ДЫХАНИЕ
Дыхание и его функции. Этапы дыхания
Практически любой процесс, при котором окисление органических веществ ведёт к выделению химической энергии, называют дыханием.
Если для этого требуется О2, то дыхание называют аэробным, а если же реакции идут в отсутствии О2 – анаэробным дыханием.
Последовательность реакций, посредством которых клетки организма человека используют энергию связей органических молекул, называется внутренним, тканевым или клеточным дыханием.
Под дыханием высших животных и человека понимают совокупность процессов, обеспечивающих непрерывное поступление во внутреннюю среду кислорода, использование его в окислительных реакциях, а также удаление из организма образующихся в процессе метаболизма углекислого газа и частично воды.
Функцию дыхания у человека реализуют:
- внешнее или лёгочное дыхание (газообмен между наружной и внутренней средой организма);
- кровообращение (транспорт газов к тканям и от них);
- система крови (специфическая газотранспортная среда);
- внутреннее или тканевое дыхание (непосредственно процесс клеточного окисления);
- механизмы нейрогуморальной регуляции дыхания.
В связи с этим выделяют следующие основные этапы дыхания:
1. внешнее дыхание, обеспечивающее газообмен между легкими и внешней средой;
2. газообмен между альвеолярным воздухом и притекающей к легким венозной кровью;
3. транспорт газов кровью;
4. газообмен между артериальной кровью и тканями;
5. тканевое дыхание (рис.8.1.).
Результатом деятельности системы внешнего дыхания является обогащение крови О2 и освобождение от избытка СО2.
Основная функция дыхательной системы – обеспечение клеток организма необходимым количеством кислорода и выведение из организма углекислого газа.
Рис. 8.1. Этапы дыхания
Другие функции дыхательной системы:
· выделительная – через легкие происходит выделение летучих продуктов обмена (выделение летучих веществ, например: спиртов, эфиров, а так же пылевых и бактериальных частиц);
· терморегуляторная – дыхание способствует теплоотдаче;
· защитная – в ткани легких присутствует большое количество иммунных клеток.
· участие в водном и электролитном балансе;
· участие в депонировании крови;
· гомеостатическая (поддержание газового гомеостаза, а также химического посредством задержки и инактивации многих химических веществ).
Механизм дыхательных движений
Газообмен в организме осуществляется благодаря ритмичным дыхательным движениям путем смены вдоха (инспирация) и выдоха (экспирация). При вдохе в альвеолы поступает атмосферный воздух, содержащий около 21 % кислорода, а при выдохе в окружающую среду удаляется воздух, бедный кислородом, но с высоким содержанием углекислого газа.
Основная причина газообмена между окружающей средой и альвеолярным воздухом, заполняющим полость легких, — это градиент давления. В момент вдоха давление воздуха в полости легких становится меньше атмосферного, и воздух поступает в легкие. При выдохе давление воздуха в легких становится немного выше атмосферного, и воздух из легких выходит в окружающую среду. Изменение давления воздуха в полости легких обусловлено изменением их объема при дыхании. Характеристикой смеси газов, занимающей определенный объем, служит так называемое парциальное давление. Если объем увеличивается — парциальное давление падает, если объем уменьшается — парциальное давление увеличивается.
Анатомические особенности, обеспечивающие дыхание. В легких нет мышечной ткани и нет механизмов, позволяющих легким активно изменять свой объем. Поэтому существует аппарат вентиляции легких, состоящий из грудной клетки (ребра и грудина) и поперечнополосатых дыхательных мышц. В процессе дыхания аппарат вентиляции вследствие сокращения основных дыхательных мышц совершает ритмические дыхательные движения. При спокойном дыхании в процессе дыхания участвуют поперечнополосатые наружные межреберные мышцы и диафрагма, которая является главной дыхательной мышцей. При форсированном дыхании в этот процесс могут вовлекаться десятки других поперечнополосатых мышц туловища. В основе легочной вентиляции лежит так называемая модель Дондерса, названная по имени ученого, который ее впервые предложил (рис.8.2).
Рис.8.2. «Модель Дондерса» - устройство для демонстрации роли внутриплеврального давления в дыхательном акте: а - экскурсия легких в конце выдоха; б - экскурсия легких во время вдоха (по https://badis.narod.ru/home/nauka/fiziologya/fizds_stm.html).
