Альвеолы и газообмен

Что такое альвеолы и газообмен

Всё, о чём шла речь раньше — нос, гортань, трахея, бронхи, сами лёгкие, — служит одной конечной цели: привести воздух к альвеолам. Так называют микроскопические пузырьки, которыми набита лёгочная ткань, похожие на гроздья крошечных виноградин. Именно здесь, и только здесь, происходит настоящее дыхание — газообмен.

Газообмен — это обмен газами между воздухом и кровью: кислород переходит из воздуха в кровь, а углекислый газ — из крови в воздух. Слово объясняет само себя: газ + обмен. До альвеол воздух только двигался по трубкам и готовился — согревался, увлажнялся, очищался, — но ни с чем не обменивался. Настоящая встреча воздуха и крови случается только здесь, в самом конце пути.

Чтобы понять, почему альвеолы устроены именно так, важно увидеть их задачу. Крови нужно забрать из воздуха кислород и отдать углекислый газ, причём быстро и в больших количествах — за время одного вдоха. Значит, между воздухом и кровью должна быть граница, которая, с одной стороны, полностью их разделяет (иначе кровь и воздух просто смешались бы), а с другой — настолько тонка, чтобы газы проходили через неё мгновенно. Альвеола — это и есть такая граница, доведённая до предела тонкости.

Где заканчивается дыхательный путь

Воздухоносные пути заканчиваются не сразу. Бронхи ветвятся на всё более мелкие бронхиолы — трубочки без хряща, окружённые гладкими мышцами. Самые последние из них, лишённые газообмена, называют терминальными бронхиолами — это граница проводящей зоны: дальше воздух только проводился, а теперь начинается «рабочая» часть.

За терминальными бронхиолами идут дыхательные бронхиолы — в их стенках уже появляются отдельные альвеолы, поэтому здесь газообмен начинается. Затем тянутся альвеолярные ходы — длинные каналы, сплошь усеянные альвеолами, — и, наконец, альвеолярные мешочки: слепые расширения на концах, где альвеолы собраны плотными гроздьями. Эта последняя часть, где есть альвеолы, называется дыхательной (респираторной) частью лёгкого — в отличие от проводящей, где альвеол нет.

Это деление важно понимать потому, что газообмен идёт не по всему лёгкому, а только в его концевых альвеолах. В бронхах, трахее и даже в терминальных бронхиолах обмена нет — там воздух идёт по «дороге», а не встречается с кровью.

Как устроена альвеола

Стенка альвеолы устроена предельно просто — и в этой простоте весь смысл. Она состоит всего из одного слоя клеток — плоского эпителия (от греч. «эпи» — «сверху» + «телион» — «сосок»; слоя клеток, выстилающего поверхность). Клетки этого слоя настолько плоские, что их толщина — доли микрометра, а ядро образует лишь небольшое утолщение. Тоньше, чем такая стенка, сделать уже нельзя.

Эти клетки неодинаковы, и их делят на два основных типа:

Кроме этих клеток, в альвеолах работают и альвеолярные макрофаги — иммунные клетки-«пожиратели», которые поглощают пыль, микробов и частицы, добравшиеся так глубоко. Это последний рубеж иммунной защиты дыхательных путей.

Но одной стенки альвеолы мало. Чтобы газообмен шёл, кровь должна подходить к ней вплотную. Поэтому каждая альвеола сплошь обвита густой сетью капилляров — мельчайших сосудов, стенка которых тоже состоит из одного слоя клеток (такой внутренний слой сосуда называют эндотелием, от греч. «внутри» + «сосок»). Плоская стенка альвеолы и плоская стенка капилляра ложатся друг к другу вплотную — и между воздухом и кровью остаётся лишь тончайшая преграда.

Сурфактант: почему альвеолы не слипаются

У альвеол есть физическая проблема. Это пузырьки, а на поверхности пузырька из жидкости всегда действует поверхностное натяжение — та же сила, что заставляет каплю воды стремиться к шарику. Стенка альвеолы изнутри влажная, значит, натяжение стремится её сжать. И чем меньше пузырёк, тем сильнее это сжатие — а значит, маленькие альвеолы стремились бы полностью схлопнуться, а воздух из них «перешёл» бы в более крупные. Лёгким пришлось бы затрачивать огромные усилия, чтобы расправить их заново при каждом вдохе.

Природа решила это веществом сурфактант (от англ. surface active — «поверхностно-активное»). Его вырабатывают клетки II типа и выделяют тонким слоем на внутреннюю поверхность альвеолы. Сурфактант снижает поверхностное натяжение — примерно так же, как мыло ослабляет натяжение воды. Благодаря ему:

• Альвеолы не слипаются при выдохе: на выдохе они уменьшаются, но полностью не закрываются.
• Они легче расправляются при следующем вдохе — мышцам нужно меньше усилий.
• Крупные и мелкие альвеолы остаются стабильными: натяжение сглаживает разницу между ними.

