Физиология дыхания

Дыхание — это совокупность процессов, обеспечивающих:

• поступление в организм кислорода,
• использование его в окислительных процессах в тканях,
• удаление из организма углекислого газа.

В среднем в состоянии покоя человек потребляет в течение 1-ой минуты 250 мл O2 и выделяет 230 мл СО2.

Различают верхние дыхательные пути:

1. наружный нос,
2. носовая полость с пазухами,
3. глотка.

Нижние дыхательные пути:

1. гортань,
2. трахея,
3. бронхи.

Органами дыхания являются легкие.

Функции верхних дыхательных путей

1) Очищение вдыхаемого воздуха.

Самые крупные инородные тела (пух, крупные частицы пыли) задерживаются в преддверии полости носа.

Если эти инородные тела все же проскакивают через преддверие, то следующим этапом очистки будет обволакивание их слизью, которая вырабатывается железами слизистой полости носа.

Затем, эти частицы подхватываются ресничками мерцательного эпителия слизистой полости носа и направляются в носоглотку.

Если частицы крупные — они раздражают верхние дыхательные пути, и человек чихает. Если мелкие — то из носоглотки попадают в ротоглотку, а оттуда — в ЖКТ.

2) Увлажнение вдыхаемого воздуха.

Осуществляется двумя источниками:

• слизью, которая вырабатывается железами слизистой полости носа;
• слезой, которая выделяется в нижний носовой ход через носослезный канал.

3) Согревание (охлаждение) воздуха: благодаря кровеносным капиллярам подслизистого слоя носовых раковин и околоносовых пазух.

4) Голосообразование, в котором принимают участие не только мышцы языка и гортань, но и околоносовые пазухи (резонаторы).

Строение трахеи и бронхов. Их функции

Трахея, состоящая из 15-20 хрящевых полуколец, на уровне IV-V грудного позвонка делится на правый и левый главные бронхи. Они, вступив в ворота легких, делятся сначала на долевые, затем сегментарные бронхи. Они продолжают делиться на еще более мелкие бронхи. Начиная от трахеи, воздухоносные пути делятся 23 раза, т. е. образуют 23 генерации, формируя бронхиальное дерево правого и левого легких.

Основная функция нижних дыхательных путей — проведение воздуха. Поэтому особенностью их строения является наличие в их стенках хрящей, благодаря чему стенки нижних дыхательных путей не спадаются и не закрывают просвет.

Стенки бронхов включают также гладкомышечные клетки (ГМК), обеспечивающие изменение их просвета, благодаря чему происходит регуляция притока воздуха в альвеолы легких.

Раздражение симпатических нервов вызывает расширение бронхов, т.е. расслабление гладких мышц. Блуждающий нерв суживает их просвет, т.к. вызывает сокращение гладких мышц.

Кроме того, на тонус мышц бронхов оказывают влияние гуморальные факторы:

• гистамин, серотонин, простагландины усиливают сокращение мышц, т.е. суживают бронхи;
• адреналин, норадреналин — расширяют бронхи.

Функциональные зоны

1. Проводящая — трахея и первые 16 генераций бронхов;
2. Промежуточная — c 17 по 19 генерацию бронхов;
3. Респираторная — к ней относятся с 20 по 23 генерации бронхиол и сами альвеолы. В этой зоне и осуществляется газообмен.

Проводящая и промежуточная зоны легких вместе с верхними дыхательными путями называют анатомическим мертвым пространством (это пространство, воздух которого не участвует в газообмене). Его объем 155-175 мл, примерно 30% от дыхательного объема. Т.е. при каждом вдохе 155-175 мл воздуха не участвуют в газообмене.

Выделяют еще функциональное (физиологическое) мертвое пространство — это совокупность объема воздуха анатомически мертвого пространства и альвеол, в которых идет вентиляция воздуха, но нет газообмена (например, альвеолы не снабжаются кровью).

Линейная скорость воздушного потока максимальна в трахее — 100 см/сек. По мере деления бронхов скорость движения воздуха замедляется.

На границе проводящей и промежуточной зон (16-17 генерация) она составляет 1 см/сек, а в альвеолах — 0,02 см/сек.

Следовательно, до 20-ой генерации обмен газов с внешней средой осуществляется путем конвекции (перемещения), а далее воздушный поток уже не движется и обмен газов осуществляется за счет диффузии по градиенту парциального давления.

Грудная полость. Висцеральная и париетальная плевры

Легкие находятся в грудной полости и покрыты плеврой.

Различают два листка плевры: висцеральный и париетальный.

