2 курс / Нормальная физиология / Сердце и легкие

2.2. Легочное кровообращение

121

торых происходит диффузия респираторных газов на

пути «альвеолярный воздух – кровь легочных микрососудов»: газовый состав смешанной венозной кро-

ви, меняющийся при изменениях уровня метаболиз-

ма в органах и тканях, сопротивление для диффузии кислорода альвеолярно-капиллярной мембраны и

структурных элементов крови, содержание в эритро-

цитах 2,3-дифосфоглицерата, температура тела и другие факторы, которые будут описаны в разделе 2.3 на-

шей книги. Однако гемодинамическая (транспорт-

ная) и газообменная функции легочного сосудистого русла требуют рассмотрения в рамках взаимосвязей

системы кровообращения и внешнего дыхания.

Взаимоотношения между легочной перфузией и альвеолярной вентиляцией

Для полного насыщения крови кислородом в легочных капиллярах необходимо, чтобы кровоток во

всех участках легких, или перфузия капилляров альвеол, соответствовал вентиляции этих участков. У

здорового человека в покое альвеолярная вентиляция

(Va) составляет 4–5 л/мин, а объем протекающей че- рез легочные капилляры крови (Q) равен примерно

5–6 л/мин. Следовательно, в конце вдоха среднее от-

ношение Va/Q в физиологических условиях составляет примерно 0,7–1,0.

Напомним, что отдельные участки легких венти-

лируются и перфузируются не совсем одинаково [22, 30]. Неравномерность вентиляции и перфузии может

быть рассмотрена на модели легкого (рис. 85), состоящей из следующих компонентов [30]:

1

3 4

2

5

6

Ðèñ. 85. Модель взаимоотношений альвеолярной вентиляции и легочного кровотока: 1 – анатомическое мертвое пространство; 2 – вентилируемые альвеолы с нормальным кровотоком; 3 – вентилируемые альвеолы, лишенные кровотока; 4 – невентилируемые альвеолы с кровотоком; 5 – приток венозной крови из системы легочной артерии; 6 – отток оксигенированной крови в легочные вены

1.Анатомическое мертвое пространство – объем

воздухоносных путей, в которых газообмен отсутствует.

2.Эффективное альвеолярное пространство – вентилируемые и перфузируемые альвеолы.

3.Вентилируемые, но не перфузируемые альвеолы – альвеолярное мертвое пространство.

4.Невентилируемые, но перфузируемые альвеолы – альвеолярный вено-артериальный шунт.

Как представлено на этой схеме, альвеолы пространства 3 вентилируются, но газообмена в них не

происходит. В капиллярах пространства 4 кровь не оксигенируется, она попадает в артериии с низким

напряжением кислорода (РаО2) и высоким напряже-

нием двуокиси углерода (РаСО2). В реальных условиях существуют постепенные переходы от альвеол с

соответствующей вентиляцией и кровотоком, с пол-

ноценным газообменом (пространство 2) к альвеолам без кровотока (пространство 3) и без вентиляции

(пространство 4).

Альвеолы без кровотока и с отношением вентиляции к кровотоку, большим единицы, увеличивают

объем мертвого пространства, в котором вентиляция

не сопровождается соответствующим газообменом. Поэтому объем мертвого пространства на самом деле

несколько больше, чем объем воздухоносных путей

(анатомического мертвого пространства).

Сумма анатомического и альвеолярного мертвого пространств, как уже было сказано выше, состав-

ляет физиологическое (функциональное) мертвое пространство.

В области верхушек легких альвеолы вентилиру-

ются менее эффективно, чем у основания, прилежащего к диафрагме. Но и перфузия альвеолярных ка-

пилляров более интенсивна в нижних отделах легких, чем в верхних.

Âрезультате в области верхушек легких вентиляция относительно преобладает над кровотоком, на-

пряжение кислорода в артериальной крови, оттекающей от верхушек легких, выше среднего.

Âнижних отделах легких, наоборот, отношение

Va/Q<1,0 , и напряжение кислорода в оттекающей артериальной крови ниже среднего [6, 29].

Наличие вено-артериальных шунтов и снижение

отношения вентиляции к кровотоку в отдельных областях легких – основная причина более низкого на-

пряжения О2 и более высокого напряжения СО2 â

артериальной крови по сравнению с парциальным давлением этих газов в альвеолярном воздухе (при-

ложение 8). В происхождении физиологической аль-

веоло-артериальной разницы напряжения газов имеет значение также примешивание к артериальной

крови венозной крови из бронхиальных и коронар-

ных сосудов (тебезиевых вен) [30].

Соответствие кровотока объему вентиляции в раз-

122	Глава 2. ФИЗИОЛОГИЯ РЕСПИРАТОРНОЙ СИСТЕМЫ. ПАТОФИЗИОЛОГИЯ ДЫХАТЕЛЬНОЙ НЕДОСТАТОЧНОСТИ...

ных отделах легких достигается благодаря наличию

регуляторных механизмов, ограничивающих кровоток через плохо вентилируемые участки легких. Не-

много забегая вперед, надо заметить, что в большин-

стве органов гладкая мускулатура сосудов при недостатке кислорода расслабляется, и расширение арте-

рий ведет к увеличению кровотока. В сосудах малого

круга кровообращения дефицит кислорода, наоборот, приводит к сокращению гладких мышц сосудистой

стенки, что вызывает сужение сосудов в плохо вен-

тилируемых участках легких и уменьшение в них кровотока.

2.2.4. Регуляция легочного кровообращения

Вследствие анатомического расположения легких, экстрапульмональные факторы регуляции системной

гемодинамики, описанные в разделе 1.3, исполняют

одновременно аналогичную роль в отношении интегрального кровотока в малом круге кровообращения.

Однако, наряду с такого рода нейрогенной, гумораль-

ной и местной регуляцией, отвечающей запросам системной и органной гемодинамики, в легких также

существуют особые механизмы регуляции распреде-

ления кровотока по отдельным зонам, направленные на оптимизацию в них вентиляционно-перфузион-

ных отношений.

