Lungene del 1 – ventilasjon og gassutveksling

Lungene er pusteorganene våre, og i den første artikkelen om disse organene får du et innblikk i hvordan lungene og respirasjonssystemet er bygget opp og fungerer.

Artikkelen tilhører artikkelserien om Menneskets fysiologi.

Anatomisk introduksjon

Respirasjonsorganene består hovedsakelig av luftveier og lunger. Se bildet under for de forskjellige delene av luftveiene.

Bilde: Britannica

Bilde: Britannica

Lungene er to organer som ligger på hver sin side i brysthulen. De består av luftveiene som ligger inni dem, samt et elastisk vev imellom. Det elastiske vevet gjør at lungene kan ekspandere med luft, samt tømmes for luft. Lungene er strengt tatt ikke festet til brystveggen, men er omgitt av en hinne vi kaller pleurahinnen. Denne hinnen har to kontinuerlige lag som dekker brysthulen og lungene. Imellom disse hinnene er det et lag med tynn væske som klistrer hinnene sammen og som muliggjør en glidebevegelse mellom dem.

Fysiologisk funksjon

Respirasjonssystemet har flere oppgaver:

  • Ventilasjon: utveksling av luft mellom lungene og luften rundt oss
  • Gassutveksling mellom blod og luft
  • Transport av oksygen og karbondioksid mellom lunger og annet vev

Samtidig må respirasjonssystemet regulere ventilasjonen for å tilpasse organismens behov og opprettholde homeostase. I denne artikkelen vil du lære om ventilasjon og gassutveksling. I andre del tar jeg for meg transport av oksygen og karbondioksid, samt regulering av ventilasjon.

Ventilasjon

Ventilasjon oppnås i hvile ved at diafragma trekker seg sammen og dermed trekker lungene nedover. Dette øker volumet og senker trykket i brysthulen. Trykkforskjellen som oppstår trekker luft inn i lungene fra omgivelsene, som i praksis vil si luften vi puster inn. Deretter avslapper diafragma, og lungene sin elastiske kraft trekker lungene sammen og senker volumet (og dermed øker trykket). Den nye trykkforskjellen dytter luft ut av lungene.

Den første fasen omtales som inspirasjon (innpust), og er en aktiv prosess fordi det krever muskelsammentrekninger. Den andre fasen kalles ekspirasjon (utpust) og er i hvile en passiv prosess fordi den hovedsakelig oppnås ved at det elastiske krefter i lungene trekker lungene og diafragma til den opprinnelige posisjonen. Dette illustreres på figuren under.

Bilde: Guyton&Hall Textbook of Medical Physiology

Bilde: Guyton&Hall Textbook of Medical Physiology

Ved fysisk belastning eller sykdom kan kroppen ha behov for mer gassutveksling enn i hvile, fordi behovet for å tilføre oksygen og å kvitte seg med karbondioksid øker. Kroppen krever derfor hurtigere og dypere ventilasjon. Først og fremst blir ekspirasjonen kortere ved at muskler, hovedsakelig abdominal recti, bidrar til å øke trykket i brysthulen. Samtidig kan andre muskler rekrutteres i inspirasjon, for eksempel interkostalmusklene, som ligger mellom ribbena.

Det kan være interessant å bemerke seg at ved normal rolig ventilasjon bruker kroppen bare 3-5% av det totale energiforbruket til ventilasjon. Under sterk fysisk belastning kan imidlertid mengden energi som behøves for å opprettholde ventilasjonen øke med en faktor på 50. Således kan behovet for muskelenergi til respirasjon være en begrensende faktor for intensiteten til trening og lignende.

Volum og kapasitet

Ved å ta til følge hvor ofte man puster inn og ut i løpet av et minutt (respirasjonsfrekvens) kan man også regne ut minuttvolumet (minute respiratory volume,MRV) – som er mengden luft som inngår i ventilasjon per minutt. Siden vi puster gjennomsnittlig 12-16 ganger i minuttet, og vi utveksler ca. 500 ml luft hver gang (tidevolum), er MRV mellom 6 til 8 L/min. Vi kan, i hvert fall i teorien, puste 40-50 ganger hvert minutt og utveksle langt mer luft enn 500 ml. Mengden luft vi maksimalt kan puste inn og ut kalles vitalkapasiteten (vital capacity) og er ca. 4,6 L. Dette gir oss en maksimal MRV på mer enn 200 L/min! De aller fleste mennesker, især utrente, kan ikke opprettholde halvparten av denne kapasiteten for lenger enn 1 minutt.

