Система дыхания

СИСТЕМА ДЫХАНИЯ

Дыхание — это совокупность процессов, обеспечивающих по­ступление в организм кислорода, использование его для окисления органических веществ с освобождением энергии и выделением уг­лекислого газа в окружающую среду. В среднем в состоянии покоя человек потребляет в течение минуты 250 мл 02 и выделяет 230 мл С02 Процесс аэробного окисления является главным в организме и обеспечивает освобождение энергии. Различают несколько этапов дыхания: 1) газообмен между альвеолами и окружающей средой – легочная вентиляция; 2) газообмен между кровью организ­ма и газовой смесью, находящейся в легких - диффузия; 3) транспорт газов кро­вью - 02 от легких к тканям, С02 от тканей организма к легким; 4) газообмен между капиллярной кровью и метаболически активными тканями организма - 02 поступает к тканям, а С02 из тканей в кровь - тканевое (внутреннее) дыхание. Совокупность пер­вого и второго этапов дыхания - это внешнее дыхание, обеспечи­вающее газообмен между окружающей средой и кровью. Оно осуществляется с помощью внешнего звена системы дыхания, включающего легкие с воздухоносными путями, грудную клетку и мышцы, приводящие ее в движение. Прочие этапы дыхания осуществляются посредством внутреннего звена системы дыхания, включающего кровь, сердечно-сосудистую систему, органеллы кле­ток. Таким образом, внешнее и внутреннее дыхание связаны друг  с другом системой кровообращения.

Значение дыхания заключается в обеспечении организма энергией. Следует отметить, что источником энергии являются органические соединения, поступающие в организм с пищевыми веществами. Дыхание обеспечивает лишь освобождение этой энер­гии. Энергия освобождается на последнем этапе - тканевом дыха­нии - при окислении органических соединений. Энергия необхо­дима для деятельности живых клеток, органов, тканей, организма в целом.

Система дыхания участвует также в регуляции рН внутренней среды организма за счет выделения Н2С03 в виде С02.

Легкие в процессе дыхания выполняют газообменную функцию – главная их роль в организме. Кроме нее легкие выполняют и ряд других – не газообменных функций:

1.      выделительная – удаление воды и некоторых летучих веществ(ацетона, этанола, эфира, закиси азота);

2.      выработка биологически активных веществ –гепарина, простагландидов, факторов свертывания крови, гистамина, серотонина;

3.      защитная – легкие являются барьером между внешней и внутренней средой организма, в них образуются антитела, осуществляющие фагоцитоз, вырабатываются интерферон, иммуноглобулины;

4.      легкие участвуют в процессе терморегуляции – в них вырабатывается большое количество тепла;

5.      легкие являются резервуаром воздуха для газообразования.

              ЛЕГОЧНАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ.

Легочная вентиляция, или просто дыхание, представляет собой процесс перемещения воздуха в легкие и из легких. Воздух, как правило, поступает в легкие через нос; рот используется в том случае, когда потребность в воздухе превышает количество, которое может попасть в легкие через нос. Из носа и рта воздух движется по глотке, гортани трахее, бронхам и бронхиолам, пока не достигнет самых маленьких респираторных единиц – альвеол. Альвеолы являются местом газообмена в легких.

Диаметр альвеол составляет 0,3-0,4 мм. Суммарная площадь всех альвеол достигает 80 м2, их число около 300-350 млн.

Грудная клетка является герметичной полостью для легких. Она предохраняет их от высыхания и механического повреждения. Грудная клетка своими экскурсиями обеспечивает сужение и расширение легких, а значит и их вентиляцию.

Легкие располагаются в герметически закрытой полости грудной клетки, они не прикреплены непосредственно к ребрам, а покрыты тонкой гладкой оболочкой — плеврой, такая же оболочка выстилает изнутри полость грудной клетки. Пространство, образованное между этими листами плевры, называется плевральной полостью, там содержится тонкий слой плевральной жидкости, которая снижает трение при дыхательных движениях. Давление в плевральной полости всегда ниже атмосферного при выдохе на 3—4 мм рт. ст., при вдохе — на 7—9.

МЕХАНИЗМ ВДОХА И ВЫДОХА.

Поступление воздуха в легкие при вдохе и изгнание его из лег­ких при выдохе осуществляются благодаря ритмичному расшире­нию и сужению грудной клетки. Вдох является первично активным (осуществляется с непосредственной затратой энергии), выдох так­же может быть первично активным, например при форсированном дыхании. При спокойном же дыхании выдох является вторично ак­тивным, так как осуществляется за счет потенциальной энергии, накопленной при вдохе.

ВДОХ.

