Дыхательная система человека: этапы
Главной частью дыхательной системы организма человека являются легкие, которые выполняют основную функцию дыхания — обмен кислородом и углекислым газом между организмом и внешней средой обитания.
Такой обмен возможен благодаря сочетанию вентиляции, диффузии газов через альвеолярно-капиллярную мембрану и легочного кровообращения.
Регуляция дыхания контролируется ЦНС и периферической нервной системой.
Кровеносные сосуды содержат специальные хеморецепторы, которые реагируют на концентрацию продуктов обмена, парциальное напряжение кислорода и углекислого газа, pH организма.
Благодаря этому осуществляется регуляция объема вентиляции легких, частоты, глубины, длительности вдоха и выдоха.
Условно процесс дыхания делится на 3 этапа:
- Внешнее дыхание.
- Диффузия кислорода и его транспортировка к тканям.
- Тканевое дыхание.
Первый этап дыхания — внешнее дыхание
В процессе внешнего дыхания кислород из внешней среды доставляется в альвеолы легких. На адекватность внешнего дыхания влияют многие факторы. Процесс внешнего дыхания начинается с верхних дыхательных путей, которые очищают, согревают и увлажняют вдыхаемый воздух.
Эффективность очищения вдыхаемого воздуха зависит от количества и качественного состояния макрофагов, которые содержатся в слизистых оболочках дыхательных путей.
Изнутри поверхность верхних дыхательных путей выстлана реснитчатым псевдомногослойным эпителием, который эвакуирует мокроту из верхних дыхательных путей. В норме из трахеи и бронхов за сутки удаляется до 100 мл мокроты (при некоторых патологиях эта цифра возрастает более, чем на порядок).
Очень важную функцию в нормальной работе верхних дыхательных путей играет кашлевый рефлекс, при нарушении которого не происходит своевременного освобождения верхних дыхательных путей от патологического секрета.
Дыхательные пути подразделяются на:
- верхние дыхательные пути: нос, рот, глотка, гортань;
- нижние дыхательные пути: трахея, бронхи.
Емкость верхних дыхательных путей образует анатомически мертвое пространство, воздух которого не участвует в газообмене. Объем анатомически мертвого пространства приблизительно равен 150 см3 (2,2 см3 на 1 кг массы тела человека).
Вентиляция легких зависит от дыхательного обмена и частоты дыхания. Величина вдоха определяется как разница между силой сокращения дыхательных мышц и эластичностью легких, которая зависит от поверхностного натяжения жидкости, покрывающей альвеолы и эластичности самой легочной ткани.
Значимость (по убыванию) вентилируемости легких во время дыхания:
- нижний отдел;
- передний отдел;
- задний отдел;
- верхушка.
Работа дыхания увеличивается при заболеваниях легких, которые сопровождаются повышением эластичного и неэластичного сопротивления.
Второй этап дыхания — диффузия и транспортировка кислорода к тканям
Диффузия кислорода осуществляется через ацинус — структурную единицу легкого, который состоит из дыхательной бронхиолы и альвеол.
Диффузия кислорода осуществляется за счет парциальной разности содержания кислорода в альвеолярном воздухе и венозной крови, после чего незначительная часть кислорода растворяется в плазме, а основная часть кислорода связывается с гемоглобином, и транспортируется с током крови к органам и тканям организма.
Соседние альвеолы сообщаются между собой порами межальвеолярных перегородок, через которые возможна незначительная вентиляция альвеол с закупоренными слизью ходами, например, при астме.
Альвеолы изнутри покрыты сурфактантом — сложным белковым поверхностно-активным веществом, который очень чувствителен к снижению кровообращения, вентиляции легких, уменьшению парциального напряжения кислорода в артериальной крови, что вызывает уменьшение количества сурфактанта, из-за чего нарушается стабильность поверхности альвеол.
Сурфактантный комплекс препятствует спадению терминальных бронхиол, осуществляет противоотечную функцию, играет важную роль в регуляции водного баланса, оказывает защитное действие за счет противоокислительной активности.
Третий этап дыхания — утилизация кислорода в тканях
Кислород утилизируется в цикле Кребса — биологическое окисление белков, жиров и углеводов, с целью выработки энергии.
Молекулярной основой клеточного дыхания является окисление углерода до углекислого газа и перенос атома водорода на атом кислорода с образованием молекулы воды. Это аэробный путь получения энергии, который в организме человека является ведущим (примерно 98% всей энергии, которую получает организм, образуется в условиях аэробного окисления; остальное приходится на анаэробное окисление).