Модель является, по сути, упрошенной схемой, по которой осуществляется легочная вентиляция. Дондерс проводил опыты с легкими животных, он помещал их в закрытый сосуд, а затем увеличивал объем указанного сосуда путем растяжения его дна, объем легких при этом также увеличивался и в них поступал воздух.
Примерно по такой же схеме осуществляется и вентиляция легких в естественных условиях, вот только в роли сосуда из опыта Дондерса выступает сама грудная клетка. Легкие окружены париетальной и висцеральной плеврой. Париетальная плевра сращена с грудной клеткой. Висцеральная плевра сращена с легкими. Между париетальной и висцеральной плеврой имеется тонкая щель, заполненная мономолекулярным слоем серозной жидкости. Поверхностное натяжение этой жидкости прочно притягивает друг к другу оба листка плевры, так что при оттягивании одного листка плевры другой следует за ним. Эта ситуация может быть смоделирована, если прижать друг к другу два небольших стекла, капнуть между ними капельку воды и попробовать разъединить. За счет сил поверхностного натяжения воды, их связывающих, разъединить стекла не удастся. Таким образом, во время дыхания грудная клетка тянет за собой париетальную плевру, которая сращена с ней. Париетальная плевра тянет за собой висцеральную плевру, связанную с ней силами поверхностного натяжения серозной жидкости, а висцеральная плевра тянет ткань легких, которые увеличиваются в объеме, давление в них уменьшается и по закону Бойля Мариотта, в легкие поступает атмосферный воздух – осуществляется вдох. При выдохе объем грудной клетки уменьшается, вслед за ним уменьшается, и объем легких, давление в них возрастает и воздух покидает легкие.
Движение грудной клетки осуществляются благодаря сокращению дыхательной мускулатуры. При этом сокращение мышц могут приводить в движение ребра, изменяя тем самым объем грудной клетки. С другой стороны объем грудной клетки может изменяться за счет сокращения (уплощения) и расслабления диафрагмы. На практике же, оба эти механизма работают в некоторой степени, однако выраженность их неодинакова. Если преобладают движения диафрагмы, то говорят о брюшном типе дыхания, которое в большей степени характерно для мужчин. Если же преобладают движения ребер под действием межреберных мышц или вспомогательной инспираторной мускулатуры, то говорят о грудном типе дыхания, которое в большей мере характерно для женщин.
В осуществлении внешнего дыхания принимают участие три анатомо-функциональных образования, от свойств которых зависит биомеханизм дыхания. К этим образованиям относят:
1. растяжимые дыхательные пути;
2. эластическую легочную ткань;
3. плотный костно-хрящевой каркас грудной клетки, а также ее связки и мышцы.
Механизм вдоха и выдоха
Вдох — активный процесс, который совершается именно благодаря сокращению дыхательных мышц (рис.8.3). Сокращение наружных межреберных мышц приводит к подъему реберных дуг, грудина отходит немного вперед. Одновременно сокращаются мышечные волокна диафрагмы, ее сухожильный центр смещается книзу, оттесняя брюшные внутренности вперед и вниз. Объем грудной полости увеличивается в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Смещение диафрагмы при спокойном дыхании составляет 1-1,5 см, а при глубоком — может увеличиваться до 10 см. При смещении диафрагмы на 1 см объем грудной полости изменяется примерно на 250-270 мл. Сокращения диафрагмы обуславливают около 50-70% глубины вдоха. Легкие пассивно следуют за всеми изменениями объема грудной полости при сокращении и расслаблении дыхательных мышц.
Рис. 8.3. Механизм дыхательных движений.
(www.megabook.ru/ Article.asp?AID=594763)
Одностороннее атмосферное давление, действующее на легкие со стороны дыхательных путей, — главная движущая сила легких. Существуют и другие силы, обусловливающие увеличение объема легких при вдохе и уменьшение при выдохе. Увеличение объема грудной полости в момент вдоха приводит к увеличению объема легких, парциальное давление воздуха в них несколько снижается, и воздух из окружающей среды заходит в легкие.