Нервная регуляция кровообращения в малом круге

Сосуды малого круга иннервированы симпатическими сосудорасширяющими и парасимпатическими

холинергическими волокнами, функциональное назначение которых остается пока не ясным [10]. Это

связано с тем, что вазомоторные ответы в легких на

нейрогенные воздействия воспроизводятся с меньшей четкостью, чем в большинстве других сосудис-

тых областей [19, 30]. Относительно слабые и непос-

тоянные вазомоторные реакции при активации симпатических и парасимпатических легочных нервов

служат иногда основанием рассматривать сосудистое

русло малого круга как пассивную систему, кровоток в которой зависит только от механики дыхания и

сдвигов кровообращения только в большом круге

[31]. Тем не менее, имеются доказательства осуществления нейрогенного контроля над легочными сосу-

дами [6, 22, 26, 27], хотя его эффективность и физио-

логическая значимость по-прежнему остаются предметом дискуссии.

Во многих опытах на животных показано, что со-

суды легких, как и системные сосуды, находятся под постоянным влиянием вегетативной нервной систе-

мы, и стимуляция центральных симпатических узлов

вызывает довольно значительное (в среднем на 34%) увеличение сосудистого сопротивления в легких [31].

Барорецепторы легочных артерий, представляю-

щие собой рецепторы растяжения, расположены главным образом в области основания легочных ар-

терий и бифуркации легочного ствола. Функции этих

рецепторов и рефлексы, возникающие при их возбуждении, в основном те же, что и у рецепторов большо-

го круга. Так, повышение давления в легочных арте-

риях приводит к рефлекторному снижению давления в большом круге, а уменьшение давления в легочных

сосудах – к увеличению системного АД.

С другой стороны, при раздражении барорецепторов каротидного синуса сопротивление легочных

сосудов снижается, а при раздражении хеморецепто-

ðîâ той же зоны легочные сосуды суживаются и их сопротивление повышается [10].

В условиях покоя сосудодвигательные нервы ока-

зывают незначительное влияние на легочные сосуды, и, соответственно, эти сосуды расширены. Однако,

учитывая большую растяжимость и емкость легочного

сосудистого русла, она может существенно изменяться даже при небольшом сужении сосудов. Отсюда

вытекает, что выраженные изменения объема поступ-

ления крови к левому желудочку могут наступать при незначительном увеличении легочного сосудистого

сопротивления, опосредованного нейрогенными вли-

яниями [26].

Итак, многие исследователи изучали рефлекторные воздействия на легочные сосуды, включая элект-

рическую стимуляцию структур центральной нервной системы [32]. Результаты этих работ показали, что

вазомоторные эффекты в легких на указанные воз-

действия, в частности баро- и хеморефлексы с каротидного синуса, слабо выражены и недостаточно вос-

производимы.

Гуморальный контроль легочной гемодинамики

При изучении реакций легочных сосудов на воздействие некоторых биологически активных веществ

было обнаружено следующее [23–29]:

–адреналин, в зависимости от дозы и индивидуальной плотности адренорецепторов в сосудах малого круга, может вызывать как увеличение, так и

уменьшение легочного сосудистого сопротивления;

–норадреналин, будучи преимущественно α-адрено- миметиком, вызывает, как правило, констрикторную реакцию легочных сосудов;

–ацетилхолин при введении в легочную артерию в малых дозах приводит к небольшому снижению сопротивления в сосудах малого круга без замет-

ного изменения системной гемодинамики и деятельности сердца;

–гистамин, очевидно, участвует в механизмах легочной вазоконстрикции, в частности, при альвеолярной гипоксии;

2.2. Легочное кровообращение

123

–серотонин является сильным легочным вазоконстриктором;

–ангиотензин II вызывает выраженную прессорную реакцию в артериях малого круга кровообращения.

Эндотелий легочных сосудов контактирует со всем

объемом сердечного выброса и находится в исклю- чительном положении для регулирования уровня ак-

тивности вазоактивных веществ, или медиаторов, влияющих на тонус сосудов малого круга кровообра-

щения. Циркулирующие соединения могут быть метаболизированы, активированы или удалены из кро-

ви. Эндотелий также выполняет эндокринную функцию, высвобождая ростовые факторы и мощные ме-

диаторы расширения и сужения сосудов.

Среди соединений, связанных с эндотелием, ïðî-

стациклин (простагландин I2) – доминирующий метаболит арахидоновой кислоты – по-видимому, иг-

рает значительную роль в местной легочной модуля-

ции сосудистого тонуса, выступая как сильный вазодилататор.

Эндотелиальный расслабляющий фактор, или оксид азота (NO), продуцируется интактным сосудис-

тым эндотелием, расширяет сосуды, воздействуя на их гладкую мускулатуру. Оксид азота является свобод-

ным радикалом, который стимулирует гуанилатциклазу в гладкой мускулатуре сосудов, повышая при

этом уровни циклического гуанозинмонофосфата [21, 33].

Эндотелины, семейство пептидов, представляют собой циркулирующие гормоны, которые стимули-

руют сокращение гладкой мускулатуры. Эти соединения продуцируются эндотелиальными клетками

легочных сосудов и клетками бронхиального эпите-

лия [34]. В опытах на изолированных препаратах эндотелины вызывают как значительную вазоконстрик-

цию, так и сокращение гладкой мускулатуры воздухоносных путей [35]. Эндотелины могут быть медиа-

торами легочной вазоконстрикции при альвеолярной гипоксии [6].

Влияние сдвигов состава альвеолярного газа

Альвеолярная гипоксия, которая действует на прилегающие к альвеолам мелкие легочные артерии и

артериолы, является наиболее сильным стимулом

легочной вазоконстрикции [6, 22, 23]. Так, снижение РО2 в альвеолах приводит к сужению артериол и, сле-

довательно, к уменьшению кровотока (феномен Эй-

лера–Лилиестранда). В результате такого повышения сосудистого сопротивления, вызванного гипоксией,

количество крови, протекающей через плохо венти-

лируемые участки легких, снижается, и кровоток перераспределяется в пользу хорошо вентилируемых

участков [10]. Это положение требует пояснения. Известно, что воздух дыхательного мертвого про-

странства, содержащий мало кислорода, в начале вдо-

ха попадает в те альвеолы, которые в данные момент расправляются первыми. Вазоконстрикция в этих

альвеолах направлена на перераспределение крово-

тока в пользу тех альвеол, которые при продолжающемся вдохе вентилируются воздухом с более высо-

ким содержанием кислорода [22].