Сосудистое русло легких состоит из двух систем: легочной и бронхиальной.
Давление в легочной артерии составляет 17..23 мм рт. ст. Общая поверхность стенок капилляров — 30..60 м2 (при физической нагрузке увеличивается до 90 мм2). Диастолическое давление в левом желудочке составляет 0,2 мм рт. ст.
Поэтому, нормальный кровоток в системе легочной артерии зависит от величины венозного возврата крови в сердце, сократительной способности миокарда, функционирования клапанов сердца, тонуса артеирол и прекапиллярных сфинктеров.
Поскольку малый круг кровообращения относится к системе сосудов с низким давлением, то его объем может колебаться в значительных пределах, в
Функции и этапы (стадии) дыхания человека
Функции системы дыхания
- 1.газообмен между клетками организма и окружающей средой
- 2.выделение летучих соединений
- 3.депонирование крови
С точки зрения физики газообмен происходит с использованием конвекции (перемещение молекул на большие расстояния с током воздуха и крови) и диффузии (движение газов по градиенту парциального давления на небольшие расстояния).
Этапы (стадии) дыхания
- 1.Газообмен между внешней средой и альвеолярным воздухом (конвекция)
- 2.Газообмен между альвеолярным воздухом и кровью (диффузия)
- 3.Транспорт газов кровью по малому и большому кругу кровообращения (конвекция)
- 4.Газообмен в тканях (диффузия)
- 5.Клеточное дыхание (изучает биохимия)
Газообмен в легких происходит благодаря ритмичным дыхательным движениям, инспирации (вдох) и экспирации (выдох).
Длительность фазы вдоха и выдоха при различных нагрузках на организм меняется, поэтому введено понятие о паттерне дыхания.
Паттерн дыхания – это совокупность объемных и временных параметров, характеризующих структуру дыхательного цикла и легочную вентиляцию в целом.
Параметры дыхания.
- 1.Количество дыхательных циклов в 1 минуту. Частота дыхания.
- 2.Длительность одного дыхательного цикла.
- 3.Длительность инспираторной и экспираторной фазы.
- 4.Дыхательный объем или глубина дыхания.
- 5.Легочная вентиляция (минутный объем дыхания)
Выделяют
- – нормопноэ, или нормопноическое дыхание, (12-16 дыхательных циклов в мин);
- – тахипноэ (частое, но неглубокое дыхание, более 20 циклов в минуту);
- – брадипноэ (медленное, глубокое дыхание, менее 8 вдохов-выдохов в минуту
Рабочее гиперпноэ может наблюдаться при мышечной нагрузке.
Необходимую для организма интенсивность альвеолярной вентиляции можно обеспечить при различных паттернах дыхания, частоты и глубины его.
Чем больше дыхательный объем, тем большее усилие необходимо приложить для преодоления эластичной тяги легких, т.е. при таком дыхании большая нагрузка ложится на вдыхательные мышцы. С другой стороны, при частом поверхностном дыхании нагрузка на дыхательную мускулатуру возрастает из-за сопротивления току воздуха в воздухоносных путях.
При физиологической одышке может быть частое поверхностное дыхание, встречается такой паттерн дыхания при повышенной температуре воздуха и гипертермии.
Газообмен в этом случае происходит только в пределах мертвого пространства, отчего обмен кислорода и диоксида углерода в альвеолах снижен.
Кроме указанных, различают понятия гиперпноэ и гипервентиляция легких, в первом случае газообмен в альвеолах нормален, во втором происходит «вымывание» СО2 из альвеол, и из крови, наступает гипокапния. При гиповентиляции наблюдается гиперкапния, избыток углекислоты в крови или альвеолярном газе.
Недостаток кислорода обозначается как гипоксия, недостаток кровоснабжения в тканях – ишемия.
Дыхательные движения обеспечиваются работой дыхательных мышц.
Исполнительными (эффекторными) образованиями системы дыхания у человека являются инспираторные и экспираторные мышцы.
При сокращении инспираторных мышц объем грудной клетки увеличивается за счет поднятия ребер и уплощения диафрагмы. Основные инспираторы – наружные межреберные мышцы и диафрагма.
При вдохе межреберные мышцы подтягивают нижележащие ребра вверх, диафрагма опускается книзу.
