Kvėpavimo sistema: dujų apykaita

Kvėpavimas yra vienas fundamentalių gyvybės procesų, kurio pagrindinė funkcija – aprūpinti organizmo ląsteles deguonimi - $$O_2$$ - būtinu energijos gamybai (ląsteliniam kvėpavimui), ir pašalinti šio proceso metu susidariusį anglies dioksidą: $$CO_2$$ Šis gyvybiškai svarbus dujų mainų procesas vyksta keliais etapais, apimančiais oro judėjimą į plaučius ir iš jų, dujų difuziją tarp plaučių ir kraujo bei tarp kraujo ir audinių.

Kvėpavimo sistemą sudaro kvėpavimo takai, kuriais oras patenka į organizmą, ir plaučiai – pagrindinis dujų mainų organas. Šioje temoje nagrinėsime kvėpavimo takų ir plaučių anatominę sandarą, įkvėpimo ir iškvėpimo mechanizmus, dujų difuzijos dėsnius, deguonies bei anglies dioksido pernašą kraujyje ir kvėpavimo reguliavimo mechanizmus.

Plaučiai patys neturi raumenų, todėl oro judėjimą sukelia krūtinės ląstos tūrio pokyčiai, kuriuos lemia kvėpavimo raumenys – diafragma ir tarpšonkauliniai raumenys. Oro judėjimas paklūsta Boilio dėsniui: $$P_1V_1 = P_2V_2$$ (kai tūris didėja, slėgis mažėja, ir atvirkščiai).

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Dvi lyginamosios schemos, vaizduojančios įkvėpimą ir iškvėpimą: parodyta diafragmos ir šonkaulių padėtis, krūtinės ląstos tūrio pokytis ir oro judėjimo kryptis.

Kvėpavimo fazių palyginimas

Deguonies ir anglies dioksido judėjimas tarp alveolių, kraujo ir audinių vyksta pasyviosios difuzijos būdu, paklūstant dalinio slėgio gradientui – dujos visada juda iš ten, kur jų dalinis slėgis didesnis, į ten, kur jis mažesnis.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Dujų apykaitos schema, kurioje parodyti apytiksliai PO2 ir PCO2 gradientai (mmHg) plaučių ir audinių kapiliaruose.

Didžioji dalis deguonies (98.5%) kraujyje yra pernešama susijungus su hemoglobinu (Hb) eritrocituose. Hemoglobino gebėjimas prisijungti ir atiduoti deguonį priklauso nuo deguonies dalinio slėgio ($$P_{O_2}$$). Šią priklausomybę apibūdina oksihemoglobino disociacijos kreivė.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Oksihemoglobino disociacijos kreivė (S formos), X ašis - PO2 (mmHg), Y ašis - Hb įsotinimas (%). Pažymėti taškai, atitinkantys plaučius (aukštas PO2, aukštas įsotinimas) ir audinius (žemas PO2, žemas įsotinimas).

Kreivės S forma yra labai svarbi fiziologiškai:

• Plokščioji dalis (plaučiuose): Kai $$P_{O_2}$$ yra aukštas (plaučiuose), net ir nedideli jo svyravimai nekeičia hemoglobino įsotinimo deguonimi. Tai užtikrina stabilų kraujo prisotinimą deguonimi net esant nedideliems kvėpavimo pokyčiams.
• Stačioji dalis (audiniuose): Kai $$P_{O_2}$$ yra žemas (audiniuose), net ir nedidelis jo sumažėjimas (pvz., aktyviai dirbant raumenims) lemia, kad hemoglobinas lengvai atiduoda didelį kiekį deguonies.

Boro efektas

Disociacijos kreivę veikia ir kiti veiksniai. Padidėjus $$CO_2$$ koncentracijai ir sumažėjus kraujo pH (padidėjus rūgštingumui), kreivė pasistumia į dešinę. Tai vadinama Boro efektu. Fiziologinė prasmė: aktyviai dirbančiuose audiniuose, kur gaminama daug $$CO_2$$, hemoglobinas dar lengviau atiduoda deguonį – būtent ten, kur jo labiausiai reikia.

Anglies monoksidas (CO), arba smalkės, yra bespalvės, bekvapės dujos, susidarančios nevisiškai sudegus organiniam kurui. Jos yra ypač pavojingos, nes hemoglobino afiniškumas (giminingumas) anglies monoksidui yra ~200–250 kartų didesnis nei deguoniui.

Apsinuodijimo mechanizmas:

1. Įkvėptas CO patenka į kraują ir konkuruoja su deguonimi dėl jungimosi vietų hemoglobine.
2. Dėl didesnio afiniškumo, net ir esant mažai CO koncentracijai ore, hemoglobinas mieliau jungiasi su CO, sudarydamas labai stabilų junginį – karboksihemoglobiną ($$HbCO$$).
3. Dėl to drastiškai sumažėja kraujo gebėjimas pernešti deguonį. Nors deguonies dalinis slėgis kraujyje gali būti normalus, bendras pernešamo deguonies kiekis yra kritiškai mažas.
4. Organizmo audiniai, ypač smegenys ir širdis, pradeda patirti sunkią hipoksiją (deguonies badą), kuri sukelia galvos skausmą, svaigimą, pykinimą, sąmonės praradimą ir mirtį.

Pirmoji pagalba: Skubiai išvesti nukentėjusįjį į gryną orą, jei įmanoma, duoti kvėpuoti 100% deguonimi. Didelė deguonies koncentracija padeda greičiau išstumti CO iš junginio su hemoglobinu.