Медиаторы, вовлеченные в гипоксическую легоч- ную вазоконстрикцию, пока не идентифицированы.

Системная артериальная гипоксемия углубляет ло-

кальные воздействия альвеолярной гипоксемии косвенно, через симпатические нервные рефлексы. При

хронической гипоксемии воздействие стимулов ле-

гочной вазоконстрикции часто усиливается повышенной вязкостью крови вследствие вторичной по-

лицитемии. Эпизодические обострения гипоксемии

приводят к постепенной перестройке легочных сосудов, поддерживая легочную гипертензию, даже если

ранние эпизоды альвеолярной гипоксии являлись

полностью обратимыми [6].

Альвеолярная гиперкапния также вызывает легоч- ную вазоконстрикцию, но, в отличие от гипоксии и

гипоксемии, действующим на сосуды фактором является ацидемия, а не прямая вазоконстрикция. За-

держка двуокиси углерода может быть самоподдер-

живающейся, так как гиперкапния снижает чувствительность дыхательного центра к СО2 и способствует

задержке бикарбоната почками [6]. Накопление СО2,

возникающее вследствие расстройства функции легких как вентиляторного насоса и для компенсации

метаболического алкалоза, приводит к ослаблению

вентиляции, углублению гиперкапнии, гипоксии и легочной вазоконстрикции.

Рассматривая сосудистые реакции в легких на сни-

жение РО2 и повышение РСО2 альвеолярного воздуха, необходимо подчеркнуть, что регуляторное влия-

ние этих факторов на легочное кровообращение ут-

рачивает свой физиологический смысл, когда их эффект распространяется на легкие в целом, как это

имеет место при дыхании в гипоксической или ги-

перкапнической окружающей среде [36]. Иными словами, только локальная альвеолярная гипоксия и ги-

перкапния причастны к регуляции гемодинамики в

легких [22].

Таким образом, тонус сосудов малого круга и гемодинамика в нем контролируются нервными меха-

низмами и циркулирующими в крови биологически активными веществами, однако смысл этого не столь

очевиден по сравнению с действием изменений газового состава альвеолярного воздуха.

Легочное кровообращение при некоторых функциональных нагрузках на организм

Важным аспектом исследований механизмов кровообращения в малом круге является выяснение из-

124	Глава 2. ФИЗИОЛОГИЯ РЕСПИРАТОРНОЙ СИСТЕМЫ. ПАТОФИЗИОЛОГИЯ ДЫХАТЕЛЬНОЙ НЕДОСТАТОЧНОСТИ...
менений его гемодинамических параметров при пе-		в 40–50-е годы, когда, благодаря работам A. Cournand
реходных состояниях сердечно-сосудистой системы		и сотрудников, начала развиваться техника катетери-
и внешнего дыхания. Такого рода состояния посто-		зации полостей сердца и крупных сосудов, было по-
янно сопутствуют нормальной жизнедеятельности		казано, что сопротивление кровотоку в малом круге
организма человека и животных. Наиболее частым из		кровообращения у здоровых людей и больных сердеч-
них является переход от покоя к двигательной актив-		но-сосудистыми заболеваниями при физической на-
ности. Функциональные нагрузки на указанные сис-		грузке значительно снижается. Понижение легочно-
темы возникают и при выраженных изменениях фи-		го сосудистого сопротивления в этих исследованиях
зических параметров внешней среды, таких как ок-		было настолько выраженным, что давление в легоч-
ружающая температура, газовый состав вдыхаемого		ной артерии не повышалось до тех пор, пока МОК не
воздуха, направление и сила вектора гравитации и		увеличивался более чем в 3 раза [37].
другие факторы. Ответы легочной циркуляции на		В последующие годы факт снижения сопротивле-
действие названных факторов можно рассматривать		ния кровотоку в легких при выполнении мышечной
в более широком плане, как компонент адаптацион-		работы был неоднократно подтвержден в клиничес-
ной реакции организма к изменяющимся условиям		ких и экспериментальных исследованиях. Однако в
среды. Изучение характера и величины сдвигов дав-		отношении величины изменений давления в легоч-
ления крови в артериях и венах малого круга, крово-		ной артерии возникли некоторые несовпадения ре-
тока и объема крови в этих сосудах при переходных		зультатов с данными, приведенными A. Cournand, и
состояниях систем кровообращения и дыхания име-		в большинстве наблюдений было установлено, что с
ет значение для оценки качества регуляции легочной		увеличением кровотока через легкие давление в ле-
гемодинамики и ее участия в механизмах формиро-		гочной артерии также увеличивается, хотя и в мень-
вания адекватной регуляции вегетативных функций		шей степени, чем в кровотоке [27].
организма к действию экзогенных и эндогенных сти-		Анализ литературных данных свидетельствует о
мулов.		том, что при умеренной интенсивности физической
	Выполнение мышечной работы вызывает такие из-	нагрузки интегральное сопротивление потоку крови
менения легочной гемодинамики, которые можно		в малом круге уменьшается на фоне небольшого по-
правомерно считать результатом интегрального вли-		вышения давления в легочной артерии. При увели-
яния на легочные сосуды ряда факторов, число и зна-		чении физической нагрузки до уровня, когда МОК
чение которых еще точно не определены [22].		возрастает более чем в 3 раза, более заметно увеличи-
	Основным фактором, характеризующим двига-	вается и давление в легочной артерии, причем на его
тельную активность организма, как известно, явля-		величину оказывают влияние не столько ограниче-
ется увеличение минутного объема кровообращения		ния в пропускной способности легочных сосудов,
(МОК) в соответствии с возросшими метаболически-		сколько исчерпание резервных возможностей насос-
ми потребностями работающих органов и тканей [1,		ной функции сердца.
26, 30]. Сопряженно с увеличением кровотока через		Влияние высоких и низких температур внешней сре-
легкие происходит увеличение дыхательного объема		äû является составной частью круга вопросов, свя-
и частоты дыхания. Таким образом, легочные сосуды		занных с раскрытием механизмов адаптации организ-
испытывают механические влияния, связанные с ан-		ма к действию на него экстремальных экзогенных
теградной гемодинамической нагрузкой, увеличени-		факторов. Известно, что поддержание внутренней
ем амплитуды сдвигов транспульмонального давле-		температуры тела теплокровных млекопитающих воз-
ния и степени растяжения легочной паренхимы [22].		можно лишь при сбалансированности процессов теп-
	Величина прироста МОК при физической нагруз-	лоотдачи и теплообразования.
ке зависит от интенсивности последней и индивиду-		Прежде чем изложить литературные данные о вли-
альных функциональных возможностей сердечно-		яниях гипер- и гипотермии на легочную гемодина-
сосудистого и дыхательного аппаратов. В исследова-		мику, целесообразно напомнить, что МОК является
ниях на здоровых людях чаще всего используются		общим параметром большого и малого круга крово-
мышечные нагрузки, вызывающие 2–3-кратное уве-		обращения, а изменения давления в легочной арте-
личение МОК (табл. 10), хотя в отдельных работах		рии часто однонаправлены со сдвигами системного
применялись нагрузки, близкие к максимальным,		ÀÄ.
при которых МОК увеличивался в 5 раз и более.		Гипертермия внешней среды вызывает значитель-
	Способность легочного сосудистого русла пропус-	ное уменьшение градиента между температурой тела
кать многократно возросший поток крови без выра-		и температурой окружающего воздуха, что ухудшает
женных нарушений легочных функций, в первую оче-		условия для теплоотдачи, в результате чего требова-
редь газообменной, обусловлена анатомо-физиоло-		ния к теплоотдающим эффекторным механизмам, в
гическими особенностями этого региона, в частно-		частности легким, повышаются. Под действием теп-
сти высокой растяжимостью его артерий и вен. Еще		ловой нагрузки на организм млекопитающих увели-