Вдох – активный процесс, в котором участвуют диафрагма  и внешние межреберные мышцы. Движение ребер и грудины осуществляются внешними межреберными мышцами. Ребра движутся вверх и в стороны подобно ручке ведра. Движение грудины направлены вверх и вперед и напоминают движения ручки насоса. Что касается диафрагмы, то она сокращается, опускаясь вниз к брюшной полости. Эти действия вызывают увеличение объема грудной клетки и легких.  При расширении легких, воздух, находящийся в них, заполняет больше пространства и давление в легких снижается.  В результате давление в легких (внутрилегочное давление) становится меньшим, чем давление окружающего воздуха. Поскольку дыхательные пути открыты, воздух устремляется в легкие, чтобы снизить разность давления. Таким образом при вдохе в легкие попадает воздух.

В условиях выполнения значительной фмизической нагрузки осуществлению вдоха способствуют другие мышцы: лестничные( передняя, средняя и задняя) и грудино-ключично-сосцевидная, расположенная в области шеи, а такжет грудные. С их помощью ребра поднимаются выше, чем при обычном дыхании.

ВЫДОХ.

В состоянии покоя выдох, как правило, - пассивный процесс, который осуществляется без непосредственной затраты энергии  и включает расслабление дыхательных мышц и эластическую тягу легочной ткани. При расслаблении диафрагмы она принимает свое обычное дугообразное положение. В результате расслабления внешних межреберных мышц ребра и грудин опускаются вниз, занимая обычное для состояния покоя положение. Это приводит к повышению давления в грудной клетке, вследствие чего из легких выходит воздух. Выдох завершен.

При дыхании с усилием выдох становится более активным процессом. Внутренние межреберные мышцы более активно тянут ребра вниз. Им могут помогать широчайшая мышца спины и поясничная квадратная мышца. Сокращение мышц живота повышает внутрибрюшное давление, вызывая движение внутренних органов вверх к диафрагме и ускоряя ее возврат в исходное дугообразное положение. Эти мышцы, кроме того, тянут грудную клетку вниз и вовнутрь.

ДИФФУЗИОННАЯ ПОСОБНОСТЬ ЛЕГИХ.

Газообмен в легких, который называется диффузией, выполняет главные функции:

1.      восполняет запасы кислорода в крови, истощающиеся на тканевом уровне, при его использовании для образования энергии путем окисления;

2.      выводи диоксид углерода из венозной крови.

Газообмен между воздухом в альвеолах и кровью в легочных капиллярах осуществляется через легочную мембрану (альвеолярно-капиллярную). Эта мембрана состоит их альвеолярной стенки, капиллярной стенки и их базальных мембран. Респираторная мембрана очень тонкая – 0,5 – 4 мкм. Вследствие этого приблизительно 300 млн альвеол находятся в непосредственной близости от циркулирующей по капиллярам  крови. Тем не менее эта мембрана является значительным препятствием для осуществления газообмена.

Движущая сила, обеспечивающая газообмен в альвеолах, - это разность парциальных давлений кислорода и диокиси углерода в альвеолярной смеси газов.

Парциальное давление газов- это часть общего давления газовой смеси, приходящаяся на долю данного газа. Если общее атмосферное давление  составляет 760 мм рт.ст., то парциальное давление азота (РN2)  в воздухе будет 600,7 мм рт.ст. (79,04% от 760), парциальное давление кислорода (Ро2) составляет 159,0 мм рт.ст. (20,93%), а диокиси углерода (Рсо2) – 0,3 мм рт.ст.(0,03%). Газы в организме растворены в жидкостях, например, в плазме крови. Газы растворяются в жидкостях пропорционально своему парциальному давлению, а также в зависимости от способности растворяться в определенных жидкостях и от температуры.  Способность газов растворяться в крови является постоянной, температура крови тоже относительно постоянна.  Следовательно, наиболее критический фактор газообмена между альвеолами и кровью – градиент парциального давления газов в них.

Различие парциальных давлений газов в альвеолах и в крови создает градиент давления через легочную мембрану. Если бы давление кислорода и углекислого газа по обе стороны мембраны было одинаковым, газы находились бы в состоянии равновесия и вряд ли двигались бы.

Обмен кислорода.

Ро2 воздуха при стандартном атмосферном давлении равно 159 мм рт.ст.. однако во время вдоха в альвеолах оно снижается до 100-105 мм рт.ст.. Кровь, лишенная большей части кислорода, поступает в легочные капилляры с Ро2 порядка 40-45 мм рт.ст.,  таким образом, градиент давления кислорода через мембрану составляет 55-65 мм рт.ст.. на артериальном конце капилляра в момент начала газообмена Ро2   в крови составляет всего 40 мм рт.ст., однако  по мере продвижения крови по капилляру газообмен протекает более интенсивно. К моменту достижения венозного конца капилляра парциальное давление кислорода в крови соответствует давлению в альвеоле. Следовательно, кровь, покидающая легкие через легочные вены, возвращается в сердце с достаточным количеством кислорода, который может быть использован тканями.