При глубоком вдохе дополнительно в акт включаются грудино-ключично-сосцевидная и трапециевидная мышцы.
Основные экспираторы – внутренние межреберные мышцы, вспомогательные – мышцы живота.
Они способствуют опусканию ребер, а также способствуют пассивному смещению диафрагмы при выдохе.
Грудная клетка герметична. С внутренней стороны она выстлана париетальной плеврой. Между тканью легкого (покрытой висцеральной плеврой) и париетальной плеврой имеется плевральная полость, заполненная плевральной жидкостью.
Клетки париетальной плевры фильтруют до 300 мл плевральной жидкости в час.
Висцеральная плевра эту жидкость адсорбирует, причем более активно, чем она секретируется. Этим создаются условия для отрицательного (относительно атмосферного) давления в плевральной полости.
Ткань легкого эластична и стремится занять как можно меньший объем.
Поэтому растяжение легких происходит за счет распирающего давления атмосферы, атмосферное давление прижимает легкие к париетальной плевре. Нарушение герметичности грудной клетки носит название пневмоторакса.
Таким образом, периодические экскурсии грудной клетки «затягивают» дыхательную порцию воздуха в трахею и далее в легкие, при условии отрицательного давления в плевральной полости.
Воздухопроводящий путь включает носоглотку, трахею, бронхи, 23 поколения которых составляют бронхиальное дерево.
Кондуктивную зону с общим объемом 130-180 мл состаляют первые 16 поколений бронхов, это анатомическое мертвое пространство, названное так потому, что здесь газообмен с кровью не происходит.
Транзиторная зона, 17-19 ветвления бронхов, может содержать альвеолярные ходы.
Респираторная зона бронхиального дерева включает 20-23-е разветвления бронхов.
Бронхи образуют альвеолярные бронхиоли и альвеолы.
Функциональной единицей легких являются дольки. Наиболее мелкие бронхиоли входят в дольку и делятся здесь на 12-18 концевых бронхиолей, те образуют альвеолярные бронхиоли и ацинусы, состоящие из альвеол.
Число альвеол у человека варьирует от 300 до 700 миллионов. Общая поверхность доходит до 100-130 кв. метров.
Альвеолы густо оплетены капиллярами, куда поступает венозная кровь из легочных артерий, а оксигенированная кровь затем отводится из легочного круга кровообращения по легочным венам в левое предсердие.
Особенности нормальной легочной циркуляции крови заключаются в том, что она обладает низким сосудистым сопротивлением и способна аккумулировать весь минутный объем кровотока, создаваемый правым желудочком сердца.
Давление в легочной артерии в фазу систолы равно 20-30 мм рт.ст. Объем крови в легких может составлять до 28% от всей циркулирующей в организме. Только за счет емкостных свойств легочные сосуды могут воспринимать весь кровоток, повышающийся при физической нагрузке, без изменений давления.
Альвеолярный эпителий (респираторный) на поверхности покрыт вырабатывающимся в нем специальным веществом фосфолипопротеиновой природы – сурфактонтом.
Пленка сурфактанта уменьшает поверхностное натяжение альвеолярной стенки, что препятсвует слипанию альвеол. Сурфактант постоянно вырабатывается разновидностью эпителиальных клеток – гранулярными пневмоноцитами под контролем блуждающих нервов.
Легочные объемы человека
В условиях покоя человек дышит так, что используется только часть всего объема легких, поэтому всегда есть резерв для дополнительного вдоха и выдоха.
Но даже при самом глубоком дыхании в легких остается определенное количество воздуха, составляющее остаточный объем.
Общая емкость легких=резервный объем вдоха (2,5 л)+дыхательный объем (500-700 мл)+ резервный объем выдоха (1,5 л) + остаточный объем (1,5 л) =3,5…6 л.
Дыхательный объем – объем воздуха, который входит в легкие при каждом спокойном вдохе и выходит при спокойном выдохе.
Резервные объемы вдоха и выдоха – объемы воздуха, которые человек может произвольно вдохнуть и выдохнуть сверх дыхательного объема.
Жизненная емкость легких – количество воздуха, которое может выдохнуть человек после глубокого вдоха.
Она равна сумме дыхательного объема, резервных объемов вдоха и выдоха.
Легочная вентиляция всегда находится в точном соответствии с текущими метаболическими потребностями организма.
