Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха
При вдохе человек получает из воздуха кислород, а при выдохе отдаёт больше углекислого газа и водяного пара. Сравнение состава вдыхаемого и выдыхаемого воздуха показывает, как газообмен связан с клеточным дыханием и работой органов дыхания.
Состав атмосферного и вдыхаемого воздуха
Атмосферный воздух, который поступает в дыхательные пути при вдохе, состоит главным образом из азота и кислорода. В нём также есть небольшое количество углекислого газа, водяного пара и других газов. В школьных заданиях обычно используют округлённые значения состава сухого атмосферного воздуха.
| Газ | Доля во вдыхаемом воздухе, примерно | Значение для организма |
|---|---|---|
| Азот | 78% | Почти не участвует в газообмене |
| Кислород | 21% | Поступает в кровь и используется клетками |
| Углекислый газ | 0,03–0,04% | В небольшом количестве присутствует в атмосфере |
| Водяной пар | Переменная доля | Зависит от температуры и влажности воздуха |
Вдыхаемый воздух — воздух, поступающий через носовую или ротовую полость в дыхательные пути при вдохе. Его состав близок к составу атмосферного воздуха, но в дыхательных путях он согревается, очищается и увлажняется.
Перед поступлением в лёгкие воздух проходит через дыхательные движения и дыхательные пути. Носовая полость задерживает часть пыли, согревает и увлажняет воздух. Поэтому фактическая доля водяного пара во вдыхаемом воздухе зависит не только от атмосферы, но и от состояния дыхательных путей.
Для сравнения обычно достаточно четырёх фактов: во вдыхаемом воздухе около 21% кислорода и около 0,04% углекислого газа; в выдыхаемом — около 16% кислорода и около 4% углекислого газа. Выдыхаемый воздух содержит больше водяного пара.
Что происходит в лёгких
В лёгких воздух достигает альвеол — маленьких пузырьков, окружённых капиллярами. Через тонкие стенки альвеол и капилляров происходит диффузия газов: кислород перемещается из воздуха в кровь, а углекислый газ — из крови в альвеолы. Затем при работе дыхательного центра и сокращении дыхательных мышц воздух выводится наружу.
Кислород расходуется клетками организма. Он нужен для получения энергии из питательных веществ. Одним из продуктов этого процесса является углекислый газ. Кровь переносит углекислый газ к лёгким, где он переходит в альвеолярный воздух и удаляется при выдохе.
| Признак | Вдыхаемый воздух | Выдыхаемый воздух |
|---|---|---|
| Кислород | Около 21% | Около 16% |
| Углекислый газ | Около 0,03–0,04% | Около 4% |
| Азот | Около 78% | Около 79% |
| Водяной пар | Меньше | Больше, воздух почти насыщен им |
| Температура | Обычно ниже температуры тела | Близка к температуре тела |
Если газ участвует в обмене, его доля меняется в сторону, связанную с потребностями организма: кислорода в выдыхаемом воздухе меньше, потому что он поглощается кровью; углекислого газа больше, потому что он выделяется из крови. Азот почти не изменяется, так как обычно не используется клетками в процессе дыхания.
Доля азота в выдыхаемом воздухе может быть немного выше не потому, что организм специально выделяет азот, а потому, что часть кислорода заменяется углекислым газом и водяным паром. Числа в таблицах округлены, поэтому их сумма может отличаться от 100%.
Какое изменение состава воздуха непосредственно доказывает поглощение газа организмом?
Водяной пар и видимые признаки выдоха
Воздух в дыхательных путях соприкасается с влажными поверхностями и насыщается водяным паром. Поэтому при выдохе воды в воздухе больше. В холодном помещении водяной пар охлаждается и превращается в мельчайшие капли жидкости: появляется видимое «облако» возле рта. Это не означает, что человек выдыхает дым.
Количество водяного пара зависит от температуры воздуха, влажности окружающей среды, физической нагрузки и глубины дыхания. В школьных задачах главное качественное сравнение: выдыхаемый воздух более влажный.
1. Неверно утверждать, что выдыхаемый воздух совсем не содержит кислорода: его остаётся примерно 16%. 2. Нельзя говорить, что весь кислород превращается в углекислый газ: кислород поглощается клетками, а углекислый газ образуется в клеточном обмене веществ. 3. Азот не следует считать полностью отсутствующим в выдохе. 4. Видимый пар — это не углекислый газ, а сконденсировавшаяся вода.
Как решать задания на сравнение долей
В заданиях формата oge-10 могут предложить таблицу, диаграмму или несколько утверждений о составе газов. Сначала определите, о каком воздухе говорится, затем сравните доли и свяжите изменение с процессом газообмена. Для числовых вопросов удобно находить разность процентных долей.
Для кислорода эта разность положительна и приблизительно равна \(21\%-16\%=5\) процентных пунктов. Для углекислого газа удобнее считать увеличение: \(4\%-0{,}04\%=3{,}96\) процентного пункта, то есть примерно 4 процентных пункта.
Переход от 21% к 16% — это уменьшение на 5 процентных пунктов, а не «на 5%». Если требуется относительное уменьшение, используют отношение: \(\frac{21-16}{21}\cdot100\%\approx23{,}8\%\). В большинстве заданий достаточно сравнить сами доли.
В таблице указано: во вдыхаемом воздухе кислорода 21%, углекислого газа 0,04%; в выдыхаемом воздухе кислорода 16%, углекислого газа 4%. Определите, какой газ организм поглощает, а какой выделяет, и найдите изменения долей.
Ответ: организм поглощает кислород, его доля уменьшается примерно на 5 процентных пунктов; организм выделяет углекислый газ, его доля увеличивается примерно на 3,96 процентного пункта. Кроме того, при выдохе возрастает содержание водяного пара.
Связь с дыхательными движениями
Состав воздуха меняется благодаря непрерывной смене порций воздуха в лёгких. При вдохе объём грудной клетки увеличивается, воздух поступает внутрь; при выдохе объём уменьшается, воздух выходит. В этом участвуют диафрагма и межрёберные мышцы. Даже после выдоха часть воздуха остаётся в дыхательных путях и лёгких, поэтому выдыхаемый воздух не является полностью «использованным».
Состав выдыхаемого воздуха зависит от глубины и частоты дыхания, физической нагрузки, температуры, влажности и того, смешалась ли проба с воздухом дыхательных путей. Поэтому в учебных таблицах используют средние округлённые значения, а не одинаковые числа для каждого человека.
Проверь себя
Главное
- Во вдыхаемом воздухе около 21% кислорода и 0,03–0,04% углекислого газа; в выдыхаемом — около 16% и 4% соответственно.
- Кислород переходит из альвеол в кровь и используется клетками, а углекислый газ перемещается из крови в альвеолы и удаляется.
- Доля азота почти не меняется, потому что он обычно не участвует в газообмене.
- Выдыхаемый воздух содержит больше водяного пара и имеет температуру, близкую к температуре тела.
- В задачах сравнивайте доли, различайте проценты и процентные пункты и связывайте изменение с направлением диффузии.