Между ними имеется плевральное пространство шириной 0,1-0,2 мм, в синусах — 1-2 мм.

Плевра продуцирует (плевральную) жидкость, играющую роль смазки.

Функциональной единицей легких является ацинус.

Стенки альвеол снаружи оплетены густой сетью капилляров. Каждый капилляр проходит над 5-7 альвеолами. Через их стенки происходит газообмен.

Если альвеола вентилируется, то капилляр, окружающий эту альвеолу будет открыт. Если альвеола не содержит кислород в достаточном количестве, т. е. не вентилируется, то капилляр закрыт.

Этот механизм позволяет направлять кровь лишь к функционирующим альвеолам.

Функции легких и этапы дыхания

Функции легких

• Газообмен — основная функция.
• Депо крови.
• Защитная.
• Выделительная.
• Участие в энергетическом обмене организма.
• Терморегуляторная.
• Синтез тучными клетками БАВ.
• Голосообразование.

Этапы дыхания

I. Внешнее дыхание — обмен кислорода и углекислого газа между внешней средой и кровью легочных капилляров.

Внешнее дыхание:

• Вентиляция легких — обмен кислорода и углекислого газа между внешней средой и альвеолами легких.
• Диффузия газов в легких — газообмен между альвеолярным воздухом и кровью.

II. Транспорт газов — кислорода и углекислого газа кровью.

III. Внутреннее дыхание — оно также состоит из двух процессов:

1. диффузия газов в тканях — обмен газов между кровью и тканями;
2. клеточного (тканевого) дыхания — потребление клетками кислорода и выделение ими углекислого газа.
   

Вентиляция легких осуществляется периодической сменой вдоха (инспирация) и выдоха (экспирация). Вдох длится 2 сек, выдох — 3 сек.

Частота дыхания в покое составляет 14 — 16 дыханий в минуту, у новорожденного — 40 дых/мин.

Во время каждого вдоха в легкие поступает, а во время выдоха из легких выводится около 500 мл воздуха — это дыхательный объем (ДО) (10-25 мл у новорожденных).

За 1 минуту через легкие в покое проходит 6-9 л воздуха — это МОД (минутный объем дыхания).

При нагрузке МОД составляет 80 — 90 л, иногда 100 — 140 л (у мужчин).

Это происходит за счет увеличения в 4 раза частоты дыхания и 6-кратного увеличения ДО с 500 мл до 3000 мл.

Легкие самостоятельно никогда не растягиваются и не сокращаются, они пассивно следуют за грудной клеткой.

Грудная полость расширяется благодаря сокращению дыхательных мышц.

Дыхательные мышцы

Инспираторные мышцы:

• Основные:
  • диафрагма,
  • наружные межреберные,
  • межхрящевые мышцы;
• Вспомогательные:
  • большие и малые грудные,
  • лестничные,
  • грудино-ключично-сосцевидные (ГКС),
  • зубчатые мышцы.

Экспираторные мышцы:

• внутренние межреберные мышцы,
• мышцы передней брюшной стенки.

При спокойном вдохе функционируют только основные инспираторные мышцы, которые увеличивают объем грудной полости:

• диафрагма,
• наружные межреберные мышцы,
• межхрящевые мышцы.

При форсированном, т. е. усиленном, глубоком вдохе участвуют вспомогательные мышцы вдоха, которые, сокращаясь, поднимают ребра, разгибают грудной отдел позвоночного столба и фиксируют плечевой пояс с откинутыми назад плечами — это лестничные, грудино-ключично-сосцевидные, трапециевидные, большие и малые грудные, передняя зубчатая и др.

Во время вдоха мышцы вдоха, сокращаясь, преодолевают ряд сил:

• тяжесть приподнимаемых кверху ребер;
• эластическое сопротивление реберных хрящей;
• сопротивление стенок живота и брюшных внутренностей, сдавливаемых книзу опускающимся куполом диафрагмы.

Как только вдох заканчивается, и мышцы вдоха расслабляются, под влиянием указанных сил ребра опускаются, и купол диафрагмы приподнимается. Объем грудной клетки вследствие этого уменьшается.

Таким образом, при спокойном дыхании акт выдоха происходит пассивно, без участия мышц.

Объем легких и грудной полости. Плевральное давление. Сурфактант

Объем легких всегда соответствует объему грудной полости.

Они (мышцы) пассивно следуют за грудной клеткой, т.к. давление внутри легких больше, чем снаружи, т.е. в плевральной полости.

Давление в легких атмосферное, а давление в плевральной полости — отрицательное. Это отрицательное плевральное давление создается эластической тягой легких, т.е. силой, стремящейся сократить объем легких.