2.2. Легочное кровообращение	125
чивается вентиляция и усиливается испарение воды	снижение метаболических потребностей регистриру-
через систему дыхания. Эти процессы протекают ча-	ется на фоне снижения кровотока во всех органах, но
сто сопряженно с увеличением МОК и, следователь-	с различной выраженностью. При гипотермии глав-
но, легочного кровотока [22].	ным фактором брадикардии, снижения сократимос-
При гипертермии внешней среды, как и при фи-	ти миокарда, выраженной констрикции почечных
зической нагрузке, изменения легочного кровотока	сосудов является пониженная температура крови.
являются отражением сложной перестройки многих	Этот же фактор, вызывая повышение вязкости кро-
вегетативных функций организма. Легочные сосуды	ви, замедляет ее циркуляцию, а повышая сродство
при этом подвергаются действию механических, гу-	гемоглобина к кислороду, затрудняет его переход в
моральных и нейрогенных факторов. Динамика из-	ткани и обусловливает их гипоксию и глубокие нару-
менений легочного кровообращения при тепловой	шения функций организма [38].
нагрузке на организм в значительной мере определя-	В условиях Севера низкая температура окружаю-
ется изменениями гемодинамики в большом круге	щего воздуха вызывает у людей повышение кровена-
кровообращения и работы сердца, которые сводятся	полнения легких и легочного артериального давле-
к повышению МОК и АД.	ния. Считается, что лежащий в основе этого феноме-
В целом, при гипертермии внешней среды легоч-	на механизм связан со стимуляцией периферических
ное кровеносное русло испытывает меньшие гемоди-	терморецепторов и рефлекторным сужением легоч-
намические нагрузки по сравнению с таковыми при	ных сосудов [4, 22]. Эта точка зрения получила под-
мышечной работе. Тем не менее, и в этом случае име-	тверждение в популяционных исследованиях [39], в
ется многофакторная зависимость тонуса легочных	которых с помощью непрямого измерения давления
сосудов от изменяющихся химико-физических	в артериальном русле легких выявлена гипертензия в
свойств крови, механических влияний и обменных	малом круге кровообращения у длительно или посто-
процессов в организме. Очевидно, что температурный	янно проживающих в северных регионах страны.
фактор существенно изменяет уровень метаболизма	Изменения гравитации проявляются в неравномер-
и синтеза вазоактивных веществ в самих легких и тем	ном распределении кровотока в легких. Степень вы-
самым модулирует эффективность нейрогуморально-	раженности этой неравномерности зависит от поло-
го контроля гемоциркуляции в этом органе.	жения тела в пространстве, а точнее – от размера ус-
Влияние холода и искусственной гипотермии затра-	ловной оси, проходящей при данном положении тела
гивает практически все системы организма. Измене-	в направлении вектора гравитации через наиболее
ния кровообращения при холодовом воздействии на	удаленные друг от друга точки на поверхности лег-
организм направлены, с одной стороны, на сниже-	ких. При перемене положения тела – так называемых
ние теплоотдачи во внешнюю среду, с другой – на	постуральных изменениях – происходит изменение
энергетическое обеспечение тканей, участвующих в	ориентации легких относительно вектора гравитации,
термогенезе. Это достигается сочетанием нервных,	в результате чего возникает перераспределение кро-
гуморальных и местных механизмов регуляции дея-	вотока, а также вентиляции легких.
тельности сердца и тонуса сосудов. Интегративным	В вертикальном положении тела взрослого чело-
центром, холодовая стимуляция которого приводит	века размер оси от верхушек до основания легких со-
к сдвигам системы кровообращения и обмена ве-	ставляет около 30 см, тогда как в горизонтальном по-
ществ, является гипоталамус, влияние которого на	ложении – примерно вполовину меньше. Соответ-
преганглинарные волокна сердца и сосудов реализу-	ственно, неравномерность кровотока в вертикальном
ется прямо или опосредованно через бульбарный	положении больше, чем в горизонтальном, причем в
центр [38].	первом случае неравномерность формируется в на-
На первичные сдвиги гемодинамики, вызванные	правлении от верхних долей легких к нижним, а во
стимуляцией периферических и центральных термо-	втором случае – для всех долей легких в стернально-
чувствительных структур, накладываются вторичные	вертебральном направлении [22].
реакции нейрогуморальной природы, обусловленные	Что касается кровотока в легких и объема крови в
включением механизмов химической терморегуля-	них, то изменение положения тела человека из вер-
ции. Общим результатом является усиление сердеч-	тикального положения в горизонтальное сопровож-
ной деятельности, увеличение МОК и характерное	дается увеличением этих параметров в результате пе-
перераспределение сердечного выброса – снижение	ремещения примерно 500 мл крови в органы грудной
кровотока в коже и увеличение в областях, участвую-	полости из венозной системы нижней половины ту-
щих в термогенезе: у взрослых людей – в мышцах,	ловища и, главным образом, из вен нижних конеч-
ответственных за развитие холодовой дрожи.	ностей [40].
Углубление гипотермии угнетает защитные термо-	Венозному отделу кровообращения, содержаще-
регуляторные рефлексы, что приводит к увеличению	му примерно 75% от общего объема крови, принад-
роли местных факторов регуляции. Значительное	лежит ведущая роль в формировании сдвигов пара-

126	Глава 2. ФИЗИОЛОГИЯ РЕСПИРАТОРНОЙ СИСТЕМЫ. ПАТОФИЗИОЛОГИЯ ДЫХАТЕЛЬНОЙ НЕДОСТАТОЧНОСТИ...

