Тест по биологии: Газообмен в лёгких и тканях других органов (9 класс)

Пояснение:

При вдохе в лёгкие поступает атмосферный воздух, который является смесью различных газов. Несмотря на то что азот составляет наибольшую долю атмосферного воздуха (около 78%), биологически активным газом, который организм использует для поддержания жизнедеятельности, является именно кислород. Его концентрация в атмосферном воздухе составляет около 21%. Кислород активно переходит из альвеолярного воздуха в кровь, где связывается с гемоглобином эритроцитов и транспортируется к тканям. Азот же является инертным газом для большинства физиологических процессов в организме человека и выдыхается практически в неизменном виде.

Пояснение:

Газообмен в лёгких происходит на уровне альвеол и окружающих их кровеносных капилляров малого круга кровообращения. Этот процесс основан на диффузии газов, которая всегда происходит из области с более высоким парциальным давлением газа в область с более низким давлением. В альвеолах концентрация и, соответственно, парциальное давление кислорода значительно выше, чем в венозной крови, которая поступает в лёгкие. Благодаря этой разнице давлений кислород активно переходит из альвеолярного воздуха через тончайшую стенку альвеол и стенку капилляров в кровь. Там он быстро связывается с гемоглобином эритроцитов, превращая венозную кровь в артериальную.

Пояснение:

Основным переносчиком кислорода в крови человека является гемоглобин – сложный железосодержащий белок, который находится внутри красных кровяных телец, или эритроцитов. Каждая молекула гемоглобина способна обратимо связывать четыре молекулы кислорода. Эта связь является непрочной, что позволяет гемоглобину легко присоединять кислород в лёгких, где его много, и отдавать его в тканях, где его концентрация ниже. Транспорт кислорода в растворённом виде в плазме крови составляет очень малую долю от общего объёма. Лейкоциты отвечают за иммунную защиту, а тромбоциты – за свёртывание крови, и они НЕ участвуют в переносе газов.

Пояснение:

Кровеносная система человека включает два круга кровообращения. Малый, или лёгочный, круг начинается в правом желудочке сердца, который перекачивает венозную кровь в лёгочные артерии, несущие её к лёгким. В лёгких происходит газообмен: кровь отдаёт углекислый газ и насыщается кислородом. После этого обогащённая кислородом (артериальная) кровь собирается в лёгочные вены, которые несут её обратно к сердцу, а именно в левое предсердие. Отсюда артериальная кровь будет направлена в левый желудочек, а затем по большому кругу кровообращения ко всем органам и тканям тела. Таким образом, лёгочные вены являются единственными венами в организме, несущими артериальную кровь.

Пояснение:

Большой круг кровообращения начинается в левом желудочке сердца. Именно из левого желудочка сердца артериальная кровь, обогащённая кислородом в лёгких и поступившая в левое предсердие по лёгочным венам, мощно выбрасывается в аорту – самую крупную артерию организма. Аорта затем разветвляется на множество артерий, несущих кислород и питательные вещества ко всем органам и тканям тела. Таким образом, левый желудочек является основным насосом, обеспечивающим кровоснабжение всего организма, за исключением лёгких. Правый желудочек, напротив, начинает малый круг кровообращения, перекачивая венозную кровь в лёгкие.

Пояснение:

Газообмен в тканях, так же как и в лёгких, происходит по принципу диффузии. Артериальная кровь, богатая кислородом, поступает к тканям по капиллярам большого круга кровообращения. В тканях клетки постоянно потребляют кислород для своих метаболических нужд, поэтому его концентрация там значительно ниже, чем в крови. Кислород, отделившись от гемоглобина, сначала выходит из капилляров в окружающую их тканевую (межклеточную) жидкость. Эта жидкость является посредником между кровью и клетками, обеспечивая их питание и удаление продуктов обмена. Уже из тканевой жидкости кислород диффундирует непосредственно в клетки, где он будет использован в процессе клеточного дыхания для производства энергии.

Пояснение:

Кислород является жизненно важным элементом для большинства клеток организма человека. Его основное назначение в клетках – участие в процессе клеточного дыхания, которое представляет собой сложную цепь биохимических реакций. В ходе этих реакций кислород используется для окисления органических соединений (например, глюкозы, жирных кислот), поступающих с пищей. Этот процесс окисления приводит к высвобождению большого количества энергии, которая запасается в виде молекул АТФ (аденозинтрифосфата). АТФ является универсальным источником энергии для всех жизненных процессов клетки – синтеза веществ, движения, поддержания мембранного потенциала и так далее. Конечными продуктами этого окисления являются углекислый газ и вода.

