 ± 1,30,24 ± 0,192,2 ± 0,56 Школьники-спортсмены17 ± 0,980,32 ± 0,182,8 ± 0,46 Результаты проведенных проб Штанге и Генча отображены на диаграмме. Как следует из представленной диаграммы, время от момента окончания глубокого вдоха до возобновления дыхания достоверно выше у школьников-спортсменов почти на 50%. Такая же картина наблюдается и при рассмотрении результатов, полученных при проведении пробы Генча. Время от окончания выдоха до возобновления дыхания достоверно выше на 38%.

24 1. Химическая природа кислорода и углекислого газа Кислород Роль кислорода в природе и его применение в технике Оксид углерода (IV). 2. Участие кислорода и углекислого газа в обмене газов в организме человека Парциальное давление кислорода и углекислого газа Гемоглобин Разновидности гемоглобина у человека. 3. Гипоксия. Влияние гипоксии на функциональное состояние человека. 4. Методы исследования функции внешнего дыхания. Функциональные пробы. 5. Изучение состояния внешнего дыхания у школьников с различной степенью физической подготовки. Конец >> Конец >>

25 1. Все энергетические превращения в организме осуществляются при участии кислорода. В первую очередь на дефицит кислорода реагируют системы дыхания и кровообращения, обеспечивая рациональное перераспределения крови. 2. Состояния, при которых уменьшается количество кислорода в крови человека (в частности гипоксия) представляют собой патологические изменения в клетках и тканях организма. Причины, определяющие развитие кислородного голодания, различны, поэтому и сами гипоксические состояния по физиологическому механизму развития неоднородны. 3. Исследование дыхательных параметров (объема и частоты дыхания) позволяют объективно оценивать характер легочной вентиляции. Было отмечено, что глубокое и редкое дыхание создает лучшие условия для легочного газообмена. 4. В результате проведенного исследования было выявлено, что показатели внешнего дыхания у школьников-спортсменов значительно выше, чем у их сверстников, не занимающихся спортом.