Чем отличается состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Требования к газовому составу воздуха
Оставшиеся 1-1,5% объема большей частью приходятся на аргон и углекислый газ, а также незначительное количество других газов - неон, гелий, ксенон и другие. При этом доля углекислого газа в обыкновенном атмосферном воздухе, не подверженном какому-либо воздействию, чаще всего составляет около 0,3% по объему.
Выдыхаемый воздух
При этом состав воздуха, который получается в результате дыхательного процесса человека, существенно отличается от первоначального по содержанию ряда элементов. Так, известно, что в процессе дыхания организм человека потребляет кислород, поэтому закономерно, что его количество в выдыхаемом воздухе оказывается существенно меньше, чем во вдыхаемом. Если в первоначальном составе воздуха содержалось около 21% кислорода, то в воздухе на выдохе его будет лишь порядка 15,4%.
Другое значительное изменение, которое происходит с воздухом в процессе дыхания, касается содержания углекислого газа. Так, если в воздухе, попадающем в организм человека, его содержание обычно не превышает 0,3% объема, то в выходящем из организма воздухе объем углекислого газа достигает 4%. Это связано с тем, что в процессе функционирования человеческого организма его органы и ткани выделяют углекислый газ, который выводится в процессе дыхания. А вот содержание других газов в выдыхаемом воздухе практически не изменяется по отношению к первоначальному. Это связано с тем, что для человеческого организма они являются инертными, то есть никак не взаимодействуют с ним - не усваиваются и не выделяются.
При этом стоит иметь в виду, что воздух, выдыхаемый человеком, изменяет не только свой состав, но и некоторые физические характеристики. Его температура приближается к температуре человеческого тела, которая в норме составляет 36,6оС. Таким образом, если человек вдохнул холодный воздух, его температура повысится, а если горячий - понизится. Кроме того, выдыхаемый воздух обычно характеризуется более высоким уровнем влажности по сравнению с вдыхаемым.
Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов — кислорода, азота, углекислого газа, водяных паров, озона, инертных газов и др. Наиболее важной частью воздуха является кислород. Во вдыхаемом воздухе содержится 20,7% кислорода. Он необходим для осуществления окислительных процессов в организме. Человек потребляет около 12 л кислорода в час, потребность в нем возрастает при физической работе. Содержание кислорода в закрытых помещениях ниже 17% является неблагоприятным показателем, при 13—14% наступает кислородное голодание, при 7—8% — смерть. В выдыхаемом воздухе количество кислорода составляет 15— 16%.
Углекислота (С02) составляет обычно 0,03—0,04% воздуха. В выдыхаемом воздухе углерода в 100 раз больше, т.е. 3—4%. Предельно допустимым содержанием углекислоты в воздухе помещений является 0,1%. При недостаточной вентиляции помещений, где присутствует много людей, содержание углекислоты достигает 0,8%. При 1 —1,5% С02 отмечается ухудшение самочувствия, более высокий уровень С02 в воздухе может привести к значительным нарушениям здоровья. Снижение концентрации С02 в воздухе не опасно.
Азот (N2) содержится в воздухе на уровне 78,97 — 79,2%. Он не принимает участия в обменных процессах живых организмов и служит разбавителем других газов, в основном кислорода. Азот воздуха принимает участие в кругообороте азота в природе.
Озон (О3) обычно в околоземном воздухе содержится в очень небольших дозах (0,01—0,06 мг/м3). Он образуется при электрических разрядах во время грозы. Чем чище воздух, тем больше озона, это наблюдается в горах, в хвойных лесах. Озон оказывает благотворное влияние на организм человека. Озон применяется для обеззараживания воды и дезодорации воздуха, так как обладает сильным окислительным действием за счет выделения атомарного кислорода.
Инертные газы — аргон, криптон и другие не имеют физиологического значения.
Вредные примеси. Газообразные примеси и взвешенные частицы попадают в воздух в результате деятельности человека. Наиболее распространенными газообразными загрязнителями воздуха являются окись углерода, сернистый газ, аммиак и окислы азота, сероводород. На предприятиях общественного питания загрязнение воздушной среды возможно продуктами неполного сгорания топлива, газовой смесью (в газифицированных кухнях), газами (NH3, H2S), выделяющимися при гниении, аммиаком (при использовании аммиачных холодильных установок). При тепловой обработке пищи возможно выделение высокотоксичного вещества акролеина, а также летучих жирных кислот.