Обмен диокиси углерода, как и обмен кислорода, зависит от градиента давления.  Рсо2 в крови, проходящей по альвеолам, составляет около 45 мм рт.ст. в альвеолах оно составляет около 40 мм рт.ст.. Немотря на относительно небольшой градиент давления (около 5 мм рт.ст), он более чем достаточен. Растворимость диоксида углерода в легочной мембране в 20 раз больше, чем растворимость кислорода, поэтому СО2 диффундирует через нее намного быстрее.

ТРАНСПОРТ ГАЗОВ КРОВЬЮ.

Практически весь 02 (более 98%) переносится кровью в виде химического соединения с гемогло­бином. В виде физического растворения транспортируется менее 2%. Однако эта фаза весьма важна, так как 02 из капилляров к тканям и 02 из альвеол в кровь и в эритроциты проходит через плазму крови в виде физически растворенного газа.

Свойства гемоглобина и его соединения. Этот красный кровяной пигмент, содержащийся в эритроцитах как переносчик 02, обладает замечательным свойством присоединять 02, когда кровь находится в легком, и отдавать 02, когда кровь проходит по капиллярам всех органов и тканей организма. Одна молекула гемоглобина связывает четыре молекулы 02. Содержание гемогло­бина в крови у мужчин 130-160 г/л, у женщин 120-140 г/л. Ко­личество 02, которое может быть связано в 100 мл крови, у мужчин составляет около 20 мл (20 об%) - кислородная емкость крови, у женщин она на 1-2 об% меньше, так как у них меньше НЬ.

Гем может подвергаться не только оксигенации, но и истин­ному окислению. При этом железо из двухвалентного превраща­ется в трехвалентное. Окисленный гем носит название гематина (метгема), а вся полипептидная молекула в целом - метгемоглобина. В крови человека в норме метгемоглобин содержится в незна­чительных количествах, но при отравлениях некоторыми ядами, при действии некоторых лекарств, например, кодеина, фенацетина, его содержание увеличивается. Опасность таких состояний заключа­ется в том, что окисленный гемоглобин очень слабо диссоциирует (не отдает 02 тканям) и, естественно, не может присоединять до­полнительно молекулы 02, то есть он теряет свои свойства пере­носчика кислорода.

Если в воздухе содержится 0,1% СО, то около 80% гемоглобина переходит в карбоксигемоглобин и выключается из транспорта 02. Опасность образования большого количества НЬСО подстерегает пассажиров на автомобильных дорогах. Известно много случаев со смертельным исходом при включении двигателя автомобиля в га­раже в холодное время года с целью обогрева. Первая помощь по­страдавшему заключается в немедленном прекращении его контак­та с угарным газом.

Диссоциация оксигемоглобина происходит в капиллярах, когда кровь от легких приходит к тканям организма. При этом гемоглобин не только отдает О2 тканям, но и присоединяет образовавшийся в тканях СО2. главным  фактором, обеспечивающим диссоциацию оксигемоглобина, является падение Ро2, который быстро потребляется тканями.

Транспорт углекислого газа, как и кислорода, осуществляется кровью в виде физического растворения и химической связи. Причем С02, как и 02, переносится и плазмой, и эритроцитами.

РЕГУЛЯЦИЯ ДЫХАНИЯ.

Поддержание гомеостатического равновесия Ро2, Рсо2, и рН крови зависит от высокого уровня координированных действий респираторной и сердечно-сосудистой систем.

Организм осуществляет тонкое регулирование напряжения 02 и С02 в крови - их содержание остается относительно постоянным, несмотря на колебания количества доступного кислорода и потреб­ности в нем, которая во время интенсивной мышечной работы мо­жет увеличиваться в 20 раз. Частота и глубина дыхания регулиру­ются дыхательным центром, нейроны которого расположены в различных отделах ЦНС; главными из них являются продолгова­тый мозг и мост. Дыхательный центр по соответствующим нервам ритмично посылает к диафрагме и межреберным мышцам импуль­сы, которые вызывают дыхательные движения. В основе своей ритм дыхания является непроизвольным, но может изменяться в некоторых пределах высшими центрами головного мозга, что свидетель­ствует о возможности произвольного влияния на нижележащие отделы дыхательного центра.

Однако не только дыхательные центры регулируют дыхание. Их деятельность зависит от изменений химической среды организма. Например, чувствительные участки головного мозга реагируют на изменения уровней СО2 и Н+. Когда их уровни повышаются, в центр вдоха направляются сигналы увеличить интенсивность и глубину дыхания, сто повышает выведение диоксида углерода и Н+. Кроме того, хеморецепторы дуги аорты и разветвления сонной артерии, хотя чувствительны прежде всего к изменениям Ро2 крови, реагируют, также на изменения концентрации Н+ и Ро2. Из многочисленных стимулов, регулирующих дыхание, самым сильным является Рсо2. Повышенное Рсо2 стимулирует центр вдоха, увеличивая интенсивность дыхания, но не для того чтобы потребить больше кислорода, а для того,  чтобы избавить организм от избытка диоксида углерода и свести к минимуму изменения рН.