Презентация на тему "Химическая природа кислорода, углекислого газа и гемоглобина"

МОУ основная общеобразовательная школа № 16

Автозаводского района

Г. Нижнего Новгорода

Изучение химической природы кислорода, углекислого газа и гемоглобина как составляющих, обеспечивающих функцию внешнего дыхания у школьников с различной степенью физической подготовки.

Автор:

Самсонова И.В. учитель химии и биологии I категории

Г. Нижний Новгород, 2010г

�

Содержание

Страницы

�

Введение.

Дыхание неразрывно связано с жизнью, но мало кто задумывается об этой физиологической функции организма человека. Сам процесс зависит от многих условий, а правильное его осуществление улучшает работу каждого органа и всего организма в целом.

Дыхание – самая важная функция организма, влияющая на физическое и умственное развитие. Дыхательная система обеспечивает поступление кислорода в организм, а значит, важна для всех его клеток. Правильное дыхание позволяет подготовить организм к работе и отдыху, снимет напряжение и поднимает настроение. Правильное дыхание способствует сохранению здоровья.

При участии кислорода совершается один из жизненно важных процессов – дыхание.

Огромная потребность в кислороде ставит перед человечеством серьезную экологическую проблему сохранения его запасов в атмосфере.

Актуальность данной проблемы заключается в том, что антропогенное воздействие на атмосферу «ужесточилось». Природа, пытаясь сохранить равновесие, вынуждена оказывать влияние на человека.

В настоящее время , по данным ВОЗ, заболевания, связанные с нарушением деятельности органов дыхания, стоят чуть ли не на первом месте.

Одним из ключевых моментов – влияние гипоксии на функциональное состояние человека. Гипоксия представляет собой патологическое состояние, характеризующееся пониженным напряжением кислорода в клетках и тканях организма.

Данную тему выбрала не случайно6 мне интересно выяснить в каком состоянии находится внешнее дыхание у учащихся нашей школы с различной степенью физической подготовки.

Цель проекта: изучение природы кислорода, углекислого газа и гемоглобина для обеспечения функции внешнего дыхания у школьников

Задачи:

1. изучить химическую природу кислорода и углекислого газа

2. определить влияние гипоксии на функциональное состояние человека

3. применить на практике методики изучения состояния внешнего дыхания при помощи современных методик (функциональных проб)�

Глава I. Химическая природа кислорода и углекислого газа.

§1 Кислород.

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 составляет 47,2%(по массе).(см приложение 1)

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 лабораториях кислород можно получить следующими способами:

Разложением бертолетовой соли:

2KClO3=2KCl+3O2

Разложение перманганата калия:

2KMno4=K2MnO4+MnO2+O2

Нагреванием нитратов щелочных металлов (NaNO3, KNO3); при этом выделяется в свободном состояние лишь ⅓ содержащегося в них кислорода:

2NaNO3=2NaNO2+O2

Основным источником промышленного получения кислорода является воздух, который сжижают и затем фракционируют. Вначале выделяется азот(tкип=-195,8ºC), а в жидком состояний остается почти чистый кислород, так как его температура кипения выше

(-183ºC).

Широко распространен способ получения кислорода, основанный на электролизе воды.

Физические свойства: При нормальных условиях кислород- бесцветный газ, без запаха и вкуса. Температура кипения 183ºC, тяжелее воздуха, плотность 1,43г/см3. в 1л воды при нормальных условиях растворяется 0,04г кислорода.

Химические свойства. Как элемент, занимающий место в правом верхнем углу периодической системы химических элементов 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 оболочки (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 кислорода, как с простым, так и со сложным веществами зависит от природы веществ, температуры и других условии.

Такой активный металл, как цезий, самовозгорается в кислороде воздуха уже при комнатной температуре.

С фосфором кислород активно реагирует при нагревании до 60ºC, с серой – до 250ºC, с водородом- более 300ºC, с углеродом (в виде угля и графита)- при 700-800ºC:

4P+5O2=2P2O5; S+O2=SO2;

2H2+O2=2H2O; C+O2=CO2;

Горение водорода в кислороде протекает по цепному механизму. Эта реакция начинается с образования активных нестабильных частиц- свободных радикалов-носителей неспаренных электронов:

H2+O2=•OH+•OH (зарождение цепи) Радикалы •OH легко реагируют с молекулой H2:

•OH+H2=H2O+H•

Атом водорода реагирует далее с молекулой О2 с образованием вновь радикала •OH и атома кислорода. Эти элементарные акты способствуют развитию цепи.