Окись углерода (СО) образуется при неполном сгорании топлива, входит в состав горючих газовых смесей, не имеет запаха и вызывает как острые, так и хронические отравления. В газифицированных кухнях накапливается при утечке газа из сети или неполном его сгорании. Предельная концентрация СО в атмосферном воздухе, которая может быть допущена, 1 мг/м3 (средняя за сутки), тогда как для рабочей зоны допускается содержание 20—100 мг/м3СО в зависимости от длительности работы.
Значение дыхания
Дыхание - жизненно необходимый процесс постоянного обмена газами между организмом и окружающей его внешней средой. В процессе дыхания человек поглощает из окружающей среды кислород и выделяет углекислый газ.
Почти все сложные реакции превращения веществ в организме идут с обязательным участием кислорода. Без кислорода невозможен обмен веществ, и для сохранения жизни необходимо постоянное поступление кислорода. В клетках и тканях в результате обмена веществ образуется углекислый газ, который должен быть удален из организма. Накопление значительного количества углекислого газа внутри организма опасно. Углекислый газ выносится кровью к органам дыхания и выдыхается. Кислород, поступающий в органы дыхания при вдохе, диффундирует в кровь и кровью доставляется к органам и тканям.
В организме человека и животных нет запасов кислорода, и поэтому непрерывное поступление его в организм является жизненной необходимостью. Если человек в необходимых случаях может прожить без пищи более месяца, без воды до 10 дней, то при отсутствии кислорода необратимые изменения наступают уже через 5-7 мин.
Состав вдыхаемого, выдыхаемого и альвеолярного воздуха
Производя попеременно вдох и выдох, человек вентилирует легкие, поддерживая в легочных пузырьках (альвеолах) относительно постоянный газовый состав. Человек дышит атмосферным воздухом с большим содержанием кислорода (20,9%) и низким содержанием углекислого газа (0,03%), а выдыхает воздух, в котором кислорода 16,3%, углекислого газа 4% (табл. 8).
Состав альвеолярного воздуха значительно отличается от состава атмосферного, вдыхаемого воздуха. В нем меньше кислорода (14,2%) и большое количество углекислого газа (5,2%).
Азот и инертные газы, входящие в состав воздуха, в дыхании участия не принимают, и их содержание во вдыхаемом, выдыхаемом и альвеолярном воздухе практически одинаково.
Почему в выдыхаемом воздухе кислорода содержится больше, чем в альвеолярном? Объясняется это тем, что при выдохе к альвеолярному воздуху примешивается воздух, который находится в органах дыхания, в воздухоносных путях.
Парциальное давление и напряжение газов
В легких кислород из альвеолярного воздуха переходит в кровь, а углекислый газ из крови поступает в легкие. Переход газов из воздуха в жидкость и из жидкости в воздух происходит за счет разницы парциального давления этих газов в воздухе и жидкости. Парциальным давлением называют часть общего давления, которая приходится на долю данного газа в газовой смеси. Чем выше процентное содержание газа в смеси, тем соответственно выше его парциальное давление. Атмосферный воздух, как известно, является смесью газов. Давление атмосферного воздуха 760 мм рт. ст. Парциальное давление кислорода в атмосферном воздухе составляет 20,94% от 760 мм, т. е. 159 мм; азота - 79,03% от 760 мм, т. е. около 600 мм; углекислого газа в атмосферном воздухе мало - 0,03%, поэтому и парциальное давление его составляет 0,03% от 760 мм - 0,2 мм рт. ст.
Для газов, растворенных в жидкости, употребляют термин "напряжение", соответствующий термину "парциальное давление", применяемому для свободных газов. Напряжение газов выражается в тех же единицах, что и давление (в мм рт. ст.). Если парциальное давление газа в окружающей среде выше, чем напряжение этого газа в жидкости, то газ растворяется в жидкости.
Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе 100-105 мм рт. ст., а в притекающей к легким крови напряжение кислорода в среднем 60 мм рт. ст., поэтому в легких кислород из альвеолярного воздуха переходит в кровь.
Движение газов происходит по законам диффузии, согласно которым газ распространяется из среды с высоким парциальным давлением в среду с меньшим давлением.
Газообмен в легких
Переход в легких кислорода из альвеолярного воздуха в кровь и поступление углекислого газа из крови в легкие подчиняются описанным выше закономерностям.
Благодаря работам великого русского физиолога Ивана Михайловича Сеченова стало возможно изучение газового состава крови и условий газообмена в легких и тканях.
Газообмен в легких совершается между альвеолярным воздухом и кровью путем диффузии. Альвеолы легких оплетены густой сетью капилляров. Стенки альвеол и капилляров очень тонкие, что способствует проникновению газов из легких в кровь и наоборот. Газообмен зависит от величины поверхности, через которую осуществляется диффузия газов, и разности парциального давления (напряжения) диффундирующих газов. При глубоком вдохе альвеолы растягиваются, и их поверхность достигает 100-105 м 2 . Так же велика и поверхность капилляров в легких. Есть, и достаточная, разница между парциальным давлением газов в альвеолярном воздухе и напряжением этих газов в венозной крови (табл. 9).
Из таблицы 9 следует, что разность между напряжением газов в венозной крови и их парциальным давлением в альвеолярном воздухе составляет для кислорода 110 - 40 = 70 мм рт. ст., а для углекислого газа 47 - 40 = 7 мм рт. ст.
Опытным путем удалось установить, что при разнице напряжения кислорода в 1 мм рт. ст. у взрослого человека, находящегося в покое, в кровь может поступить 25-60 мл кислорода в 1 мин. Человеку в покое нужно примерно 25-30 мл кислорода в 1 мин. Следовательно, разность давлений кислорода в 70 мм рт. ст, достаточна для обеспечения организма кислородом при разных условиях его деятельности: при физической работе, спортивных упражнениях и др.
Скорость диффузии углекислого газа из крови в 25 раз больше, чем кислорода, поэтому при разности давлений в 7 мм рт. ст., углекислый газ успевает выделиться из крови.
Перенос газов кровью
Кровь переносит кислород и углекислый газ. В крови, как и во всякой жидкости, газы могут находиться в двух состояниях: в физически растворенном и химически связанном. И кислород и углекислый газ в очень небольшом количестве растворяются в плазме крови. Большая часть кислорода и углекислого газа переносится в химически связанном виде.
Основной переносчик кислорода - гемоглобин крови. 1 г гемоглобина связывает 1,34 мл кислорода. Гемоглобин обладает способностью вступать в соединение с кислородом, образуя оксигемоглобин. Чем выше парциальное давление кислорода, тем больше образуется оксигемоглобина. В альвеолярном воздухе парциальное давление кислорода 100-110 мм рт. ст. При таких условиях 97% гемоглобина крови связывается с кислородом. Кровь приносит к тканям кислород в виде оксигемоглобина. Здесь парциальное давление кислорода низкое, и оксигемоглобин - соединение непрочное - высвобождает кислород, который используется тканями. На связывание кислорода гемоглобином оказывает влияние и напряжение углекислого газа. Углекислый газ уменьшает способность гемоглобина связывать кислород и способствует диссоциации оксигемоглобина. Повышение температуры также уменьшает возможности связывания гемоглобином кислорода. Известно, что температура в тканях выше, чем в легких. Все эти условия помогают диссоциации оксигемоглобина, в результате чего кровь отдает высвободившийся из химического соединения кислород в тканевую жидкость.
Свойство гемоглобина связывать кислород имеет жизненно важное значение для организма. Иногда люди гибнут от недостатка кислорода в организме, окруженные самым чистым воздухом. Это может случиться с человеком, оказавшимся в условиях пониженного давления (на больших высотах), где в разреженной атмосфере очень низкое парциальное давление кислорода. 15 апреля 1875 г. воздушный шар "Зенит", на борту которого находились три воздухоплавателя, достиг высоты 8000 м. Когда шар приземлился, то в живых остался только один человек. Причиной гибели людей было резкое снижение парциального давления кислорода на большой высоте. На больших высотах (7-8 км) артериальная кровь по своему газовому составу приближается к венозной; все ткани тела начинают испытывать острый недостаток в кислороде, что и приводит к тяжелым последствиям. Подъем на высоту более 5000 м обычно требует пользования особыми кислородными приборами.