метров системной гемодинамики (МОК, АД, ОЦК)

при гидростатических влияниях на сосуды [26]. Именно такого рода влияния имеют место при ортостати-

ческих и антиортостатических перемещениях тела

человека в пространстве.

Значительно более выраженные изменения легоч- ной гемодинамикки происходят при антиортостати-

ческих и гравитационных нагрузках на организм [26, 40, 41]. Интегральные гемодинамические параметры

в малом круге кровообращения – суммарный легоч-

ный кровоток, объем крови в легких и давление в легочной артерии – изменяются сопряженно со сдви-

гами венозного возврата, центрального объема кро-

ви, МОК и системного АД. Величина этих сдвигов, в свою очередь, определяется направленностью векто-

ра и величиной гравитационной нагрузки.

2.3. ОБМЕН ГАЗОВ И ИХ ТРАНСПОРТ

Процесс обмена газов между организмом и окружающей средой, как мы неоднократно указывали,

заключается в потреблении организмом кислорода и

выделении в окружающую среду углекислого газа, незначительных количеств других газообразных про-

дуктов и водяных паров. На разных ступенях фило-

генетического развития организма газообмен осуществляется разными путями: у простейших и некото-

рых многоклеточных – путем диффузии газов через

поверхность тела, у человека и высокоорганизованных животных – при помощи легочного (внешнего)

дыхания.

2.3.1.Легочный газообмен

Âоснове нормальной функции газообмена в лег-

ких лежат три тесно связанные между собой процесса:

–вентиляция – ритмичное обновление воздуха в альвеолах, за счет которого поддерживается постоянство альвеолярного воздуха;

–перфузия – непрерывный кровоток через альвеолярные капилляры, соответствующий объему вентиляции;

–диффузия – постоянный транспорт кислорода и углекислого газа через альвеолярно-капиллярную мембрану.

Âобычных условиях человек дышит атмосферным воздухом, имеющим относительно постоянный со-

став (см. приложение 6). В выдыхаемом воздухе всегда меньше кислорода и больше двуокиси углерода.

Меньше всего кислорода и больше всего углекислого

газа в альвеолярном воздухе (табл. 11).

Термином «альвеолярный воздух» обозначают газовую смесь в альвеолах, участвующих в газообмене.

Таблица 11

Газовый состав сухого воздуха (в процентах) в процессе легочного газообмена

Воздух	Î2	ÑÎ2	N2 è äð. ãàçû
Вдыхаемый	20,9	0,03	78,1
Выдыхаемый	16,0	4,5	78,5
Альвеолярный	14,0	5,5	80,5

Однако теперь «воздухом» принято называть только

смесь газов, по составу аналогичную атмосферному воздуху. Поскольку в альвеолах содержание газов иное

(в них меньше О2 и больше СО2), в настоящее время

рекомендуется употреблять термин «альвеолярная газовая смесь» [10].

Альвеолярная газовая смесь является внутренней

газовой средой организма, определяющей газовый состав артериальной крови. Состав альвеолярного

газа мало зависит от фаз вдоха и выдоха благодаря ме-

ханизмам, поддерживающим это постоянство [29, 30]. Перемещение молекул газов в воздухоносных пу-

тях осуществляется двумя путями: 1) конвективный

обусловлен движением всей смеси газов по градиенту общего давления; 2) диффузия отдельного газа яв-

ляется следствием разности его парциального давле-

íèÿ.

Газообмен в легких осуществляется в результате диффузии кислорода из альвеолярной газовой смеси

в кровь (около 500 л/сут) и двуокиси углерода в обратном направлении (около 430 л/сут). Диффузия О2

è ÑÎ2 происходит вследствие разности (градиента)

парциального давления этих газов в альвеолярной смеси и их напряжения в крови.

Парциальное давление газа в газовой смеси про-

порционально процентному содержанию газа и общему давлению смеси. Так, при атмосферном давле-

нии сухого воздуха 760 мм рт. ст. парциальное давле-

ние кислорода составляет примерно 21% от атмосферного, то есть 159 мм рт. ст. При расчете парциального

давления газа в альвеолярной газовой смеси следует

учитывать ее насыщение водяными парами, парциальное давление которых при температуре тела рав-

но 47 мм рт. ст. Поэтому на долю давления газов (О2 è

ÑÎ2) приходится: 760 – 47 = 713 мм рт. ст.

При содержании кислорода в альвеолярной смеси 14% его парциальное давление (РАО2) будет составлять:

ÐÀÎ2 = [(760 – 47) x 14] : 100 = = 99,8 ≈ 100 ìì ðò. ñò.

При содержании двуокиси углерода 5,5% парциальное давление в альвеолярной газовой смеси (РАСО2) соответствует 39,2 мм рт. ст.

2.3. Обмен газов и их транспорт

127

Таким образом, РАО2 è ÐÀÑÎ2 являются той си-

лой, с которой молекулы этих газов стремятся проникнуть через альвеолярную мембрану в кровь и об-

ратно (табл. 12).

Проницаемость легочной мембраны для газа характеризуется величиной диффузионной способности

легких, которая выражается количеством газа, прони-

кающего через альвеолярную мембрану за 1 мин на 1 мм рт. ст. градиента давления, и зависит от толщи-

ны альвеолярной мембраны [6, 10, 30]. В норме диф-

фузионная способность легких для кислорода равна около 25 мл/мин Чмм рт. ст.; для углекислого газа,

вследствие его высокой растворимости, диффузион-

ная способность в 24 раза выше. При этом диффузия кислорода обеспечивается разностью парциального

давления, равной около 60 мм рт. ст., а двуокиси уг-

лерода – всего лишь 6 мм рт. ст. Времени протекания крови через капилляры малого круга кровоообраще-

ния (в среднем 0,7 с) достаточно для практически полного выравнивания парциального давления и напря-

Таблица 12

Нормальные величины парциального давления и напряжения кислорода и углекислого газа в легких (мм рт. ст.)

