Дыхание – это совокупность физиологических процессов, обеспечивающих поступление кислорода в организм, использование его тканями и выведение из организма углекислого газа.
Весь процесс дыхания в организме можно представить как совокупность последовательных процессов:
Обмен воздуха между внешней средой и альвеолами легких (внешнее дыхание или вентиляция легких);
Обмен газов между альвеолярным воздухом и кровью, протекающей через легочные капилляры (диффузия газов в легких);
Транспорт газов кровью;
Обмен газов между кровью и тканями в тканевых капиллярах (диффузия газов в тканях);
Потребление кислорода клетками и выделение ими углекислоты (клеточное дыхание).
Внешнее дыхание обеспечивается трахеей, бронхами, бронхиолами и альвеолами. Газообмен между легкими и окружающей средой осуществляется за счет вдоха и выдоха. Вдох и выдох - это дыхательный цикл.
Механизм вдоха является активным процессом. При вдохе происходит увеличение объема грудной клетки за счет сокращения мышц диафрагмы и наружных межреберных мышц. При сокращении мышц диафрагмы купол ее уплощается, диафрагма опускается, смещая органы брюшной полости вниз. В результате опускания диафрагмы увеличивается вертикальный (↕) размер грудной полости. Наружные межреберные мышцы, сокращаясь, увеличивают размер грудной клетки в поперечном (фронтальном - ↔) и переднезаднем (сагиттальном - /) направлениях.
Увеличение объема грудной клетки, а, следовательно, и легких ведет к падению в них давления, что и служит причиной поступления в них через дыхательные пути атмосферного воздуха. Это объясняется тем, что воздух стремиться перейти из области высокого давления в область низкого давления.
Механизм выдоха. Как только вдох окончен мышцы грудной клетки расслабляются и она возвращается к своим обычным размерам. При этом объем легких уменьшается, давление в них возрастает, воздух из альвеол устремляется через воздухоносные пути наружу. Таким образом, спокойный выдох, в отличие от вдоха, происходит пассивно. При физической нагрузке выдох становится активным.
Количество воздуха, находящегося в легких после максимального вдоха, составляет общую емкость легких, величина которой у взрослого человека равна 4-6 л.
В общей емкости легких выделяют четыре ее компонента:
Дыхательный объем;
Резервный объем вдоха;
Резервный объем выдоха;
Остаточный объем.
Дыхательный объем (ДО) - это объем воздуха, который вдыхает и выдыхает человек во время спокойного дыхания. У взрослого человека дыхательный объем составляет примерно 400-500 мл.
Резервный объем вдоха (РОвд) – это максимальный объем воздуха, который способен вдохнуть человек после спокойного вдоха. Величина РОвд составляет 1,5-1,8 л.
Резервный объем выдоха (РОвыд) - это максимальный объем воздуха, который человек дополнительно может выдохнуть после спокойного выдоха. РОвыд может быть равен 1 - 1,5 л.
Остаточный объем (ОО) - это объем воздуха, которое остается в легких после максимального выдоха - 1- 1,2 л.
Сумма дыхательного объема, резервного объема вдоха и выдоха составляет жизненную емкость легких (ЖЕЛ), равную 3,5 - 5 л.
Вопросы в начале параграфа.
Вопрос 1. Как поддерживается газообмен в легких?
Поскольку углекислый газ непрерывно поступает из крови в альвеолярный Воздух, а кислород поглощается кровью и расходуется, для поддержания газового состава альвеол необходима вентиляция альвеолярного воздуха. Она достигается благодаря дыхательным движениям: чередованию вдоха и выдоха. Сами легкие не могут нагнетать или изгонять воздух из своих альвеол. Они лишь пассивно следуют за изменением объема грудной полости. Поскольку давление в плевральной полости, щелевидном пространстве между легкими и стенками грудной полости меньше, чем давление воздуха в легких, легкие всегда прижаты к стенкам грудной полости и точно следуют за изменением ее конфигурации. При вдохе и выдохе легочная плевра скользит по пристеночной плевре, повторяя ее форму.
Вопрос 2. За счет чего происходит вдох и выдох?