При выдохе объем грудной клетки уменьшается за счет возврата диафрагмы в исходное состояние и расслабление межреберных мышц. Это приводит к увеличению давления внутри легких, которое превышает атмосферное. Так, попытка сделать сильный выдох, если воздухоносные пути закрыты, вызывает значительный рост давления в альвеолах. В нормальных условиях в результате плавного уменьшения легочного объема создается градиент давления, и воздух пассивно выходит из легких.
Атмосферное давление, действующее на легкие только со стороны воздухоносных путей, плотно прижимает их к грудной стенке. Атмосферное давление, действующее на нас снаружи, изолируется кожей и подкожной жировой тканью, поэтому оно не достигает легких с наружной поверхности тела. Грудная полость и плевральная полость, которые окружают легкие, герметичны и с атмосферой не сообщаются.
При нарушении герметичности грудной клетки (например, при ранениях) атмосферное давление начинает действовать не только на внутреннюю поверхность легких, но и на внешнюю. Это приводит к тому, что легкие спадаются (пневмоторакс) и акты вдоха и выдоха становятся невозможными. Двусторонний пневмоторакс, затрагивающий оба легких, если не применяется искусственное нагнетание воздуха в легкие, ведет к смерти.
Понятие о паттерне дыхания. Под паттерном дыхания понимают характер, рисунок, или «почерк», дыхания. Дыхательные кривые отличаются по длительности его фаз - вдоха и выдоха, величине дыхательного объема (рис.8.4).
Паттерн дыхания - это совокупность объемных и временных параметров, характеризующих структуру дыхательного цикла и легочную вентиляцию в целом.
Рис. 8.4. Структура дыхательного цикла.
Vt - дыхательный объем; Тт - общая продолжительность дыхательного цикла;
Ti - продолжительность инспираторной фазы;
Те - продолжительность экспираторной фазы.
Параметры паттерна дыхания:
- количество дыхательных циклов в 1 минуту (частота дыхания - ЧД);
- длительность отдельного дыхательного цикла (Тт) - величина, обратная частоте дыхания;
- длительность вдоха и выдоха - инспираторной и экспираторной фаз (ТI и Те);
- дыхательный объем (ДО) или глубина дыхания (ГД);
- легочная вентиляция (ЛВ), обычно обозначаемая как минутный объем дыхания (МОД). Он может быть рассчитан как произведение частоты дыхания (ЧД) на величину дыхательного объема: МОД=ДОхЧД
Индивидуально паттерн дыхания различается весьма существенно. Так, по количеству дыхательных циклов в одну минуту, которое считается нормальным в диапазоне от 12 до 16 дыхательных циклов, выделяют:
- тахипноический тип дыхания - тип с относительно частым и неглубоким дыханием, когда частота дыхания выше 20 циклов в минуту;
- брадипноический тип дыхания - тип с медленным и глубоким дыханием, когда частота дыхания ниже 8 циклов в минуту;
- нормопноический тип дыхания - промежуточный тип.
Для количественной оценки лёгочной вентиляции, важно знать, какие объёмы воздуха могут находиться в лёгких в зависимости от фазы и глубины дыхания (рис.8.5).
Рис. 8.5. Основные дыхательные объёмы и ёмкости.
Статические объёмы легких
1. Дыхательный объём (ДО) (400-500 мл) – объём воздуха, вдыхаемый и выдыхаемый при каждом дыхательном цикле.
2. Резервный объём вдоха (дополнительный воздух: 1900-3300 мл) – тот объём, который можно вдохнуть при максимальном вдохе после обычного вдоха.
3. Резервный объём выдоха (резервный воздух: 700-1000 мл)
4. Остаточный объём (1200 мл)
Ёмкости легких
1. Общая ёмкость лёгких (ОЕЛ) – количество воздуха находящееся в лёгких после максимального вдоха (4200-6000 мл)
2. Жизненная ёмкость лёгких (ЖЕЛ) (сумма первых 3-х дыхательных объёмов) – количество воздуха, которое выходит из лёгких при максимально глубоком выдохе, после максимально глубокого вдоха (3300-4800 мл).
3. Ёмкость вдоха (сумма первых 2-х объёмов) (3000 мл).
4. Функциональная остаточная ёмкость (ФОЕ) – сумма 2-х последних объёмов (2400 мл).