Gassutveksling

Gassutvekslingen foregår i de omtrent 300 millioner alveolene. Alveoler ser ut som små luftblærer, og det er dit luftveiene leder til. Disse luftblærene har et tett nettverk av kapillærer som dekker overflaten (se bildet under). Oksygen, ved hjelp av diffusjon, beveger seg fra luften i alveolene til kapillærene, mens karbondioksid beveger seg fra kapillærene og ut til alveolene.

http://s1304.photobucket.com/user/sarahlynn244/media/Anatomy%20142/AlveolitheRespiratoryMembrane2_zps9b813ff5.png.html

http://s1304.photobucket.com/user/sarahlynn244/media/Anatomy%20142/AlveolitheRespiratoryMembrane2_zps9b813ff5.png.html

For å forstå gassutveksling må man også vite litt om elementær fysikk relatert til gasser.

Fysikk: diffusjon, partialtrykk, oppløst gass i væske

Diffusjon er tilfeldig bevegelse av små molekyler. Så fremt bevegelsen er tilfeldig, så vil molekylene i gjennomsnitt bevege seg fra områder med høy konsentrasjon til områder med lav konsentrasjon. Konsentrasjonen av gassmolekyler i luft er direkte proporsjonal med trykket disse gassmolekylene utgjør. Lufttrykket på sjø nivå er rundt 760 mm Hg, og siden det er ca. 21% oksygen, så utgjør dette 160 mm Hg av trykket. Vi kaller dette trykket for partialtrykket til oksygen i luft og vi benevner dette med pO2.

I væske, som i blodet, er gassene oppløst og dermed er ikke partialtrykket bare bestemt av konsentrasjonen, men også av oppløselighetskoeffisienten. Dette er en verdi som forteller oss hvor lett en gass løses opp i en væske, og som igjen bestemmes av hvor tiltrukket gassmolekylene er til vannmolekylene. Oksygen er omtrent 20 ganger mindre løselig enn CO2.

Vi kan for alle praktiske formål si at det er forskjellen i partialtrykket, samt løseligheten, til en gass som bestemmer hastigheten for gassutveksling. En gass vil gå fra et område med høyere partialtrykk til et område med lavere partialtrykk.

Respirasjonsmembranen og hastigheten for utveksling av gasser

CO2 og O2 fraktes til og fra vev i de røde blodcellene (erytrocytter). Respirasjonsmembranen er membranen som skiller erytrocyttene fra alveolene (figur 2). Denne varierer i tykkelse, men kan være ekstremt tynn (1 mm) og vil minimalt bestå av: alveolar epitelcelle (også kalt Type 1 pneumocytt), sammenslått basal membran (tynt lag av ekstracellulært vev) og endotelcellene (cellene som utgjør blodårene).

På grunn av at luften i alveolen er fuktet, så er pO2 i alveolene på omtrent 104 mm Hg (ikke 160 mm Hg). I oksygenfattig blod er denne verdien omtrent 40 mm Hg. På grunn av denne forskjellen vil oksygengass diffundere fra alveolene til blodet til trykket er likt. Dette skjer vanligvis ganske raskt, og omtrent 20 ganger raskere for CO2, slik at idet kapillærene forlater overflaten på alveolen har de et pO2 på nesten 104 mm Hg.

For CO2 skjer omtrent det samme, men motsatt. I den oksygenfattige enden av kapillærene er pCO2 på omtrent 45 mm Hg, mens pCO2 i alveolen er omtrent 40 mm Hg. Dermed trekkes det CO2 ut av blodet til trykket utlignes på 40 mm Hg. I hvile utveksles det ca. 250 ml O2/min inn i blodet og ca. 200 ml CO2/min ut av blodet. Forskjellen mellom disse verdiene kan fortelle oss om du har forbrent karbohydrater eller fett!