При горений сложных веществ в избытке кислорода образуются оксиды соответствующих элементов:

2H2S+3O2=2SO2+2H2O

сероводород

CH4+2O2=CO2+2H2O

метан

C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O

этанол

4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2

колчедан

Рассмотренные реакции сопровождаются выделением, как теплоты, так и света. Такие процессы с участием кислорода называются горением.

Кроме указанного типа взаимодействия, имеют место и такие, которые сопровождаются выделением только теплоты, а свет не выделяется. К ним, прежде всего, следует отнести процесс дыхания.

§2 Роль кислорода в природе и его применение в технике.

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 соединении он входит в состав всех органов, тканей, биологических жидкостей.

Человек вдыхает в сутки 20-30м3 воздуха.

В медицине кислород применяю в случаях временного затруднения дыхания, связанного с некоторыми заболеваниями (кислородная подушка).

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 энргии-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.

§ 3 Оксид углерода (IV)

Оксид углерода(IV) (углекислый газ, диоксид) — CO2, бесцветный газ со слегка кисловатым запахом и вкусом. Плотность при нормальных условиях 1,98 кг/л. При атмосферном давлении углекислый газ не существует в жидком состоянии, переходя непосредственно из твёрдого состояния в газообразное. Твёрдый диоксид углерода называют сухим льдом. При повышенном давлении и обычных температурах углекислый газ переходит в жидкость, что используется для его хранения. (См. приложение2)

Химические свойства: По химическим свойствам диоксид углерода относится к кислотным оксидам. При растворении в воде образует угольную кислоту. Реагирует со щёлочами с образованием карбонатов и гидрокарбонатов.

Получение: В промышленности получают из печных газов, из продуктов разложения природных карбонатов (известняк, доломит). Смесь газов промывают раствором карбоната калия, который поглощает углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании или при пониженном давлении разлагается, высвобождая углекислоту. В пищевых целях используется газ, образующийся при спиртовом брожении. После предварительной обработки газ закачивается в баллоны. В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например мрамора, мела или соды с соляной кислотой. Использование реакции серной кислоты с мелом или мрамором приводит к образованию малорастворимого сульфата кальция, который мешает реакции, и который удаляется значительным избытком кислоты. Для приготовления напитков может быть использована реакция пищевой соды с лимонной кислотой или с кислым лимонным соком. Именно в таком виде появились первые газированные напитки. Их изготовлением и продажей занимались аптекари.

Глава II Участие кислорода и углекислого газа в обмене газов в организме человека.

Альвеолы легких представляют собой полушаровидные впячивания стенок альвеолярных ходов и дыхательных бронхиол. Диаметр альвеол -150-300мкм. Количество альвеол в одном легком человека в среднем 400млн (со значительными индивидуальными вариациями). Большая часть наружной поверхности альвеол соприкасается с капиллярами малого круга кровообращения. Суммарная площадь этих контактов велика – около 90м2.

От альвеолярного воздуха кровь отделяет так называемая легочная мембрана, состоящая из эндотелиальных клеток, двух основных мембран, плоского альвеолярного эпителия, слоя сурфактанта. Толщина легочной мембраны всего 0,4-1,5мкм.

Газообмен в легких осуществляется в результате диффузии кислорода из альвеолярного воздуха в кровь (около 500л в сутки) и углекислого газа из крови в альвеолярный воздух (коло 430л 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 760мм.рт.ст. парциальное давление кислорода примерно 21%, то есть 159мм.рт.ст.

При расчете парциального давления в альвеолярном воздухе следует учитывать, что он насыщен водяными парами, парциальное давление которых при температуре тела равна 47мм.рт.ст. Поэтому на долю парциального давления газов приходится 760-47=713мм.рт.ст.

При содержании кислорода в альвеолярном воздухе 14% парциальное давление его будет 99,8мм. рт.ст (около 100мм.рт.ст).

При содержаний диоксида углерода 5,5% парциальное давление соответствует 39,2мм.рт.ст (около 40мм.рт.ст.).

§1 Парциальное давление кислорода и углекислого газа.