Вдох заключается в том, что диафрагма опускается вниз, отодвигая органы брюшной полости, а межреберные мышцы поднимают грудную клетку вверх, вперед и в стороны. Объем грудной полости увеличивается, и легкие следуют этим увеличением, поскольку содержащиеся в легких газы прижимают их к пристеночной плевре.
Выдох начинается с того, что межреберные мышцы расслабляются. Под действием силы тяжести грудная стенка опускается вниз, а диафрагма поднимается вверх, поскольку растянутая стенка живота давит на внутренние органы брюшной полости, а они - на диафрагму. Объем грудной полости уменьшается, легкие сдавливаются, давление воздуха в альвеолах становится выше атмосферного, и часть его выходит наружу. Все это происходит при спокойном дыхании.
Вопрос 3. Как работает дыхательный центр?
Дыхательный центр расположен в продолговатом мозге. Он состоит из центров вдоха и выдоха, которые регулируют работу дыхательных мышц. Спадение легочных альвеол, которое происходит при выдохе, рефлекторно вызывает вдох, а расширение альвеол рефлекторно вызывает выдох.
На работу дыхательных центров оказывают влияние и другие центры, в том числе расположенные в коре больших полушарий. Благодаря их влиянию дыхание изменяется при разговоре и пении. Возможно также сознательно изменять ритм дыхания во время физических упражнений.
Вопрос 4. Что происходит во время кашля и чихания?
Раздражение слизистой носа пылью или неприятно пахнущим веществом вызывает кратковременную остановку дыхания и смыкание голосовой щели. Затем начинается интенсивный (форсированный) выдох. Давление воздуха нарастает, и наступает момент, когда он с силой прорывается через сомкнутые голосовые связки. Струя воздуха направляется наружу, и возникает характерный звук чихания. Вместе с воздухом и слизью выделяются наружу и раздражители слизистой оболочки.
При кашле происходит то же самое, что и при чихании, только основной поток воздуха выходит через рот. Причиной кашля может быть раздражение слизистой оболочки легких, бронхов, трахеи, гортани, а также плевры. Таким образом, чихание и кашель имеют защитный характер.
Вопрос 5. Как осуществляется гуморальная регуляция дыхания?
При мышечной работе усиливаются процессы окисления. Следовательно, в кровь выделяется больше углекислого газа. Когда кровь с избытком углекислого газа доходит до дыхательного центра и начинает его раздражать, активность центра повышается. Человек начинает глубоко дышать. В итоге избыток углекислого газа удаляется, а недостаток кислорода восполняется. Если концентрация углекислого газа в крови понижается, работа дыхательного центра тормозится и наступает непроизвольная задержка дыхания. Благодаря нервной и гуморальной регуляциям в любых условиях концентрация углекислого газа и кислорода в крови поддерживается на определенном уровне.
Вопрос 6. В чем вред курения?
Наркогенные вещества, к которым принадлежит и никотин, содержащийся в табаке, включаются в обмен веществ и вмешиваются в нервную и гуморальную регуляции, нарушая и ту и другую. Кроме того, вещества табачного дыма раздражают слизистую оболочку дыхательных путей, что ведет к увеличению выделяемой ею слизи. Поэтому у курящих людей бывает кашель: легкие защищаются от вредного воздействия курения.
Вопрос 7. Важно ли знать, чем мы дышим?
Очень важно знать, чем мы дышим. Даже в очень душной комнате содержание кислорода снижается незначительно, но концентрация углекислого газа растет быстро. При этом неблагоприятно действует на организм не только он, но и табачный дым, и водочный перегар, и другие вредные вещества. Поэтому пребывание в душном помещении ведет к головной боли, вялости, снижению работоспособности.
Там, где используют печное отопление, в воздухе может оказаться примесь окиси углерода (СО) - угарного газа, который чрезвычайно ядовит. Он легко образует с гемоглобином крови прочное соединение - карбоксигемоглобин. Захватившие угарный газ молекулы гемоглобина надолго лишаются возможности переносить кислород из легких в ткани. Возникает недостаток кислорода в крови и тканях, что отражается на работе головного мозга и других органов.
Вопросы в конце параграфа.
Вопрос 1. Почему вентиляция легких возможна только при условии, когда полости, в которых находятся легкие, герметически замкнуты, в плевральной полости поддерживается давление ниже атмосферного?