Воздушно-кровяной барьер

Тончайшая преграда между воздухом в альвеоле и кровью в капилляре получила особое название — воздушно-кровяной (аэрогематический) барьер. «Аэро» — от греческого «воздух», «гема» — «кровь»: барьер между воздухом и кровью. Его общая толщина — около 0,2–0,6 микрометра, то есть в десятки раз тоньше человеческого волоса. Он складывается всего из нескольких тонких слоёв:

• Слой жидкости и сурфактанта на внутренней поверхности альвеолы.
• Стенка альвеолы — плоский эпителий (в основном клетки I типа).
• Общая базальная мембрана — тонкий опорный слой, разделяющий ткани лёгкого и сосуда.
• Стенка капилляра — эндотелий.

Почему барьер должен быть именно тонким — понятно: чем тоньше преграда, тем быстрее через неё проходят газы. Но у него есть и вторая, не менее важная задача — разделять воздух и кровь. Барьер устроен так, что газы через него свободно проходят, а жидкость и клетки крови — нет. Если барьер утолщается или повреждается, дыхание сразу затрудняется — об этом в разделе о нарушениях.

Как идёт газообмен: диффузия и парциальное давление

Теперь — главный вопрос: каким образом газы переходят через этот барьер? Никакого «насоса» для газов в теле нет. Работает другой механизм — диффузия. Диффузией называют самопроизвольное движение молекул из области, где их много, в область, где их мало: так капля чернил в воде постепенно растекается, пока не распределится равномерно.

Чтобы описать, «где газа много, а где мало», используют понятие парциального давления (от лат. «частичный, долевой»). Воздух — смесь газов, и каждый газ в смеси создаёт свою «долю» общего давления — своё парциальное давление. Для газов, растворённых в крови, это тоже работает: можно говорить о парциальном давлении кислорода или углекислого газа в крови. Газ всегда движется оттуда, где его парциальное давление выше, туда, где оно ниже. Разберём оба газа по отдельности:

Отсюда важный вывод: газообмен в альвеолах идёт исключительно по градиенту — без затрат энергии, за счёт самой разницы давлений. Тело расходует энергию только на то, чтобы воздух в лёгкие попадал (вентиляция, работа мышц), а чтобы газы перешли из воздуха в кровь — уже ничего не тратит. Это делает газообмен очень экономичным.

О том, что происходит с кислородом дальше, после того как он вошёл в кровь, — как его переносит гемоглобин и в каком виде перевозится углекислый газ — рассказывает отдельная статья Транспорт газов кровью.

Почему газообмен так эффективен

Альвеолярный газообмен работает почти с предельной эффективностью — настолько, что этого хватает и в покое, и при нагрузке, когда потребление кислорода растёт в разы. Держится всё на четырёх условиях:

Что происходит при нарушениях

Все нарушения газообмена удобно проверять по тем же условиям, что делают его эффективным: пострадала площадь, барьер или градиент — и кислорода начинает не хватать.

Отдельно стоит сказать о низком содержании кислорода во вдыхаемом воздухе — например, в горах. Там само парциальное давление кислорода меньше, и градиент между воздухом и кровью падает — поэтому на высоте и возникает гипоксия (нехватка кислорода в тканях). Это ещё раз подтверждает: дело не только в устройстве лёгких, но и в свойствах самого воздуха.

Как и в других темах раздела, симптомы — одышка, синюшность, быстрая утомляемость — неспецифичны. Разобраться, на каком именно этапе нарушен газообмен, может только врач; эта статья объясняет механизмы, но не заменяет консультацию специалиста.

Связи с другими системами

• Дыхательные пути: альвеолы — финал того пути, который начинается у носа. Проводящая часть готовит воздух, дыхательная — обменивается с кровью газами. Подробнее — в статье Дыхательные пути.
• Лёгкие и механика: альвеолы — та часть лёгкого, где идёт газообмен, а механика дыхания обеспечивает поступление воздуха в них. Подробнее — в статьях Лёгкие и Механика дыхания.
• Сердечно-сосудистая система: газообмен невозможен без капилляров и кровотока. Сюда приходит бедная кислородом кровь, а уходит обогащённая — в этом и смысл малого круга. Подробнее — в разделах Круги кровообращения и Капилляры.
• Кровь и транспорт газов: перейдя в кровь, кислород связывается с гемоглобином, а углекислый газ переносится в основном в виде бикарбоната. Как это устроено — в статьях Транспорт газов кровью и Кровь.
• Обмен веществ и энергия: конечная цель газообмена — доставить клеткам кислород для получения энергии. Как клетка его использует, разобрано в разделе Обмен веществ и энергия.
• Иммунная система: альвеолярные макрофаги в самих альвеолах поглощают пыль и микробов, добравшихся в глубину лёгких. Подробнее — в разделе Иммунная система.

Альвеолы и газообмен — это место, где дыхательная система наконец делает свою главную работу. Сотни миллионов микроскопических пузырьков создают огромную поверхность, тончайший воздушно-кровяной барьер разделяет воздух и кровь, а сурфактант не даёт пузырькам слипнуться. Газы переходят через барьер сами — по разнице парциальных давлений, без затрат энергии. Кислород идёт в кровь, углекислый газ — наружу, и всё это подготавливает почву для следующего звена — транспорта газов кровью к каждой клетке тела. Понимание альвеолярного газообмена — основа тем о болезнях дыхания и о том, как тело получает энергию.