Ãàçû	Венозная	Альвеолярная	Артериальная
	кровь	газовая смесь	кровь
Î2	40	100	96
ÑÎ2	46	40	39

Вентиляция

Распределение

Диффузия

Перфузия

Ðèñ. 86. Схема действия факторов, влияющих на газообмен в легких [10]

жения газов: кислород оказывается в крови, двуокись

углерода переходит в альвеолярную газовую смесь. Основные факторы, от которых зависит насыще-

ние крови в легких кислородом и удаление из него

углекислого газа, – это альвеолярная вентиляция (Vа), кровоток в легких, или перфузия (Q), и диффу-

зионная способность легких (Dл) (рис. 86). Эффек-

тивность дыхания определяется не столько этими тремя факторами как таковыми, сколько их соотноше-

ниями, в частности Vа/Q и Dл/Q. Еще один фактор,

влияющий на газообмен, – это местная неравномерность вентиляции, перфузии и диффузии в различ-

ных отделах легких. Наиболее важным показателем

эффективности газообмена в альвеолах служит вели- чина отношения Dл/Q [10]. Снижение этой величи-

ны указывает на нарушение диффузионной способности легких.

2.3.2.Транспорт газов кровью и кислотно-щелочное равновесие

Кровь служит универсальной средой, из которой

все клетки организма черпают необходимый им кислород и куда они отдают конечный продукт окисли-

тельного метаболизма – углекислый газ. И именно

кровь выполняет буферную функцию во всей системе газового гомеостаза организма, предоставляя клет-

кам необходимые ресурсы кислорода в соответствии

с меняющимися потребностями и унося образующийся в весьма различных количествах углекислый

газ. При этом кислород-транспортная функция кро-

ви зависит не столько от объема крови, заключенной в системе циркуляции, сколько от внешней произво-

дительности сердца и насыщения крови кислородом.

В сложной проблеме газообмена нередко упускается из вида роль эритроцита – клетки, ответствен-

ной за доставку кислорода к периферическим тканям

и удаление СО2, образующегося в процессе тканевого метаболизма.

Клеточная мембрана эритроцита обладает свой-

ствами, позволяющими ему эффективно переносить кислород. Гибкость мембраны способствует прохож-

дению эритроцита через узкие капилляры, а ее проч-

ность обеспечивает устойчивость к действию турбулентного потока крови в крупных артериальных со-

судах. В эритроцитах наиболее важным внутриклеточ-

ным белком для транспорта О2 è ÑÎ2 является гемоглобин.

Гемоглобин (Hb) – дыхательный пигмент, молеку-

ла которого состоит из двух частей: 1) простетической группы (гема), в состав которой входит атом же-

леза; 2) белка типа альбуминов (глобина). На долю

гема приходится 4% молекулы гемоглобина и 96% – на долю глобина. В капиллярах легких гемоглобин

(точнее, гем) вступает с кислородом в непрочное соединение, образуя оксигемоглобин (HbO2), а в капил-

128	Глава 2. ФИЗИОЛОГИЯ РЕСПИРАТОРНОЙ СИСТЕМЫ. ПАТОФИЗИОЛОГИЯ ДЫХАТЕЛЬНОЙ НЕДОСТАТОЧНОСТИ...

O2	Альвеолярный эпителий
CO2	Интерстициальное
	пространство
Альвеола	Эндотелий капилляра
	Плазма крови

Hb

O2

CO2 H2O HbO2

H+ HCO3–

Эритроцит

Ðèñ. 87. Пути транспорта дыхательных газов в процессе легочного газообмена

лярах тканей происходит отщепление кислорода и

восстановление гемоглобина, который вновь легко вступает в соединение с кимлородом.

Связывание кислорода с гемоглобином зависит от

разницы РО2 между альвеолами и эритроцитами. Венозная кровь с низким содержанием кислорода обес-

печивает своего рода «резервуар» для его связывания,

способствуя продвижению кислорода в эритроцит (рис. 87).

Из рисунка 87 видно, что как только молекула О2

поступает в эритроцит, она соединяется с гемоглобином, переводя его в форму HbO2. В дальнейшем мо-

лекулы HbO2 диффундируют к центру эритроцита,

ускоряя тем самым перенос кислорода.

Молекулы СО2 диффундируют по тому же пути, но в обратном направлении (от эритроцита к альвео-

лярному пространству). Однако диффузия становится возможной лишь после высвобождения СО2 èç òåõ

соединений, с которыми он химически связан (см.

íèæå).

Кислород (О2) в крови находится в растворенном виде и в соединении с гемоглобином. В плазме ра-

створено очень небольшое количество кислорода: при температуре 37 °С и РО2, равном 100 мм рт. ст., 100 мл

плазмы могут переносить в растворенном состоянии

лишь 0,3 мл кислорода. При таком содержании кислорода в крови, при условии его полного потребле-

ния тканями, МОК в покое должен был бы состав-

лять более 150 л/мин [2]. Отсюда ясна важность другого механизма переноса кислорода путем его соеди-

нения с гемоглобином.

Количество переносимого гемоглобином кислорода, скорости его связывания и отдачи определяют

эффективность эритроцита как кислород-транспор-

тной единицы. Известно, что 1 г гемоглобина связывает 1,34 мл кислорода. Максимальное количество

кислорода, которое может связать кровь при полном

насыщении гемоглобина кислородом, называется

кислородной емкостью крови, которая находится в прямо пропорциональной зависимости от содержания в

ней гемоглобина. При содержании в крови 140 г/л

гемоглобина кислородная емкость будет равна 1,34 х 140 = 187,6 мл, или около 19 об.% (без учета 0,3

мл физически растворенного в плазме кислорода). В

артериальной крови содержание кислорода лишь на 3–4% ниже кислородной емкости, и в норме в 1 л ар-

териальной крови содержится 180–200 мл кислорода

[30].