Maksimalt oksygenopptak – et godt mål for kondisjon

I respirasjonsfysiologi omtales diffusjonskapasitet for oksygen og karbondioksid som et mål for hvor mye gass respirasjonsmembranen kan utveksle i volum. I treningslære bruker man heller maksimalt oksygenopptak som er uttrykt med antall ml O2 per kilo kroppsvekt per minutt. Denne verdien er i gjennomsnitt ca. 35 hos kvinner og 45 hos menn. Med trening kan vi forbedre oksygenopptaket til å bli nesten det dobbelte.

Til sammenligning har en 75 kilos mann et gjennomsnittlig oksygenopptak i hvile på 3,3 ml O2/kg/min. Hos godt trente menn kan altså opptaket øke 25-ganger i fysisk aktivitet sammenlignet med i hvile.

Oppsummering

Lungene er respirasjonssystemets hovedorganer, og funksjonen til dette systemet er å opprettholde kroppens homeostase av gasser via (1) ventilasjon, (2) gassutveksling og (3) transport av oksygen og karbondioksid til og fra lungene. Ventilasjon er en prosess der muskler forandrer trykket i luftveiene slik at luft kommer inn og ut til alveolene der gassutvekslingen skjer. Gassutvekslingen er en prosess der spesialiserte strukturer – alveoler – muliggjør utveksling av oksygen og karbondioksid mellom lungene og blodet. Det er forskjellen i partialtrykket til en gass som avgjør hvor gassen går. Partialtrykket til en gass i væske vil variere med løseligheten til denne gassen.

Tilbake til Menneskets fysiologi.

3 comments to Lungene del 1 – ventilasjon og gassutveksling

  • Ingrid

    Hei! Har du kilde til energiforbruket ved ventilasjon? Du skriver at det er 3-5% av det totale energiforbruket og under sterk fysisk belastning kan mengden energi som behøves for å opprettholde ventilasjonen øke med en faktor på 50. I boka Menneskets fysiologi er det imidlertid oppgitt at ved hvile utgjør dette 1-2 % av kroppens totale energiomsetning, og ved hardt fysisk arbeid kan det øke opp til 10 %, så lurte på om din kilde var mer oppdatert.

    • Andreas Wahl Blomkvist

      Hei Ingrid, takk for innspill. Mine tall er hentet fra 12. utg Guyton and Hall, Medical Physiology (2010). Utover dette har jeg søkt litt rundt for å se om vi sammen kan bli klokere på dette. Utfra to andre kilder (1, 2) kan jeg si:

      – Forskjellen på 3-5% og 1-2% i våre kilder ligger nok mest i hvilken befolkning man bruker som utgangspunkt. Kilde (1) bruker 4%. Vi kan være enig om at mengden energi som går til respirasjon i hvile er liten og lavere enn 5%

      – Forskjellen på 50x økning og 10%, som du skriver, kan være betydelig. Både (1) og (2) sier at selv hos normale individer kan ventilasjonen øke med 20 ganger eller mer (5l/min til 120-200l/min). Dette vil så klart føre til en tilsvarende økt energibehov til musklene som utfører dette arbeidet. Guyton sitt eksempel med 50x økning er hentet fra den ekstreme enden av spekteret der en lungesykdom (som KOLS eller astma) vanskeliggjør ventilasjonen.

      Det er mer komplekst når vi snakker om andelen energi (i %) av totalen som går til dette, hovedsakelig fordi det avhenger av aktiviteten du gjør (husk at Guyton/meg ikke mener å skrive at energiandelen til ventilasjon er 50%, men at energibehovet for ventilasjon kan øke så mye som 50 ganger). Det vi derimot vet er at ventilasjon kan øke langt mer enn cardiac output og er derfor ikke den begrensede faktoren ved trening hos langt de fleste. Således er det kanskje misvisende av meg (og Guyton) å hentyde at ventilasjon kan begrense intensiteten på trening. Dette forekommer svært sjeldent.

      Takk for at du fikk meg til å undersøke dette nærmere

      1. http://samples.jbpub.com/9781449698188/17097_CH01_Sample.pdf
      2. http://ceaccp.oxfordjournals.org/content/4/6/185.full#sec-9

    • Andreas Wahl Blomkvist

      Jeg kan også legge til at kilde (1) skriver 11% av total energiforbruk går til ventilasjon. Således kan du stole godt på boken din :-)

Legg inn en kommentar