Благодаря эластичности легких, герметичной замкнутости плевральной полости и наличия в ней давления ниже атмосферного, легкие следуют за движущимися стенками грудной клетки и пассивно растягиваются. Давление воздуха в альвеолах легких становится меньше атмосферного, что приводит к движению воздуха из окружающей среды в легкие - происходит вдох. Если происходит разгерметизация плевральной полости, легкие теряют связь с плеврой и возможность расширяться вслед за грудной клеткой - спадаются.
Вопрос 2 Почему при ранении, когда рана достигает плевральной полости, воздух со свистом врывается внутрь, легкое спадается и функционировать не может?
При ранении, когда рана достигает плевральной полости, легкое спадается, так как давление в плевральной полости сравнивается с атмосферным и сила, удерживающая легкое в прижатом к плевральной полости (и грудной клетке) положении, пропадает.
Вопрос 3. Почему неповрежденное легкое может работать несмотря на то, что второе легкое выведено из строя?
Это происходит из-за того, что каждое легкое изолированно друг от друга.
Вопрос 4. Где находится дыхательный центр?
Дыхательный центр находится в продолговатом мозге.
Вопрос 5. Почему вдох сменяет выдох?
Спадение легочных альвеол при выдохе рефлекторно вызывает вдох, а расширение альвеол рефлекторно вызывает выдох. Осуществляется также гуморальная регуляция дыхания. Активность дыхательного центра повышается при увеличении концентрации углекислого газа в крови.
Вопрос 6. Какова роль кашля и чихания?
Чихание и кашель носят защитный характер, при которых вместе с воздухом и слизью наружу выделяются раздражители слизистой оболочки дыхательных путей.
Вопрос 7. Как изменяется воздух в помещении при большом скоплении людей и плохой вентиляции?
В таких условиях в помещениях происходит снижение содержания кислорода и быстрый рост концентрации углекислого газа.
Вопрос 8. Какие меры первой помощи необходимо осуществить при отравлении угарным или бытовым газом?
При отравлении угарным или бытовым газом пострадавшего необходимо вывести на свежий воздух и заставить дышать глубже. Можно дать ему понюхать нашатырный спирт, затем напоить чаем. При потере сознания или остановке дыхания - сделать искусственное дыхание.
Вопрос 9. При поражении угарным газом в крови образуется карбоксигемоглобин. Каковы его свойства и почему угарный газ так опасен?
Угарный газ (CO) образует с гемоглобином довольно стойкое соединение - карбоксигемоглобин. В результате молекулы гемоглобина оказываются занятыми и не могут переносить кислород, что приводит к кислородному голоданию тканей. Особенно чувствительны к дефициту кислорода клетки мозга.
Длительное пребывание в атмосфере угарного газа приводит к смерти.
Вопрос 10. В чем вредное действие пыли?
Пыль может механически травмировать стенки легочных пузырьков, воздухоносных путей, вызывать аллергию, затруднять газообмен. На пылинках оседают микробы, вирусы, вызывающие инфекционные заболевания. Также пыль может вызвать и химические отравления, если она содержит частички свинца, никеля, хрома.
Вопрос 11. Каковы источники загрязнения атмосферного воздуха?
К основным источникам загрязнения можно отнести выхлопы автомобильного транспорта, промышленные выбросы газов, вредных химических веществ, использование ядохимикатов, минеральных удобрений в сельском хозяйстве и др.
Смена газового состава в легких, или вентиляция легких, происходит за счет работы дыхательных мышц. Дыхательный акт состоит из вдоха, выдоха и паузы.
В продолговатом мозгу расположен так называемый дыхательный центр, из которого периодически поступают команды к дыхательным мышцам. Это центральное нервное образование, составленное из функционально разных нервных клеток, обеспечивает работу дыхательной системы в непроизвольном автоматическом режиме (поэтому обыкновенно мы не замечаем собственного дыхания). Дыхательный центр определяет порядок включения, силу и продолжительность сокращения различных мышц в зависимости от газообменной потребности организма. Залпы возбуждающих импульсов передаются из дыхательного центра по диафрагмальному нерву к диафрагме и по межреберным нервам — к межреберным мышцам.