При специальной тренировке организм может приспосабливаться к пониженному содержанию кислорода в атмосферном воздухе. У тренированного человека углубляется дыхание, увеличивается количество эритроцитов в крови за счет усиленного образования их в кроветворных органах и поступления из депо крови. Кроме того, усиливаются сердечные сокращения, что приводит к увеличению минутного объема крови.
Для тренировки широко применяют барокамеры.
Углекислый газ переносится кровью в виде химических соединений - бикарбонатов натрия и калия. Связывание углекислого газа и отдача его кровью зависят от его напряжения в тканях и крови.
Кроме того, в переносе углекислого газа участвует гемоглобин крови. В капиллярах тканей гемоглобин вступает в химическое соединение с углекислым газом. В легких это соединение распадается с освобождением углекислого газа. Около 25-30% выделяемого в легких углекислого газа переносит гемоглобин.
Обмен газов в легких происходит путем диффузии. Газы диффундируют изобласти высокого давления в область низкого давления. В связи с этим кислород проникает из альвеол в венозную кровь, а углекислый газ - из венозной крови в альвеолы. В результате этих процессов кровь обогащается кислородом и становится артериальной.
Транспорт газов кровью. Кислород в основном транспортируется к тканям в составе оксигемоглобина. Небольшое количество углекислого газа переносится в составе карбгемоглобина. Большое количество СО 2 соединяясь с водой, образует угольную кислоту. Угольная кислота в тканевых капиллярах реагирует с солями натрия и калия и превращается в бикарбонаты. Перенос углекислого газа происходит в составе бикарбонатов калия эритроцитов (меньшая часть) и бикарбонатов натрия плазмы (большая часть). Большое значение для образования и распада угольной кислоты имеет фермент карбоангидраза.
Газообмен в тканях происходит по тому же принципу, что и в легких. Диффузия газов в тканях происходит следующим образом. Кислород проникает из крови в тканевую жидкость, а углекислый газ - из тканевой жидкости в кровь. В результате этих процессов клетки тканей обогащаются кислородом, а кровь из артериальной превращается в венозную.
Жизненная емкость легких. При спокойном уровне дыхания между легкими и внешней средой курсирует определенный объем воздуха, называемый дыхательным объемом. Он составляет 500 - 600 мл. После спокойного вдоха человек может дополнительно вдохнуть еще 1500 мл воздуха. Этот объем называют дополнительным объемом вдоха. После спокойного выдоха человек может выдохнуть еще примерно 1500 мл воздуха. Этот объем называется резервным объемом выдоха. Совокупность этих трех объемов составляет жизненную емкость легких (около 3500 мл для взрослого человека).
Общая емкость легких превышает жизненную емкость. Даже при самом глубоком выдохе в легких остается еще примерно 1000 мл так называемого остаточного воздуха.
Дыхательные движения осуществляются благодаря дыхательной мускулатуре, к которой относятся наружные и внутренние межреберные мышцы и диафрагма.
Вдох- активный процесс, при котором происходит сокращение наружных межреберных мышц и диафрагмы. При этом ребра приподнимаются, а диафрагма становится более плоской. В результате объем грудной клетки увеличивается. Давление в плевральной полости падает, и легкие растягиваются. Давление воздуха в них становится ниже атмосферного, и воздух входит в легкие.
При усиленном дыхании в акте вдоха принимают участие все мышцы, способные поднимать ребра и грудину, например, большие и малые грудные мышцы, мышцы плечевого пояса и др.
При выдохе наружные межреберные мышцы и диафрагма расслабляются и сокращаются внутренние межреберные мышцы. Вследствие этого объем грудной клетки уменьшается, легкие сжимаются, давление воздуха в них увеличиваются и воздух выходит наружу.
