Регуляция дыхательных газов и кислотно-щелочного баланса

Как животные ощущают и стабилизируют уровень кислорода, углекислого газа и pH своих биологических жидкостей, регулируя вентиляцию и ионный обмен для поддержания внутренней химической среды в узких пределах.

Definition

Регуляция дыхательных газов — это гомеостатический контроль парциального давления кислорода и углекислого газа в биологических жидкостях посредством регулировки вентиляции и перфузии, а кислотно-щелочной баланс — это поддержание pH биологических жидкостей в узких пределах путем буферизации и респираторной и выделительной регуляции углекислого газа и бикарбоната.

Scope

Эта тема охватывает регуляцию газов крови и кислотно-щелочного статуса: хеморецепторы, которые отслеживают кислород, углекислый газ и pH; рефлекторный контроль вентиляции и, у водных дыхателей, функции жабр; бикарбонатную буферную систему и ее описание; а также компенсацию кислотно-щелочных нарушений респираторными и почечными или жаберными механизмами. В ней рассматриваются различия в этих механизмах контроля между воздушными и водными дыхателями. Охват является сравнительным и механистическим, а не клиническим.

Core questions

• Как животные ощущают кислород, углекислый газ и pH в своих биологических жидкостях?
• Как регулируется вентиляция для поддержания газов крови в узких пределах?
• Почему углекислый газ так важен для кислотно-щелочного баланса?
• Чем отличаются воздушные и водные дыхатели в регуляции pH?

Key theories

Хеморецепторный контроль вентиляции

Периферические и центральные хеморецепторы отслеживают кислород, углекислый газ и pH и вызывают рефлекторные изменения в дыхании, так что вентиляция увеличивается при повышении углекислого газа или кислотности или снижении кислорода, стабилизируя газы крови.

Бикарбонатный буфер и респираторно-метаболическое взаимодействие

Система углекислый газ–бикарбонат буферизует pH биологических жидкостей, и поскольку углекислый газ является летучим, pH может быстро регулироваться вентиляцией и медленнее — путем регулировки бикарбоната через почки или жабры.

Mechanisms

Хеморецепторы обнаруживают отклонения в уровне кислорода, углекислого газа и pH и передают сигналы в рефлекторные центры, которые регулируют частоту и глубину дыхания, а у водных дыхателей — скорость вентиляции жабр. Поскольку углекислый газ образует угольную кислоту, изменение вентиляции быстро сдвигает pH биологических жидкостей: гипервентиляция снижает уровень углекислого газа и повышает pH, гиповентиляция делает обратное. Бикарбонатная буферная система, регулируемая взаимосвязью между pH, углекислым газом и бикарбонатом, поглощает кислотные и щелочные нагрузки, в то время как более медленная регуляция бикарбоната почками у воздушных дыхателей или ионным обменом через жабры у водных дыхателей компенсирует устойчивые нарушения. Поскольку холодная вода содержит много углекислого газа, у водных дыхателей уровень углекислого газа в крови ниже, и они в большей степени полагаются на бикарбонат и ионный транспорт, чем на вентиляцию, для контроля pH.

Clinical relevance

Сравнительная физиология регуляции газов и кислотно-щелочного баланса проясняет реакции на физические нагрузки, высоту, погружения и гипоксию окружающей среды, а также формирует основу для интерпретации измерений газов крови и pH. Эта статья является образовательным справочным материалом и не предоставляет медицинских рекомендаций.

History

Работы Холдейна по регуляции дыхания углекислым газом и количественное описание бикарбонатного буфера Хендерсоном и Хассельбахом установили контроль газов крови и pH, а открытие артериальных хеморецепторов Хеймансом идентифицировало сенсоры. Сравнительная физиология распространила эти идеи на контрастные стратегии воздушных и водных дыхателей.

Key figures

• John Scott Haldane
• Lawrence Henderson
• Karl Hasselbalch
• Corneille Heymans

Seminal works

• westsd2012
• hill2016
• randall2002

Frequently asked questions

Почему дыхание так быстро контролирует pH крови?

Углекислый газ образует кислоту в крови, поэтому изменение скорости дыхания быстро повышает или понижает уровень углекислого газа и, следовательно, сдвигает pH в течение секунд или минут.

Регулируют ли рыбы кислотно-щелочной баланс так же, как млекопитающие?

Не совсем. Поскольку вода легко уносит углекислый газ, рыбы меньше полагаются на изменение вентиляции и больше — на обмен кислотных и щелочных ионов через жабры для контроля pH.