Вдыхательные мышцы
При вдохе, согласно команде дыхательного центра, сокращаются основная вдыхательная мышца — диафрагма и наружные межреберные мышцы. В результате сокращения вдыхательных мышц купол диафрагмы уплощается и опускается, а ребра поднимаются, ввиду чего увеличивается объем грудной клетки. Плевральная полость, повторяем, герметична, и давление в ней отрицательное по отношению к атмосферному. Поэтому легкие пассивно расправляются в грудной полости и под действием силы атмосферного давления через воздухоносные пути наполняются воздухом. Так происходит вдох.
Вдыхательные мышцы преодолевают ряд сопротивлений, главнейшее из которых — эластическое сопротивление реберных хрящей и самой легочной ткани, масса приподнимаемой грудной клетки и сопротивление брюшных внутренностей и стенок живота, оттесняемых диафрагмой при ее уплощении во время сокращения.
Когда вдох окончен и вдыхательные мышцы расслабляются, суммарное действие перечисленных сопротивлений возвращает грудную клетку в исходное положение: ребра в силу упругости их соединений опускаются, диафрагма выпячивается вверх. В результате уменьшается объем грудной клетки и соответственно — объем легких. Причем избыток воздуха, вошедшего при вдохе, выталкивается наружу. Так в спокойном состоянии пассивно, без активного участия дыхательных мышц осуществляется выдох.
После выдоха наступает пауза, затем дыхательный цикл повторяется. И так всю жизнь. От первого до последнего вдоха… При произвольном стремлении изменить дыхательные движения, например, задержать дыхание при нырянии или согласовать ритм спортивных движении с дыхательными участвуют высшие отделы головного мозга, контролирующие работу всех мышц тела.
Обмен газов между атмосферным воздухом и воздухом, находящимся в альвеолах, происходит благодаря ритмическому чередованию актов вдоха и выдоха. В легких нет мышечной ткани, и поэтому активно они сокращаться не могут. Активная роль в акте вдоха и выдоха принадлежит дыхательным мышцам. При параличе дыхательных мышц дыхание становится невозможным, хотя органы дыхания при этом не поражены.
Акт вдоха, или инспирация – активный процесс, который обеспечивается увеличением объема грудной полости. Акт выдоха, или экспирация – пассивный процесс, происходящий в результате уменьшения объема грудной полости. Фазы вдоха и следующего за ним выдоха составляют дыхательный цикл . Во время вдоха атмосферный воздух через воздухоносные пути поступает в легкие, при выдохе часть воздуха покидает их.
В осуществлении вдоха принимают участие наружные косые межреберные мышцы и диафрагма (рис. 18). При сокращении наружных косых межреберных мышц, которые идут сверху вперед и вниз, ребра поднимаются, и при этом увеличивается объем грудной полости за счет смещения грудины вперед и отхождения боковых частей ребер в стороны. Диафрагма, сокращаясь, занимает более плоское положение. При этом несжимаемые органы брюшной полости оттесняются вниз и в стороны, растягивая стенки брюшной полости. При спокойном вдохе купол диафрагмы спускается приблизительно на 1,5 см, соответственно увеличивается вертикальный размер грудной полости.
При очень глубоком дыхании в акте вдоха участвует ряд вспомогательных дыхательных мышц: лестничные, большая и малая грудные, передняя зубчатая, трапециевидная, ромбовидные, поднимающая лопатку.
Легкие и стенка грудной полости покрыты серозной оболочкой – плеврой, между листками которой имеется узкая щель – плевральная полость, содержащая серозную жидкость. Легкие постоянно находятся в растянутом состоянии, потому что давление в плевральной полости отрицательное. Оно обусловлено эластической тягой легких, т. е. постоянным стремлением легких уменьшить свой объем. В конце спокойного выдоха, когда почти все дыхательные мышцы расслаблены, давление в плевральной полости приблизительно равно -3 мм рт. ст., т. е. ниже атмосферного.
Рис. 18. Мышцы, обеспечивающие вдох и выдох
При вдохе вследствие сокращения дыхательных мышц объем грудной полости увеличивается. Давление в плевральной полости становится более отрицательным. К концу спокойного вдоха оно снижается до -6 мм рт. ст. В момент глубокого вдоха оно может достигать -30 мм рт. ст. Легкие расширяются, их объем увеличивается, и в них засасывается воздух.