Išnagrinėjus sąmoningą kvėpavimo mechaniką, svarbu suprasti, kaip organizmas reguliuuoja kvėpavimą automatiškai, nepriklausomai nuo mūsų valios.

Užduotis: ištirkite chemoreceptorių įtaką

• Interaktyvus modelis: Kvėpavimas kaip nesąlyginis refleksas
  • Ką darysite? Stebėsite animaciją, vaizduojančią, kaip kintant $$CO_2$$ koncentracijai kraujyje keičiasi kvėpavimo centro aktyvumas ir, atitinkamai, kvėpavimo dažnis bei gylis.
  • Tikslas: Suprasti, kad pagrindinis veiksnys, reguliuojantis kvėpavimo dažnį ramybės būsenoje, yra ne deguonies trūkumas, o anglies dioksido koncentracijos (ir su ja susijusio pH) padidėjimas kraujyje. Paaiškinkite, kodėl sulaikius kvėpavimą atsiranda nevalingas noras įkvėpti.

Plaučių funkcijai įvertinti naudojamas tyrimas, vadinamas spirometrija, kurio metu matuojami įkvepiamo ir iškvepiamo oro tūriai. Tai leidžia objektyviai nustatyti plaučių būklę.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Klasikinė spirogramos kreivė, kurioje aiškiai pažymėti visi plaučių tūriai ir talpos (KV, IRV, ERV, RV, GPT, BPT).

Kvėpavimo sistemos ligos yra viena dažniausių sergamumo ir mirtingumo priežasčių visame pasaulyje. Jas gali sukelti infekcijos, alergenai, rūkymas, oro tarša ir genetiniai veiksniai.

Dažniausios patologijos

Užspringimas – tai būklė, kai svetimkūnis (pvz., maisto gabalas) patenka į kvėpavimo takus ir juos blokuoja. Tai gyvybei pavojinga situacija, reikalaujanti skubių veiksmų.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Infografikas arba trumpas video, demonstruojantis Heimlicho manevro atlikimą suaugusiam ir vaikui.

Veiksmų seka (jei žmogus sąmoningas, bet negali kosėti, kalbėti ar kvėpuoti):

1. Skatinkite kosėti: Jei žmogus dar gali bent kiek kosėti, skatinkite jį tai daryti. Tai efektyviausias būdas pašalinti svetimkūnį.
2. Sudavimai tarp menčių: Atsistokite šiek tiek iš šono ir už nukentėjusiojo. Viena ranka prilaikykite jo krūtinę, palenkite jį į priekį (kad svetimkūnis judėtų lauk, o ne gilyn). Kitos rankos delno pagrindu energingai 5 kartus suduokite tarp menčių.
3. Heimlicho manevras (stumai į pilvą): Atsistokite už nukentėjusiojo, apglėbkite jį rankomis per liemenį. Vienos rankos kumštį (nykščio puse) uždėkite ant pilvo, tarp bambos ir krūtinkaulio apačios. Kita ranka suimkite kumštį. Staigiai ir energingai 5 kartus stumkite į vidų ir į viršų.
4. Kartokite ciklą: Pakaitomis kartokite 5 sudavimus tarp menčių ir 5 stūmius į pilvą, kol svetimkūnis pasišalins arba žmogus praras sąmonę.
5. Jei prarado sąmonę: Atsargiai paguldykite ant žemės, nedelsdami kvieskite greitąją medicinos pagalbą (tel. 112) ir pradėkite gaivinimą (krūtinės ląstos paspaudimus).

Svarbu: Atlikus Heimlicho manevrą, net jei jis buvo sėkmingas, visada rekomenduojama kreiptis į gydytoją, kad įsitikintumėte, ar nebuvo pažeisti vidaus organai.

Dideliame aukštyje (pvz., kalnuose) bendras atmosferos slėgis yra mažesnis. Nors deguonies procentinė sudėtis ore išlieka ta pati (~21%), jo dalinis slėgis ($$P_{O_2}$$) yra ženkliai mažesnis. Dėl to sumažėja slėgių gradientas tarp alveolių ir kraujo, ir sutrinka deguonies difuzija į kraują. Organizmas patiria hipoksiją.

Organizmo adaptacija (aklimatizacija):

Norėdamas kompensuoti deguonies trūkumą, organizmas per kelias dienas ar savaites pradeda adaptuotis:

• Greitasis atsakas: Padažnėja kvėpavimas ir širdies ritmas, siekiant padidinti deguonies pasisavinimą ir pernešimą.
• Lėtasis atsakas: Inkstai pradeda gaminti daugiau hormono eritropoetino (EPO). Šis hormonas stimuliuoja kaulų čiulpus gaminti daugiau eritrocitų. Didesnis eritrocitų kiekis kraujyje padidina bendrą kraujo gebėjimą pernešti deguonį.
• Kraujagyslių pokyčiai: Padidėja kapiliarų tankis audiniuose, pagerinant deguonies atidavimą ląstelėms.

Aukštumų liga: Jei į didelį aukštį užkopiama per greitai ir organizmas nespėja aklimatizuotis, gali išsivystyti aukštumų liga, pasireiškianti galvos skausmu, pykinimu, dusuliu. Sunkiais atvejais ji gali komplikuotis gyvybei pavojinga plaučių ar smegenų edema.