При активном выдохе сокращаются имышцы брюшной стенки (косые, поперечные и прямые), что усиливает поднятие диафрагмы.
В зависимости от того, в каком направлении изменяются размеры грудной клетки при дыхании, различают грудной, брюшной и смешанный типы дыхания. Диафрагмальное (брюшное) дыхание – дыхание, осуществляемое за счет сокращения диафрагмы и брюшных мышц. Грудное дыхание - дыхание, при котором происходит активное движение грудной клетки: расширение грудной клетки и втягивание живота при вдохе и обратные движения – при выдохе. Грудобрюшное дыхание (смешанное) – дыхание, при котором активны мышцы грудной и брюшной полостей, а также диафрагма.
Частота дыхательных движений у взрослого человека в среднем 16–20 в минуту. Изменение ее зависит от многих причин: от возраста – у новорожденных она составляет 40–55 дыханий в мин., у детей 1–2 лет – 30–40; от пола – у женщин на 2–4 дыхания в мин. больше, чем у мужчин; от положения тела – в лежачем положении происходит 14–16 дыханий в мин., в сидячем – 16–18, в стоячем – 18–20. Физическое напряжение, еда, повышение температуры тела, нервное возбуждение учащают дыхание. У спортсменов в покое частота дыханий может быть 6–8 в мин.
Глубина дыхания определяется по объему вдыхаемого и выдыхаемого воздуха в спокойном состоянии больного. У взрослого человека дыхательный объем в среднем составляет 500 мл.
Дыхание здорового человека осуществляется ритмично, с равными промежутками времени между вдохами и выдохами, с одинаковой глубиной и продолжительностью вдоха и выдоха. У новорожденных и грудных детей дыхание аритмично. Глубокое дыхание сменяется поверхностным. Паузы между вдохом и выдохом неравномерны.
Нервная и гуморальная регуляция дыхания. Регуляция дыхания осуществляется дыхательным центром, который находится в продолговатом мозге. Он состоит из центра вдоха и центра выдоха и обладает автоматией. В дыхательном центре периодически возникает возбуждение, которое передается сначала на нейроны спинного мозга, а затем - к дыхательным мышцам, что приводит к их сокращению.
При вдохе альвеолы растягиваются, что раздражает нервные окончания блуждающего нерва Возникшее возбуждение передается в дыхательный центр, что тормозит центр вдоха; происходит выдох. Альвеолы возвращаются в исходное состояние, возбуждение рецепторов растяжения альвеол прекращается. В центре вдоха вновь возникает возбуждение, и процесс повторяется.
На работу дыхательного центра оказывает влияние кора больших полушарий. Человек может произвольно регулировать дыхание при разговоре, пении, может «держать дыхание или провести гипервентиляцию легких путем усиленного дыхания.
Рефлекторное изменение дыхания происходит при раздражении многих рецепторов: болевых, холодовых и др. Наиболее важным гуморальным фактором регуляции дыхания является изменение напряжение углекислого газа в крови. Чувствительные к содержанию СО 2 хеморецепторы располагаются в области дуги аорты, в месте разветвления сонных артерий. Повышение содержания углекислого газа в крови приводит к углублению и учащению дыхания.
Дыхание возможно только тогда, когда свободны воздухоносные пути. Костные стенки носовой полости, полукольца трахеи и кольца бронхов, состояние из хрящевой ткани, не дают спадаться дыхательным трубкам при дыхании. Воздух свободно проходит от носовых ходов до легочных пузырьков.
Охлаждение ног, сквозняки вызывают рефлекторное расширение кровеносных сосудов в стенке носовой полости и других участках верхних дыхательных путей. Носовые пути становятся узкими, забиваются слизью, и воздух через них пройти не может. Часто то же самое происходит при попадании в верхние дыхательные пути инфекции, а также пыли, веществ, вызывающих сильное раздражение слизистой, например табачного дыма. Изменение слизистой может быть вызвано и аллергией. Возникающие при этом кашель и насморк способствуют выведению слизи наружу и восстановлению нормального дыхания. Правда, бывают случаи, когда эти естественные реакции не дают эффекта и их приходится задерживать специальными препаратами или, наоборот, стимулировать, чтобы накопившаяся в трахее и бронхах слизь выходила скорее. Так, микстуры от кашля делают слизь более жидкой и она легче отделяется.