Пояснение:

В процессе клеточного дыхания, когда кислород используется для окисления органических соединений с целью получения энергии, образуются конечные продукты. Основным из них является углекислый газ (CO2). Это молекула, которая формируется в результате полного расщепления углеродных скелетов органических веществ. Углекислый газ является метаболическим отходом, который в высоких концентрациях токсичен для организма, поэтому его необходимо постоянно удалять. После образования в клетках углекислый газ диффундирует в межклеточную жидкость, затем в кровь и транспортируется к лёгким для выведения. Азот и метан НЕ являются продуктами клеточного дыхания в организме человека.

Пояснение:

Углекислый газ, образующийся в результате клеточного дыхания, является отработанным продуктом и должен быть удалён из организма. Концентрация углекислого газа в клетках значительно выше, чем в окружающих тканевых (межклеточных) жидкостях, а в тканевых жидкостях – выше, чем в венозной крови, проходящей через капилляры. Поэтому углекислый газ сначала диффундирует из клеток в межклеточную жидкость. Затем, следуя градиенту концентрации, он проходит через тончайшие, однослойные стенки кровеносных капилляров и попадает в кровь. В крови углекислый газ транспортируется к лёгким для выведения из организма. Этот процесс пассивной диффузии обеспечивает постоянное удаление CO2 из тканей.

Пояснение:

Углекислый газ транспортируется кровью от тканей к лёгким несколькими способами. Значительная часть углекислого газа (около 70%) переносится в виде бикарбонат-ионов (HCO3-) в плазме крови, образующихся при взаимодействии CO2 с водой в эритроцитах и плазме. Около 20-23% углекислого газа связывается с гемоглобином эритроцитов, образуя карбогемоглобин. Важно отметить, что углекислый газ связывается с аминогруппами гемоглобина, а не с железом, как кислород. И небольшая часть (около 7-10%) транспортируется в физически растворённом виде непосредственно в плазме крови. Эти механизмы обеспечивают эффективную доставку углекислого газа к лёгким для последующего выведения из организма.

Пояснение:

Малый, или лёгочный, круг кровообращения предназначен специально для газообмена. Он начинается в правом желудочке сердца, который выбрасывает венозную кровь, насыщенную углекислым газом и бедную кислородом, в лёгочную артерию. Эта артерия ветвится, образуя сеть капилляров, опутывающих альвеолы лёгких. Именно здесь, в лёгких, происходит газообмен: углекислый газ выделяется из крови в альвеолы, а кислород, наоборот, поступает в кровь. После газообмена, уже артериальная кровь по лёгочным венам возвращается в левое предсердие. Таким образом, малый круг кровообращения играет ключевую роль в насыщении крови кислородом и удалении углекислого газа.

Пояснение:

При увеличении физической или умственной нагрузки организм испытывает повышенную потребность в энергии. Выработка энергии в клетках происходит преимущественно путём окисления органических веществ, для чего необходим кислород. В ответ на возросшую потребность в кислороде и увеличение образования углекислого газа, дыхательная и сердечно-сосудистая системы работают более интенсивно. Это проявляется в увеличении частоты и глубины дыхания, чтобы обеспечить больший приток кислорода и выведение CO2. Одновременно учащается ритм сердцебиений и возрастает объём крови, выбрасываемой из сердца в круги кровообращения, что позволяет быстрее доставлять кислород к работающим мышцам и тканям, а также эффективнее отводить углекислый газ.

Пояснение:

Углекислый газ (CO2) является естественным конечным продуктом обмена веществ в клетках организма. Хотя он участвует в регуляции дыхания и кислотно-щелочного равновесия в крови в определённых физиологических концентрациях, его накопление в чрезмерных количествах (гиперкапния) крайне опасно. Высокие концентрации углекислого газа вызывают закисление внутренней среды организма (ацидоз), что нарушает нормальное функционирование белков, ферментов и всех клеточных процессов. Это может привести к повреждению клеток, нарушению работы центральной нервной системы, угнетению дыхания и сердечной деятельности. Поэтому организм имеет эффективные механизмы для его постоянного и быстрого удаления через лёгкие.

Пояснение:

Кровь постоянно циркулирует по организму, изменяя свой газовый состав в зависимости от того, находится ли она в лёгких или в тканях. В лёгких, а именно в капиллярах, оплетающих альвеолы, венозная кровь (бедная кислородом и богатая углекислым газом), принесённая лёгочными артериями, подвергается газообмену. Она отдаёт углекислый газ в альвеолы и активно поглощает кислород из альвеолярного воздуха. В результате этого процесса кровь насыщается кислородом, приобретает ярко-алый цвет и становится артериальной. Эта артериальная кровь затем по лёгочным венам возвращается к сердцу, чтобы быть распределённой по всему организму для питания клеток кислородом.