Увеличение вентиляции происходит как за счет роста дыхательного объема, так и увеличением частоты дыхания.
Не весь воздух, поступающий в легкие, участвует в газообмене, анатомическое мертвое пространство соответствует (в мл) цифре удвоенной массы тела. Функциональное мертвое пространство дополнительно снижает степень газообмена.
Газ в альвеолах имеет постоянный состав, обусловленный буферными функциями мертвого пространства, где воздух увлажняется и нагревается.
В условиях покоя оптимальным является дыхание через нос, хотя при этом сопротивление дыханию возрастает по сравнению с дыханием через рот.
При осуществлении дыхательных движений дыхательные мышцы совершают работу, затрачиваемую на преодоление внутренних и внешних сил.
Работа дыхания складывается из энергозатрат на преодоление общего легочного сопротивления (эластичного сопротивления самой легочной ткани и грудной клетки) и преодоления сопротивления потоку воздуха в воздухоносных путях.
Минутному объему дыхания должен соответствовать минутный объем крови, протекающий по сосудам малого круга кровообращения.
Вентиляционно-перфузионный коэффициент составляет 0,8-0,9, т. е. при альвеолярной вентиляции, равной 6 л/мин, минутный объем кровообращения может быть равным 7 л/мин.
В атмосфере Земли кислород составляет примерно 21%, или 1/5. Атмосферное давление на уровне моря 760 мм рт.ст.
Значит, парциальное давление кислорода примерно соответствует 1/5 этой величины, 160 мм рт.ст., это предельная цифра содержания О2 в естественных газовых смесях.
В воздухоносных путях воздух постепенно теряет скорость перемещения (конвекции). В респираторных бронхиолях и альвеолах большое значение приобретает диффузия газов. Газы перемещаются по градиенту парциального давления.
В альвеолах, где и происходит, контакт альвеолярного газа с капиллярной кровью, напряжение кислорода РО2 составляет 103 мм рт.ст., а парциальное давление диоксида углерода РСО2 около 40 мм рт.ст.
В выдыхаемом воздухе РО2 составляет 126 мм рт.ст., а РСО2 соответственно 16 мм рт.ст. В артериальной крови РО2 соответствует 95 мм рт.ст., в венозной РО2 равно 40 мм рт.ст.
РСО2 артериальной крови соответствует 40 мм рт.ст., а венозной – РСО2 приближается к 46 мм рт.ст.
Вектор диффузии дыхательных газов
Парциальное давление, мм рт.ст. | ||||
Газ | Атмосфера | Мертвое пространство (выдох) | Альвеолярный газ | Капилляры (венозная кровь) |
Кислород | 160→ | 126→ | 103→ | |
Двуокись углерода | 0,2 | ←28 | ←40 | ←46 |
Поэтому вектор диффузии кислорода постоянно направлен в сторону альвеол и капилляров, а углекислоты – в обратном направлении, из капилляров в атмосферу.
Перенос кислорода из альвеолярного газа в кровь и диоксида углерода из крови в альвеолярный газ происходит исключительно путем диффузии.
Движущей силой диффузии диффузии служит градиент парциального давления каждого из газов по обе стороны аэрогематического барьера. Диффузия осуществляется в водной среде. В слое сурфактанта растворимость кислорода повышается.
Аэрогематический барьер состоит из слоя сурфактанта, альвеолярного эпителия, двух основных мембран, эндотелия капилляра и мембраны эритроцита.
Диффузионная способность легких для кислорода достаточно высока.
Установлено, что на каждый миллиметр ртутного столба градиента парциального давления кислорода между альвеолярным газом и эритроцитом в кровь поступает путем диффузии 25 мл кислорода в минуту. Этого достаточно для того, чтобы за 0,8 с, что равно времени прохождения отдельным эритроцитом одного легочного капилляра, парциальное давление кислорода в нем успело выравняться с альвеолярным.
Даже с большим запасом по времени, поскольку для выравнивания напряжения кислорода в эритроцитах с альвеолярным воздухом достаточно 0,25 с.
Поэтому, если кровоток в капиллярах легких повышается (возрастает линейная скорость движения эритроцитов) при физической нагрузке на организм, и время прохождения капилляров клетками уменьшается до 0,3 с, этого оказывается вполне достаточно для полного газообмена.
Для диффузии из крови углекислого газа необходимо всего 0,1 с. Растворимость диоксида углерода в воде превышает этот показатель для кислорода в 25 раз.