Для профилактики респираторных заболеваний чрезвычайно важно закаливание, борьба с курением, пылью, загазованностью производственных помещений.
Причины заболеваний сердечно-сосудистой системы и их профилактика отражены в таблице 8.
Атмосфера представляет собой воздушную оболочку земной поверхности, состоящую из смеси газов, имеющую на разных высотах различную плотность. Это обстоятельство обусловлено земным притяжением. По мере удаления от поверхности земли плотность воздушной оболочки уменьшается и в конечном счете уравнивается с плотностью межзвездного пространства.
В составе воздушной оболочки больше всего азота, за ним следует кислород, далее углекислый газ и целый ряд так называемых нейтральных газов (аргон, неон, гелий и др.). В воздухе всегда находятся также различные количества водяных паров. Наконец, иногда наружный воздух содержит озон и перекись водорода, являющиеся, однако, временными примесями газового состава воздуха. О составе вдыхаемого (атмосферного) и выдыхаемого воздуха можно судить по рис. 1.
Рис. 1. Химический состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха.
Из диаграммы видно, что состав выдыхаемого воздуха значительно отличается от состава вдыхаемого воздуха. Если количество кислорода во вдыхаемом воздухе составляет 20,94%, то в выдыхаемом воздухе его остается примерно 15-16%, следовательно, уменьшение составляет около 25%. Количественные соотношения азота остаются примерно одинаковыми. Наиболее заметные изменения претерпевает углекислый газ, количество которого с 0,03-0,04% во вдыхаемом воздухе возрастает до 4% в выдыхаемом воздухе, т. е. увеличивается в 100 раз. Выдыхаемый воздух отличается и по своим физическим свойствам: температура его значительно возрастает (до 38°), а относительная влажность приближается к 100%. Из сказанного явствует, что выдыхаемый воздух имеет неблагоприятный химический состав и физические свойства, а поскольку легкие при усиленной работе пропускают от 350-450 до 3800 л/час воздуха, становится понятным, почему такой воздух (если нет притока свежего воздуха) может вызвать нарушения самочувствия человека и оказать неблагоприятное воздействие на его здоровье.
Остановимся подробнее на физиолого-гигиеническом значении отдельных ингредиентов газового состава воздушной смеси.
Кислороду принадлежит наиболее существенная роль в жизнедеятельности организма. Недостаточное обеспечение тканей кислородом вызывает нарушения жизнедеятельности организма, которые проявляются при снижении содержания кислорода во вдыхаемом воздухе до 7-8%. Дальнейшее уменьшение приводит к более тяжелым последствиям, а при резко выраженном кислородном голодании - к смертельному исходу вследствие поражения особенно нуждающейся в постоянном снабжении кислородом центральной нервной системы (в частности, в результате паралича дыхательного центра).
В воздушной среде все время происходит круговорот кислорода. Огромные количества этого газа расходуются на дыхание людей и животных, сгорание топлива, окисление органических веществ и др. Восстановление этого постоянного расхода кислорода происходит преимущественно за счет выделения его зелеными хлорофильными частями растений, которые под влиянием солнечной радиации усваивают находящуюся в воздухе двуокись углерода и в присутствии влаги разлагают ее с образованием кислорода. Благодаря указанному балансу концентрация кислорода в атмосферном воздухе почти не меняется (изменения достигают лишь 0,1-0,2%). Этим и объясняется тот факт, что практически в обычных условиях жизни человека не существует недостаточности кислорода. Исключением являются лишь такие условия, когда доступ кислорода ограничен (например, в шахтах глубокого заложения, подводных лодках и т. п.), а также когда в силу природных условий парциальное давление кислорода в воздухе значительно-уменьшено (на горных высотах более 2000 м над уровнем; моря, при полетах на большой высоте). Однако в этих случаях организм человека, используя компенсаторные механизмы (увеличение объема легочной вентиляции, рост количества красных кровяных шариков), в состоянии приспособиться к такому снижению парциального давления кислорода, конечно, в определенных пределах.