Пояснение:

Правый желудочек сердца является начальной точкой малого, или лёгочного, круга кровообращения. Его основная функция – перекачивать венозную кровь, насыщенную углекислым газом, в лёгкие для газообмена. Из правого желудочка кровь поступает в лёгочный ствол, который затем делится на две лёгочные артерии – правую и левую, направляющиеся к соответствующим лёгким. Важно отметить, что лёгочные артерии, несмотря на своё название, несут венозную кровь, богатую углекислым газом, в отличие от артерий большого круга, несущих артериальную кровь. В лёгких эта венозная кровь отдаёт CO2 и насыщается кислородом, превращаясь в артериальную кровь.

Пояснение:

И физическая, и умственная нагрузка требуют от организма значительных затрат энергии. Клетки мозга, как и мышечные клетки, нуждаются в повышенном снабжении кислородом для поддержания своей активности. При интенсивной умственной работе, такой как решение сложных задач или экзаменационная сессия, метаболические процессы в головном мозге усиливаются, что приводит к увеличению потребления кислорода и выработке углекислого газа. В ответ на это организм рефлекторно увеличивает частоту и глубину дыхания, чтобы обеспечить адекватный газообмен. Параллельно учащается ритм сердцебиений и возрастает объём крови, выбрасываемой сердцем, чтобы быстрее доставлять кислород к мозгу и эффективно отводить продукты метаболизма. Снижение объёма выбрасываемой сердцем крови, напротив, привело бы к дефициту кислорода и снижению умственной работоспособности.

Пояснение:

Регуляция дыхания является сложным процессом, обеспечивающим поддержание стабильного газового состава крови. Главную роль в этом играют хеморецепторы, которые чувствительны к изменениям концентрации газов (кислорода, углекислого газа) и pH крови. Эти рецепторы делятся на центральные и периферические. Центральные хеморецепторы расположены в продолговатом мозге и реагируют главным образом на изменения pH спинномозговой жидкости, которые отражают изменения концентрации углекислого газа в крови. Периферические хеморецепторы находятся в каротидных тельцах (в стенках сонных артерий) и аортальных тельцах (в стенке дуги аорты). Они чувствительны к снижению парциального давления кислорода и значительному повышению углекислого газа. Сигналы от этих рецепторов передаются в дыхательный центр, корректируя частоту и глубину дыхания.

Пояснение:

Атмосферный воздух состоит из нескольких газов, но НЕ все они активно участвуют в физиологическом газообмене в лёгких. Кислород активно поглощается кровью и переносится к тканям, а углекислый газ, наоборот, выделяется из крови в альвеолярный воздух. Водяные пары также участвуют в газообмене, насыщая выдыхаемый воздух. Однако азот, составляющий наибольшую часть атмосферы (около 78%), является биологически инертным газом для дыхательной системы человека в обычных условиях. Он поступает в лёгкие при вдохе, но практически НЕ вступает в химические реакции с компонентами крови и выдыхается практически в том же объёме, в каком был вдохнут. Его роль в физиологии человека сводится к разбавлению кислорода и поддержанию давления в альвеолах.

Пояснение:

Газообмен в лёгких и тканях осуществляется путём пассивной диффузии. Это означает, что газы перемещаются из области с более высоким парциальным давлением в область с более низким парциальным давлением, не требуя затрат энергии. Для эффективного газообмена между альвеолами и кровью необходимо, чтобы парциальное давление кислорода в альвеолах было выше, чем в венозной крови, а парциальное давление углекислого газа в венозной крови было выше, чем в альвеолах. Эта разница давлений, или градиент давления, является главной движущей силой для переноса газов через тонкую альвеолярно-капиллярную мембрану. Без этого градиента диффузия газов остановилась бы, и газообмен прекратился.

Пояснение:

Эффективность газообмена в лёгких обусловлена не только градиентом давлений, но и уникальным строением самого органа. Основными структурными единицами, где происходит непосредственный обмен газами между воздухом и кровью, являются альвеолы. Это микроскопические воздушные мешочки, стенки которых состоят из одного слоя эпителиальных клеток и густо оплетены сетью тончайших кровеносных капилляров. Общее количество альвеол в лёгких человека достигает сотен миллионов, что создаёт колоссальную суммарную поверхность газообмена – около 90-100 квадратных метров, что сравнимо с площадью теннисного корта. Именно эта огромная площадь в сочетании с чрезвычайно тонкой альвеолярно-капиллярной мембраной обеспечивает максимально эффективный и быстрый газообмен.