Парциальное давление кислорода и диоксида углерода в альвеолярном воздухе является той силой, 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:

состава жидкости

объема и давления газа над жидкостью

температуры жидкости

природы исследуемого газа

Чем выше давление данного газа и чем ниже температура, тем больше газа растворяется в жидкости. При давлении 760мм.рт.ст. и температуре 38ºC в 1мл 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 1мм.рт.ст. градиента давлений. Диффузионная способность легких пропорциональна толщине мембраны. В норме диффузионная способность легких для кислорода около 25мл/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 .

Диффузия кислорода обеспечивается разностью парциальных давлений, равной около 60мм.рт.ст., а диоксида углерода – всего лишь около 6мм.рт.ст. Время протекания крови через капилляры малого круга (в среднем 0,7с) достаточно для практически полного выравнивания парциального давления и напряжения. Газов: кислород растворяется в крови, а диоксид углерода переходит в альвеолярный воздух. Переход диоксида углерода в альвеолярный воздух при относительно небольшой разнице давлений объясняется высокой диффузионной способностью легких для этого газа.

Парциальное давление и напряжение кислорода и углекислого газа в легких (мм.рт.ст.). (см. приложение3)

§2 Гемоглобин.

Гемоглобин (от др.-греч. αἷμα — кровь и лат. globus — шар) — сложный железосодержащий белок животных и человека, способный обратимо связываться с кислородом, обеспечивая его перенос в ткани. У позвоночных животных содержится в эритроцитах, у большинства беспозвоночных растворен в плазме крови и может присутствовать в других тканях. (см. приложение4). Главная функция гемоглобина состоит в транспорте дыхательных газов. В капиллярах лёгких в условиях избытка кислорода, последний соединяется с гемоглобином. Током крови эритроциты, содержащие молекулы гемоглобина со связанным кислородом, доставляются к органам и тканям, где кислорода мало, здесь необходимый для протекания окислительных процессов кислород освобождается из связи с гемоглобином. Кроме того, гемоглобин способен связывать в тканях небольшое количество диоксида углерода (CO2) и освобождать его в лёгких. Монооксид углерода (CO) связывается с гемоглобином крови прочнее, чем кислород, образуя карбоксигемоглобин (HbCO). Некоторые процессы приводят к окислению иона железа в геме до степени окисления +3. В результате образуется форма гемоглобина, известная как метагемоглобин (HbOH). В обоих случаях блокируются процессы транспортировки кислорода. Впрочем, монооксид углерода может быть частично вытеснен из гема при повышении парциального давления кислорода в легких. Нормальным содержанием гемоглобина в крови человека считается: у мужчин 130—170 г/л, у женщин 120—150 г/л; у детей — 120—140 г/л. Гемоглобин является сложным белком класса хромопротеинов, то есть в качестве простетической группы здесь выступает особая пигментная группа, содержащая химический элемент железо — Гем . Гемоглобин является тетрамером, то есть состоит из четырёх субъединиц.. Гемоглобин в легких при высоком парциальном давлении кислорода соединяется с ним, образуя оксигемоглобин. При этом кислород соединяется с гемом, присоединяясь к железу гемма. На эту же связь присоединяется и монооксид углерода, вступая с кислородом в конкурентную борьбу за связь с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин. Связь моноксида углерода с гемоглобином более прочная, чем с кислородом. Поэтому часть гемоглобина, образующая комплекс с моноксидом углерода не участвует в транспорте кислорода. В норме у человека образуется 1,2% карбоксигемоглобина. Повышение его уровня характерно для гемолитических процессов, в связи с этим уровень карбоксигемоглобина является показателем гемолиза.

§ 3 Разновидности гемоглобина у человека.

Гемоглобин F начинает синтезироваться с 12-14 недели развития плода (с момента формирования плаценты), заменяя эмбриональный гемоглобин. Его первичная структура отличается от первичной структуры гемоглобина А в тридцати девяти позициях (последовательность β-цепей по сравнению с таковой у γ-цепей). Эти отличия лежат в основе отличий физико-химических свойств гемоглобина А от гемоглобина F. Фетальный гемоглобин является устойчивым к денатурирующему воздействию щёлочи. Это отличительное свойство легло в основу метода количественного определения фетального гемоглобина. Кроме того, фетальный гемоглобин в большей степени способен превращаться в метгемоглобин, имеет специфический спектр поглощения в ультрафиолетовой части спектра. К моменту рождения на долю фетального гемоглобина приходится 80-85 % от общего количества. Синтез фетального гемоглобина в течение первого года жизни замедляется, заменяясь гемоглобином взрослого типа. К трём годам его количество соответствует содержанию HbF у взрослого человека и составляет 1-1,5 %.