У разных людей преимущественное значение в осуществлении акта вдоха могут иметь межреберные мышцы или диафрагма. Поэтому говорят о разных типах дыхания: грудном, или реберном и брюшном, или диафрагмальном. Установлено, что у женщин в основном преобладает грудной тип дыхания, а у мужчин – брюшной.
При спокойном дыхании выдох осуществляется за счет эластической энергии, накопленной во время предшествующего вдоха. Когда дыхательные мышцы расслабляются, ребра пассивно возвращаются в исходное положение. Прекращение сокращения диафрагмы приводит к тому, что она занимает свое прежнее куполообразное положение за счет давления на нее со стороны органов брюшной полости. Возвращение ребер и диафрагмы в исходное положение приводят к уменьшению объема грудной полости, а, следовательно, к уменьшению в ней давления. Одновременно при возвращении ребер в исходное положение давление в плевральной полости повышается, т. е. в ней уменьшается отрицательное давление. Все эти процессы, обеспечивающие повышение давления в грудной и плевральной полости, приводят к тому, что легкие сдавливаются, и из них пассивно выходит воздух – осуществляется выдох.
Усиленный выдох является активным процессом. В его осуществлении принимают участие: внутренние межреберные мышцы, волокна которых идут в противоположном направлении по сравнению с наружными: снизу вверх и вперед. При их сокращении ребра опускаются вниз, и объем грудной полости уменьшается. Усиленному выдоху способствует также сокращение мышц брюшного пресса, в результате чего объем брюшной полости уменьшается и повышается в ней давление, которое через органы брюшной полости передается на диафрагму и поднимает ее. Наконец, мышцы пояса верхних конечностей, сокращаясь, сдавливают в верхней части грудную клетку и уменьшают ее объем.
В результате уменьшения объема грудной полости в ней увеличивается давление, вследствие чего воздух выталкивается из легких – происходит активный выдох. На вершине выдоха давление в легких может быть больше атмосферного на 3 – 4 мм рт. ст.
Акты вдоха и выдоха ритмически сменяют друг друга. Взрослый человек делает 15 – 20 циклов в минуту. Дыхание физически тренированных людей более редкое (до 8 – 12 циклов в минуту) и глубокое.
Без дыхания человек не проживет и семи минут. Это самая важная функция организма, хотя мы не прилагаем особых усилий для её осуществления. Как работает механизм вдоха и выдоха? Какие органы и системы он задействует?
Дыхание человека
Для жизни нам необходим кислород. Это ключевой элемент дыхания, который обеспечивает обмен веществ и энергии в организме. Он попадает в легкие в газообразном состоянии вместе с воздухом, распространяясь по всему телу, где окисляется и выводится из организма тем же путем.
Механизм дыхания - вдох-выдох - работает непрерывно. В минуту человек делает примерно 14 таких движений, у грудных детей число возрастает до 50. Дыхание человека является одним из немногих процессов, который может управляться осознанно и неосознанно.
Небольшим усилием воли мы можем регулировать его частоту и длительность, а если понадобится, и вовсе задержать его на несколько секунд. Такое умение необходимо человеку, например, во время плавания. Слишком долго задерживать дыхания мы не способны, мозг без кислорода отмирает в течение пяти-семи минут.
Механизм вдоха и выдоха
Живые существа обладают различными способами и механизмами дыхания. Некоторые используют всю поверхность тела, другие - жабры, третьи обладают легкими. У человека существует внутреннее тканевое и внешнее легочное дыхание. Тканевое представляет потребление кислорода клетками внутренних органов.
Легочное дыхание осуществляется в два этапа: газообмен с альвеолами, а затем с кровью. Воздух из атмосферы, насыщенный кислородом, проходит через носоглотку, гортань, трахеобронхиальное дерево и попадает в легочные альвеолы.
Они отдают атмосферный воздух в кровь, которая разносит его ко всем органам по сосудам. Из крови в альвеолы попадает воздух, насыщенный углекислым газом, который выводится из организма вместе с выдохом.