Эластическую тягу легких создают:

• эластические волокна альвеол;
• тонус бронхиальных мышц;
• поверхностное натяжение пленки жидкости, выстилающей альвеолы. В ее состав входит сурфактант.

Сурфактант — это липопротеид, который образуется специальными клетками альвеол — пневмоцитами II типа. Период его полураспада 12-16 часов. Он постоянно обновляется.

Функции сурфактанта

1. обеспечивает эластическую тягу легких, препятствуя их перерастяжению на вдохе;
2. препятствует спадению легких (ателектазу) на выдохе;
3. создает возможность расправления легких у новорожденных;
4. влияет на скорость диффузии газов альвеолярным воздухом и кровью;
5. обладает бактериостатической активностью.

Легкие не спадаются, т. к. внутрилегочное давление всегда больше, чем внутриплевральное.

При ранениях грудной полости развивается пневмоторакс (проникновение воздуха в плевральную полость), что приведет к ателектазу (спадению) легких.

Биомеханика вдоха и выдоха. Состав воздуха

Биомеханика вдоха

При сокращении инспираторных мышц объем грудной полости увеличивается. В результате, давление в плевральной полости — уменьшается и составляет — 6-8 мм рт. ст.

Легкие следуют за стенками полости и расправляются. Давление в легких также уменьшается и становится при спокойном дыхании на — 2-3 мм рт. ст. меньше атмосферного. Воздух засасывается легкими. Так осуществляется вдох.

Биомеханика выдоха

Объем грудной клетки уменьшается, давление в плевральной полости увеличивается, но все равно остается меньше атмосферного, поэтому легкие спадаются.

Внутрилегочное давление возрастает, оно становится выше атмосферного на 3-4 мм рт. ст., и воздух выдавливается из легких.

Происходит выдох.

Состав воздуха

Состав атмосферного воздуха:

O2 — 20,94%, CO2 — 0,03%, N2 — 79,03%

Состав выдыхаемого воздуха:

O2 — 16,3%, CO2 — 4,0 %, N2 — 79,7%

Состав альвеолярного воздуха:

O2 — 14,5%, CO2 — 5,5%, N2 — 80%

Диффузия газов в легких

Диффузия — процесс перехода газов из области с высоким парциальным давлением в область с низким парциальным давлением.

Парциальное давление — это давление каждого газа в смеси.

Для газов, растворимых в жидкости, вместо термина «парциальное давление» используют термин «напряжение».

В альвеолярном воздухе парциальное давление O2 составляет 100 — 102 мм рт. ст., парциальное давление CO2 — 40 мм рт. ст.

В капилляры легких поступает венозная кровь, в которой напряжение O2 составляет 40 мм рт. ст., а напряжение СО2 — 46 мм рт. ст.

Таким образом, вследствие разности давления О2 переходит в кровь из альвеолярного воздуха, а СО2 из крови в альвеолу, пока давление не выровняется, и кровь становится артериальной.

Диффузия газов в легких происходит через альвеолярно-капиллярную мембрану (АКМ), которая представляет собой слои альвеолярного эпителия и капиллярного эндотелия, а между ними — интерстициальное пространство.

Скорость диффузии зависит от толщины мембраны и концентрационных градиентов О2 и СО2.

Проницаемость легочной мембраны для газа выражают величиной диффузионной способности легких — это количество газа, проникающего через легочную мембрану за 1 мин при градиенте давления в 1 мм рт. ст.

Таким образом, диффузия газов в легких обеспечивается:

• большой поверхностью контакта (90 кв.м площадь газообмена);
• малой толщиной легочной мембраны (0,2 — 0.4 мкм),
• относительно малой скоростью тока крови по капиллярам (0,5 мм/сек).

Все это обеспечивает полный массоперенос О2 и СО2 в легких всего за 0,1 сек.

Диффузия газов в тканях

Протекает аналогично газообмену в легких, т.е. в силу разницы напряжения О2 и СО2 в крови и в жидкости.

Напряжение О2 в клетках — 0, а в межклеточной жидкости — 20 — 40 мм рт. ст. Напряжение СО2 в клетках — 60 мм рт. ст, в межклеточной жидкости — 46 мм рт. ст.

В артериальной крови, притекающей к клеткам, напряжение О2 — 100 мм рт. ст., CO2 — 40 мм рт. ст.

В результате происходит газообмен: О2 переходит в межклеточную жидкость и далее в клетки, а CO2 — в кровь. Кровь становится венозной, в ней напряжение О2 — 40 мм рт. ст, а CO2 — 46 мм рт. ст.