§4 Гипоксия. Влияние гипоксии на функциональное состояние человека.

Гипоксия представляет собой патологическое состояние, характеризующее 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;

гемическую;

гистотоксическую.

Снижение парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе приводит к 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, расширения сосудов мозга и сердца, сужения сосудов брюшной полости и мышц.

Во-вторых, развивается активация адренергической гипофизарно-адреналовой систем, то есть стресс-реакция. Это неспецифический компонент адаптации играет роль в мобилизации аппарата кровообращения и внешнего дыхания, но в месте с тем избыточно выраженная стресс-реакция за счет катаболического действия может приводить к срыву адаптивных процессов в организме.

При незначительном снижении парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе мобилизация аппарата внешнего дыхания и кровообращения способна обеспечить адаптивную физиологическим запросам доставку кислорода тканям. Однако в случае более интенсивного снижения парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе, недостаточной активации механизмов транспорта кислорода или повышении кислородного запроса тканей, возникает третий комплекс явлений – тканевая гипоксия.

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 электронов снижается окислительное фосфолирование, энергообразование и процесс аккумуляции энергии в макроэргических связях АТФ и креатипфосфата. Ограничевая ресинтез АТФ в митохондриях, острая гипоксия вызывает прямую депрессию функций ряд систем организма, и прежде всего ЦНС, миокарда 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 гипоксии зависит от снижения парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе. Начиная с высоты 1000м, наблюдается увеличения глубины дыхания, а на высоте более 2000м гипервентиляция легких обусловлена 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 выброса биологически активных веществ повышается легочное артериальное давление. Повышение давления в легочной артерии является фактором, определяющим повышением кровотока через газообменные структуры легких.

При этом сужение просвета легочных сосудов определяет равномерное кровоснабжение различных участков легких и повышение из диффузионной способности.

Параллельно с изменениями в системе внешнего дыхания отмечается увеличение минутного объема кровотока в основном за счет переходящей тахикардии, начиная с высоты 2510м, а лиц с расстройством кардиореспираторной системы - сниженной физической выносливостью с высоты 1500м.

Существенное 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 наблюдается следующие изменения высших психических функции:

повышается уровень эмоциональной возбудимости,

снижается критическое мышление,

замедляются тонко координированные реакции.

На высотах 2000-4000м отмечаются нарушения функции зрительного и слухового анализатора, падает психическая активность, нарушаются кратковременная и оперативная память.

На больших высотах к этим явлениям присоединяются 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 30минут в высотах 2500-3000м 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 снизиться на 20-45% в зависимости от индивидуальной устойчивости к гипоксии. Поэтому физическая работа даже небольшой интенсивности в условиях гипоксии может оцениваться организмом как работа субмаксимальной или максимальной мощности, а, следовательно, быстро приводит утомлению и истощению резервных возможностей организма.

В сложной структуре компенсаторно-приспособительных процессов, развивающихся в организме человека на гипоксическое воздействие, Меерсон Ф.З. выделил 4уровня координированных между собой механизмов:

механизмы, мобилизация которых может обеспечить достаточное поступление кислорода в организм, несмотря на дефицит его в окружающей среде (гипервентиляция, гиперфункция миокарда, обеспечивающая объем легочного кровообращения; и соответствующее увеличение кислородной емкости крови).

механизмы, делающие возможным достаточное поступление кислорода мозгу, сердцу и другим жизненно важным органам, несмотря на гипоксемию (уменьшение диффузно расстояния для кислорода между капиллярной стенкой и митохондриями клеток за счет образования новых капилляров и повышения проницаемости клеточных мембран; увеличение способности клеток утилизировать кислород вследствие роста концентрации миоглобина; облегчение диссоциации оксигемоглобина).

увеличение анаэробного ресинтеза АТФ за счет активации гликолиза.

увеличение способности клеток и тканей утилизировать кислород крови и образовать АТФ, несмотря на его дефицит (повышение средства цитохромоксидазы, новообразование митохондрий, увеличение сопряжения окисления с фосфорилированием).