Механизм вдоха и выдоха обеспечивает вентиляцию альвеол. Осуществляется он при помощи дыхательной мускулатуры, которая расширяет грудную клетку, позволяя набирать в легкие до 7 литров воздуха в минуту. Увеличение происходит путем поднятия ребер (чаще у женщин) или за счет уплощения диафрагмы (у мужчин, а также при физических нагрузках).
Верхние дыхательные пути
Значение не одинаково, у каждого из них есть свои функции. человека включает и собственно дыхательные органы. Верхние пути представлены носовой полостью, носоглоткой, ротоглоткой и частично ротовой полостью.
Внутренняя часть носовой полости покрыта слизистой оболочкой и волосками. Она выступает фильтром, основная задача которого - не допускать попадание пыли, грязи и микробов в организм. Здесь воздух согревается и увлажняется.
Двумя каналами ноздрей полость соединяется с носоглоткой. Она, в свою очередь, соединена с евстахиевой трубой, отвечающей за выравнивание давления.
В ротоглотке скрещиваются дыхательные и пищевые пути. Она ограничивается задней и боковыми стенками ротовой полости и отвечает за четкое произношение. Во время еды и говорения мягкое небо поднимается, препятствуя попаданию пищи и воздуха в носоглотку.
Нижние дыхательные пути
Глотка проводит воздух к гортани. Именно от неё начинаются нижние дыхательные пути. Гортань образована парными и непарными хрящами, соединенными между собой связками и мышцами. Сокращением мышц изменяется форма голосовой щели и натяженность связок, в результате чего формируются звуки.
Гортань соединяется с трубкой до 15 сантиметров в длину - трахеей. Её конец раздваивается, переходя в бронхи. Главной является пропускание воздуха в легкие и обратно. Она подвижна и состоит из хрящей, поэтому воздух проходит через неё при любых поворотах шеи.
Бронхи являются парным органом и входят в легкие. Левый бронх тоньше правого, правый расположен более вертикально. Они образованы хрящевыми кольцами и гладкими мышцами, внутри покрыты слизистой оболочкой.
Каждый из них имеет разветвления - в правом их одиннадцать, в левом десять. Лимфатические узлы на разветвлениях переносят лимфу с тканей легких, кровь переносится по из грудной аорты.
Легкие
Легкие иногда относят к нижним дыхательным путям. Они находятся в грудной полости с левой и правой стороны сердца, а их основание расположено на диафрагме. Снаружи легкие покрыты плеврой и плевральным мешком. Между ними находится смазочная жидкость, которая предотвращает трение.
Легкие состоят из нескольких сегментов (правое из трех, левое из двух), которые делятся на десять более мелких долей. Внутри них расположены бронхи, которые, в свою очередь, разделяются на мелкие бронхиолы, ацинусы, и заканчиваются альвеолярными мешочками.
Мешочки представляют многочисленные альвеолы - шаровидные образования, оплетенные капиллярами. У взрослого человека их количество составляет около 700 миллионов. Они отвечают за газообмен.
От них в кровеносные сосуды поступает воздух, насыщенный кислородом. Кровь по артериям движется прямо к сердцу, а по пути разносится по всем тканям и органам. Взамен они отдают кровь, насыщенную углекислым газом, которая по венам возвращается к альвеолам, чтобы выйти через легкие, бронхи, трахею, глотку назад в атмосферу.
Осуществление дыхания
Механизм вдоха и выдоха контролируется центром между задним и продолговатым мозгом. Рецепторы, регулирующие процесс дыхания, расположены на стенках бронхов. Движение воздуха осуществляется также за счет разницы давления: при вдохе оно ниже атмосферного, а при выдохе - наоборот.
Легкие способны пропустить до 5 тысяч миллилитров воздуха при вдохе и выдохе. Но при обычном дыхании объем составляет все лишь 500 миллилитров. Максимальный вдох может составить приблизительно 2500 мл.
Человек не выдыхает абсолютно весь воздух. Часть его задерживается в альвеолах, чтобы соотношение кислорода и углекислого газа придерживалось одного уровня. Это функциональная остаточная емкость легких.
В процессе дыхания участвуют различные группы мышц, в зависимости от занятий человека. Диафрагма участвует во время спортивных тренировок или физических нагрузок, когда напрягается область живота. В спокойном состоянии большая роль отводится межреберным мышцам.