Превращение гемоглобина в оксигемоглобин определяется напряжением растворенного в среде кисло-

рода. Графически эта зависимость выражается кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 88).

Когда напряжение кислорода равно нулю, в кро-

ви находится только восстановленный гемоглобин (дезоксигемоглобин). Повышение напряжения кисло-

рода сопровождается увеличением количества HbO2 ,

но данная зависимость имеет не линейный характер, а S-образную форму. Видно, что особенно быстро (до

75%) уровень HbO2 возрастает при увеличении РО2

от 10 до 40 мм рт. ст.; при 60 мм рт. ст. насыщение гемоглобина кислородом достигает 90%, а при дальней-

шем повышении РО2 приближается к полному насы-

щению очень медленно. Другими словами, кривая диссоциации оксигемоглобина состоит из двух час-

тей – крутой и отлогой.

Отлогая часть кривой, соответствующая высоким (более 60 мм рт. ст.) напряжениям кислорода, свиде-

тельствует о том, что в этих условиях содержание

HbO2 слабо зависит от напряжения кислорода в артериальной крови (PiО2) и его парциального давле-

HbO2, %

100

80

60

40

20

0				100 pO, ìì ðò. ñò.
20	40	60	80

Ðèñ. 88. Кривая диссоциации оксигемоглобина при напряжении СО = 40 мм рт. ст. РО2 – парциальное давление (напряжение) кислорода в среде; HbO2 – содержание оксигемоглобина в крови

2.3. Обмен газов и их транспорт

129

ния во вдыхаемом (PiO2) и альвеолярном (РАО2) âîç-

духе в диапазоне 60–100 мм рт. ст.

Крутая часть кривой соответствует обычному для тканей напряжению кислорода (PtO2 = 35 ìì ðò. ñò. è

ниже). В тканях, поглощающих много кислорода, HbO2 диссоциирует в большей степени, иногда поч-

ти полностью. В тканях с низкой интенсивностью

окислительных процессов основная часть оксигемоглобина не диссоциирует. Переход тканей в активное

состояние и повышение потребления кислорода ав-

томатически создает условия для диссоциации HbO2 . Для транспортной функции крови имеет значение

не только кислородная емкость крови, но и эффек-

тивность использования этой емкости, то есть процессы оксигенации и деоксигенации гемоглобина.

Интегральной характеристикой этого процесса явля-

ется показатель Р50, отражающий величину РО2, при которой гемоглобин насыщается кислородом на 50%.

У человека при температуре 37,0 °С и рН среды 7,4

этот показатель равен 26–27 мм рт. ст. Сдвиг кривой диссоциации вправо, то есть увеличение Р50, будет об-

легчать переход кислорода от гемоглобина к тканям.

При этом насыщение венозной крови кислородом снижается. И наоборот, сдвиг кривой диссоциации

влево, то есть снижение Р50, в какой-то мере способ-

ствует увеличению насыщения крови кислородом в легких, но затрудняет переход кислорода из крови в

ткани.

Сродство гемоглобина к кислороду, отражаемое кривой диссоциации оксигемоглобина, является величи-

ной непостоянной. Особенно значительно на него влияют следующие факторы.

–В эритроцитах содержится вещество 2,3-дифос- фоглицерат, являющееся продуктом гликолиза.

Молекула 2,3-дифосфоглицерата способна внедряться в молекулу гемоглобина и снижать его сродство к кислороду, вызывая смещение кривой дис-

социации вправо и облегчая переход кислорода в ткани.

–Сродство гемоглобина к кислороду снижается в кислой среде, при увеличении концентрации

ионов водорода и СО2. Помимо закисления среды, углекислота действует в том же направлении вследствие специфического взаимодействия с гемоглобином. В этих условиях кривая диссоциации также смещается вправо.

–Смещает вправо кривую диссоциации HbO2 также повышение температуры.

Нетрудно понять, что изменения сродства гемоглобина к кислороду имеют важное значение для

обеспечения им тканей. В тканях, в которых процессы обмена веществ протекают интенсивно, концент-

рация СО2 и кислых продуктов увеличивается, тем-

пература повышается, что ведет к усилению отдачи кислорода гемоглобином [1, 26, 30].

Сердечная мышца и скелетная мускулатура обла-

дают дополнительным местным механизмом кислородного гомеостаза. В момент сокращения мышц,

особенно миокарда, кровь выдавливается из сосудов,

что затрудняет доставку кислорода к клеткам. Этот неблагоприятный фактор в значительной степени

компенсируется содержащимся в миофибриллах пиг-

ментным белком миоглобином, способным, подобно гемоглобину, связывать и отдавать кислород.

Сродство миоглобина к кислороду настолько ве-

лико, что он на 95% насыщается кислородом из капиллярной крови, в которой РО2 не превышает 40

ìì ðò. ñò. Äàæå ïðè ÐÎ2 около 20 мм рт. ст. насыще-

ние миоглобина кислородом достигает 85%. Наряду с этим, при дальнейшем понижении содержания кис-

лорода в крови миоглобин может очень быстро от-

дать почти весь запасенный кислород, выполняя тем самым функцию демпфирования резких перепадов в

снабжении кислородом работающих мышц [1, 26].

Двуокись углерода (СО2), являясь конечным продуктом обмена веществ, находится в организме, как

и кислород, в растворенном и связанном состоянии.

Коэффициент растворимости СО 2 почти в 20 раз выше, чем кислорода, поэтому в 100 мл плазмы кро-

âè ïðè ÐÑÎ2, равном 40 мм рт. ст., будет содержаться

около 2,4 мл физически растворенного СО2, но этого количества недостаточно для нормального выведения

газа. В основном углекислый газ транспортируется в

химически связанном состоянии, главным образом в виде бикарбоната крови НСО-3 [1, 2].