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/м; возможности гемодинамики лимитируются хронотропным и инотропным резервом миокарда. Лимитирующее значение резервных систем организма особенно отчетливо выявляются в ситуациях их дефицита (заболевания кардиореспираторной системы, интенсивная физическая нагрузка), когда синдромы дезадаптации (острая горная болезнь, высокогорный отек легких, очаговая дистрофия миокарда) могут развиваться даже при пребывании на относительно малой высоте

(1500-2000м).

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.

�

Глава III. Изучение состояния внешнего дыхания у школьников с различной степенью физической подготовки.

§ 1 Методы исследования функции внешнего дыхания.

Показатели лёгочной вентиляции подразделяются (условно) на анатомические величины – легочные объемы и на функциональные величины. Они зависят от пола, веста, роста, возраста.

Правильная оценка функционального состояния аппарата внешнего дыхания возможна лишь при сопоставлении абсолютных показателей с так называемыми должными причинами –соответствующими величинами у здорового человека того же возраста, веса, пола, роста.

Различают легочные объёмы и ёмкости.

Легочные объёмы:

- дыхательный объём (глубина дыхания)

- резервный объем вдоха (дополнительный воздух)

- резервный объем выдоха (резервный воздух)

- остаточный объем (остаточный воздух)

2. Лёгочные ёмкости:

- жизненную ёмкость легких (сумма дыхательного объема, резервного объема вдоха и выдоха)

- общую ёмкость легких (сумма ЖЕЛ и остаточного объема)

- функциональную остаточную ёмкость (сумма остаточного объема и резервного объема вдоха)

- емкость вдоха (сумма дыхательного и резервного объема вдоха)

Функция внешнего дыхания изучается с помощью аппаратов закрытого и открытого типов.

Закрытый способ:

спирография. В таких аппаратах 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, ЖЕЛ и её фракции, поглощение кислорода в единицу времени, рассчитывают дыхательные показатели и основной обмен.

Исследование можно проводить при дыхании как атмосферным воздухом, так и кислородом. Необходимым условием является предварительное ознакомление с характером исследования.

Результаты можно считать достоверными, если подключение системы не изменяет естественного характера дыхания.

Открытый способ: 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 100-200 л) 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. Полученная цифра составляет величину минутного объема дыхания.

Анализ пробы выдыхаемого воздуха в газоанализаторе (аппарат Холдена) позволяет определить процент поглощения кислорода и выделения углекислого газа.

Пневмография – метод исследования дыхательных движений грудной клетки. Данный метод позволяет определить частоту и ритм дыхания, изменения фаз дыхательного цикла. В норме соотношение длительности вдоха и выдоха составляет 1:1,2 и 1:1,5.

Метод пневмографии используется для исследования дыхания у детей раннего возраста, тогда как применение открытого и закрытого исследования газообмена в это возрасте еще затруднено.

Дыхательный объём- оббьем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха при каждом дыхательном цикле.

Он определяется путем деления минутного объема 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 17дыханий в 1 минуту) и нарастает дыхательный объем (от 30мл в месячном возрасте до 275мл в 15 лет – средние данные Н.А. Шалкову).

Резервный объем вдоха – максимальный объем воздуха, который можно вдохнуть после спокойного вдоха. Определяется по спирограмме. После спокойного вдоха испытуемого предлагается сделать максимально глубокий вдох, через 30-40 секунд повторяется запись максимального вдоха. Измеряется высота зубца максимального вдоха от уровня спокойного вдоха. В соответствии с масштабом шкалы спирографа производится пересчет на миллилитры. У детей1 резервный объем колеблется в широких пределах 250-1500мл.

Резервный объем выдоха – максимальный объем воздуха, который можно выдохнуть 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 пересчет на миллилитры.

Величина резервного объема выдоха у детей колеблется в пределах 300-1200мл, составляя 20-25% жизненной емкости легких.

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- 1200мл, увеличиваясь к 13-15 годам до 2100-3200мл.

У мальчиков ЖЕЛ больше, чем у девочек. Рекомендуется оценивать ЖЕЛ исследуемого лица путем сравнения с должно жизненной емкостью легких (ДЖЕЛ).

Предложены различные формулы определения должно 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 Антонии:

ДЖЕЛ = должный основной объем ∙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.

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 Антонии: ДОЖЕЛ равна ДЖЕЛ, умноженной на 1.32. Допускается колебание от этих средних величин на + 15-20%.

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 2000мл в возрасте 1 года до 5000мл в 15-летне возрасте. Мод у детей в мл на 1 м2 поверхности тела уменьшается с возрастом от 7800мл в возрасте 1 года до 3750мл в 15-летнем возрасте.

Для оценки соответствия МОД предложено вычислять дыхательный эквивалент (ДЭ), выражающий количество литров воздуха, которое необходимо провентилировать, чтобы использовать 100мл кислорода. ДЭ равен фактическому МОД, дленному 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).

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 миллиметры.

Измеренное количество выдыхаемого воздуха уменьшается на 4. МВЛ определяется в положении сидя, несколько раз, лучше в течение несколько дней. При повторных исследованиях учитывают наибольшую величину. МВЛ у детей повышается с возрастом от 42 в 6-8 лет до 80 лет в 15-17 лет.

Легочный газообмен.

Поглощение кислорода (ПО2)- 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 увеличиваются. У детей в возрасте 1-го года оно в среднем составляет 60мл, в 13-15 лет – 200мл в минуту. Определение ПО2 проводится в условиях основного обмена. Делением должного основного обмена на 7.07 получают должную величину ПО2. Допустимо отклонение от средней должной величины на ±20%.

Коэффициент использования кислорода (КИ) – количество мл кислорода, поглощаемого из 1л 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 ПО2, определенных при комнатной температуре. Величина КИ увеличивается с возрастом детей от 20мл на первом году жизни до 36мл к 15 годам.

§2. Функциональные пробы.

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, 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 16-55 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 12-30 секунд.

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.

§3. Изучение состояния внешнего дыхания у школьников с различной степенью физической подготовки.

(Результаты исследований)

В Исследованиях принимали участия школьники, не занимающиеся спортом и школьники – спортсмены в возрасте 13-15 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(см приложение5).

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%.

Результаты проведенных проб Штанге и Генча отображены на диаграмме (см. приложение6).

Как следует из представленной диаграммы, время от момента окончания глубокого вдоха до возобновления дыхания достоверно выше у школьников – спортсменов почти на 80%.

Мы получили, что из 40 обследованных 4 человека с длительностью задержки дыхания на вдохе 55-60 секунд (это 10 %) - спортсмены.

Остальные 36 учащихся (90%) с длительностью задержки дыхания на вдохе 15-55 секунд -нетренированные.

Такая же картина наблюдается и при рассмотрении результатов, полученных при проведении пробы Генча. Спортсмены – 30-35 секунд, а нетренированные 15-30 секунд. Время от окончания выдоха до возобновления дыхания достоверно выше на 20%.

Вывод:

Все энергетические превращения в организме осуществляются при участии кислорода. В первую очередь на дефицит кислорода реагируют системы дыхания и кровообращения, обеспечивая рациональное перераспределение крови.

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.

Исследование дыхательных параметров (объема и частоты дыхания) позволяет объективно оценивать характер легочной вентиляции. Было отмечено, что глубокое и редкое дыхание создает лучшие условия для легочного газообмена.

В результате проведенного исследования было выявлено, что показатели внешнего дыхания у школьников – спортсменов значительно выше, чем у их сверстников, не занимающихся спортом.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Кислород.

�

Приложение 2. Оксид углерода (IV).

�

Приложение 3.

Приложение 4. Гемоглобин.

�

�

Приложение 5.

�

Приложение 6.

Литература:

1. Агаджанин, Н.А. Организм и газовая среда обитания, - М., 1982.

2. Барбашова, З.И. Акклиматизация к гипоксии и ее физиологические механизмы. - СПб., 1993.

3. Владимиров, Г.Е. Функциональная биохимия мозга. – М,. 1985.

4. Войткевич, В.И. Хроническая гипоксия. Приспособленные реакции человека. – СПб., 1993.

5. Иванов, К.П. Обиологических условиях и физиологических механизмах снабжения организма кислородом. – М,. 1996.

6. Коростовцева, Н.В. О механизмах повышения устойчивости организма. – М,. 1983.

7. Данные сайта: <div style="height: 14ph;overflow:hidden">< div style= “marging-top: 14ph;"><a href="htpp://chevistry.narod/ru/".

�PAGE � �PAGE �4