Двуокись углерода непрерывно образуется в клет-

ках и диффундирует в кровь тканевых капилляров. В эритроцитах она соединяется с водой и образует

угольную кислоту (Н2ÑÎ3). Гидратация СО2 проис-

ходит только в эритроцитах, так как в них содержится катализирующий этот процесс фермент карбоан-

гидраза. В капиллярах легких карбоангидраза катали-

зирует расщепление угольной кислоты на углекислый газ и воду. В эритроцитах же, в зависимости от вели-

чины градиента РО2 è ÐÑÎ2, двуокись углерода со-

единяется с гемоглобином, образуя карбогемоглобин. Значительно упрощая промежуточные этапы вы-

ведения двуокиси углерода, заметим, что после отда-

чи кислорода клеткам у восстановленного гемоглобина увеличивается способность связывать СО2. Êðî-

ме того, гемоглобин служит переносчиком ионов ка-

лия, необходимых для связывания угольной кислоты в форме бикарбоната. Таким образом, в эритроцитах

тканевых капилляров образуется карбогемоглобин,

дополнительное количество бикарбоната калия, а в плазме крови увеличивается содержание бикарбона-

та натрия. В таком виде СО2 переносится к легким.

В капиллярах малого круга кровообращения РСО2 снижается, от карбогемоглобина отщепляется СО2 ,

одновременно происходит образование оксигемоглобина, кривая его диссоциации смещается влево; ок-

130	Глава 2. ФИЗИОЛОГИЯ РЕСПИРАТОРНОЙ СИСТЕМЫ. ПАТОФИЗИОЛОГИЯ ДЫХАТЕЛЬНОЙ НЕДОСТАТОЧНОСТИ...

сигемоглобин вытесняет калий из бикарбонатов. В

эритроцитах в присутствии карбоангидразы угольная кислота быстро разлагается на воду и углекислый газ,

который диффундирует в альвеолы и затем выдыхается в атмосферу.

Таким образом, ассоциация гемоглобина с кисло-

родом в легких и диссоциация оксигемоглобина в тканях являются основными механизмами обеспече-

ния организма кислородом. Для характеристики газового гомеостаза используется ряд показателей, нормальные колебания которых представлены в прило-

жении 8.

Кислотно-щелочное равновесие (КЩР) есть соотношение концентрации в крови водородных [H+] è

гидроксильных [OH-] ионов и является физиологи- ческой константой, поддержание которой играет

большую роль в нормальной жизнедеятельности орга-

низма. От соотношения водородных и гидроксильных ионов во внутренней среде организма в значительной

мере зависят активность ферментов, направленность

и интенсивность окислительно-восстановительных реакций, процессы расщепления и синтеза белка,

гликолиз и окисление жиров и углеводов, проницае-

мость мембран, чувствительность рецепторов к медиаторам, функция органов и тканей.

Соотношение активных масс водородных и гид-

роксильных ионов в биологических средах зависит от содержания в жидкостях организма кислот (донато-

ров протонов) и буферных оснований (акцепторов

протонов). Активную реакцию среды принято оценивать по одному из ионов [H+] èëè [OH-], ÷àùå ïî èîíó

[H+]. Содержание в организме [H+] определяется, с

одной стороны, прямым или опосредованным через углекислоту образованием их в ходе обмена белков,

жиров и углеводов, а с другой – поступлением их в

организм или выведением из него в виде нелетучих кислот или углекислого газа.

Состояние КЩР характеризуют следующие основные параметры:

–РН – отрицательный логарифм концентрации во-

дородных ионов в крови, показатель активной реакции крови;

–ÐÑÎ2 – напряжение углекислого газа, непосредственно связанное с количеством растворенной в крови углекислоты;

–избыток оснований (ВЕ – от англ. base excess) или дефицит оснований (BD – от англ. base deficit) – смещение титруемых буферных анионов в крови по отношению к стандартным условиям;

–буферные основания (ВВ – от англ. buffer base) со-

стоят, главным образом, из гидрокарбоната и анионов белка.

Величина рН, характеризующая КЩР, является

одним из самых «жестких» параметров крови и колеблется у человека в узких пределах – от 7,32 до 7,45.

Сдвиг рН на 0,1 за указанные границы обусловлива-

ет выраженные нарушения со стороны дыхания, сер- дечно-сосудистой системы и других органов; сниже-

ние рН на 0,3 вызывает ацидотическую кому, а сдвиг

рН на 0,4 зачастую вообще не совместим с жизнью [1]. Отсюда понятна важность постоянства КЩР, ко-

торое обеспечивается как физико-химическими, так

и физиологическими механизмами регуляции. Основу физико-химической регуляции составля-

þò буферные системы, которые представляют собой

смеси слабо диссоциированной кислоты и соли этой кислоты с сильным основанием. При появлении в

крови сильной кислоты буферы реагируют с ней, об-

разуя нейтральную соль и более слабую кислоту, которая предотвращает сдвиг реакции крови в кислую

сторону. При избытке щелочей происходит соедине-

ние их со слабой кислотой с образованием солей, что уменьшает возможный сдвиг в щелочную сторону.

Другими словами, роль буферных систем в организ-

ме сводится к временной нейтрализации кислых и щелочных продуктов обмена и предотвращению бы-

строго угрожающего сдвига активной реакции кро-

âè.

В организме имеются 4 основные буферные системы [2, 6, 10]:

–бикарбонатная – углекислота и бикарбонат (Í2ÑÎ3/ÍÑÎ3-);

–система гемоглобин/оксигемоглобин (Hb/HbO2);

–белковая система – белки плазмы и их щелочные протеинаты;

–фосфатная – одно- и двузамещенные фосфаты.

Буферные системы представляют собой функциональное единство, и для их характеристики достаточ-

но изучения одной из этих систем. Обычно исследу-

ют бикарбонатную систему, поскольку она более доступна изучению, имеет наибольшую массу и тесно

связана с дыхательной и почечной регуляцией кис-

лотно-щелочного состояния крови.

Хотя буферные системы и обеспечивают временную нейтрализацию избытка кислых и основных про-

дуктов в обмене, но сохранить активную реакцию крови на постоянном уровне в течение длительного

времени они не могут. В кровь непрерывным пото-

ком поступает СО2 из тканей, кислоты и основания

– из кишечника. В процессе обмена образуются как кислые, так и основные продукты, которые вступают

в реакцию с буферными системами крови. Все это может привести к резкому истощению буферной ем-

кости крови. Однако этого практически не происхо-

дит, и постоянство активной реакции крови достигается благодаря действию и других регуляторных сис-

тем, обеспечивающих как быстрое выделение избыт-

ка кислот или щелочей, так и восстановление емкости (мощности) буферных систем крови до нормаль-

ного уровня. Этот процесс осуществляют физиоло-