Что отвечает за газообмен
Как работает дыхательная система? Просто о сложном
Эволюционно сложилось так, что для жизнедеятельности человека необходим кислород. Как доставить его к органам и тканям? Сегодня говорим о дыхательной системе и особенностях её функционирования.
Как всё устроено?
Воздух попадает в легкие не сам по себе, туда его необходимо «втянуть», что и происходит в процессе вдоха. В этом участвуют диафрагма, наружные межреберные и межхрящевые мышцы. Во время вдоха диафрагма несколько уплощается, грудная клетка расширяется, что обеспечивается поступательное движение воздуха в дыхательные пути и легкие.
Определенную роль в процессе дыхания играет отрицательное внутриплевральное давление.
Процесс дыхания человека сложен и регулируется различными способами. Рассмотрим некоторые из них.
Частота и глубина дыхания зависит от интенсивности процессов окисления, происходящих в организме. Физическая нагрузка приводит к увеличению поглощения кислорода и повышению концентрации в тканях и крови углекислого газа. Последний через кровь активирует работу дыхательного центра, и, как следствие, усиливается сокращение дыхательных мышц. Это позволяет быстрее удалить избыток углекислого газа и восполнить недостаток кислорода.
Не на пользу телу: что вредит нашей дыхательной системе?
На любой из этих параметров могут воздействовать изменения окружающей среды.
Чистота. Пыль различного происхождения, выхлопные газы автомобилей, выбросы вредных веществ в атмосферу, табачный дым, шерсть животных, пыльца растений. Список можно было бы продолжить.
Увлажненность. Наверняка многим знакомо чувство сухости и першения в горле в помещениях в зимнее время года, особенно поутру. Причина до банальности проста: отопление в квартирах и домах пересушивает воздух, который затем сушит слизистые оболочки дыхательных путей. В результате повышается восприимчивость их к инфекции.
Читайте материал по теме: Чем отличаются ОРВИ и ОРЗ?
Низкая температура. Дышать через нос, а не через рот, советуют не просто так: помимо очищения и увлажнения, слизистая носовой полости согревает проходящий транзитом воздух.
Когда дышать тяжело. Что говорит статистика?
Пневмония, острый ларингит, трахеит и бронхит. По данным министерства здравоохранения РФ наиболее распространенные заболевания среди взрослых связаны с дыхательной системой.
Сохраняют актуальность бронхиальная астма, хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ), рак и туберкулез легких.
Сколько воздуха в день вдыхает человек?
Сколько человек может не дышать?
Ответ на этот вопрос зависит от многих факторов. Находится ли человек в покое или двигается? Какова температура окружающей среды? И т.д.
Что будет, если часто задерживать дыхание?
Исходя из описанного выше, в зависимости от частоты и длительности задержек в организме может постепенно накапливаться углекислый газ. При выходе его за границы нормы и сравнительно длительном сохранении этого состояния возможны пагубные влияния на здоровье.
Обычно после ощутимой задержки дыхания и закономерном повышении уровня углекислоты отмечается углубление дыхания: организм удаляет ее избыток и стремится получить кислород.
Лечебное дыхание
На пользу стройности
Можно ли похудеть, употребляя супы? Рассказывает врач-терапевт и диетолог «Клиника Эксперт Ставрополь» Мальцева Валентина Сергеевна
Мнения ученых по поводу снижения веса с помощью только дыхательных упражнения противоречивы. Кроме того, необходимо помнить, что слишком глубокие вдохи и выдохи могут нарушить равновесие между кислородом и углекислым газом. Это может вызвать головокружение, а у кого-то и обморок.
Поэтому перед началом такой практики необходимо посоветоваться с врачом, в том числе и особенно если имеются какие-то проблемы со здоровьем.
Вдох, выдох, покой
Взволнованы? Понервничали? «Нужно сделать глубокий вдох и успокоиться». Знакомая мысль? А может кто-то давал вам такой совет.
Как оказалось, эта техника не только «работает», но и имеет под собой материальную основу. Ученым удалось установить (правда, пока на мышах), что в головном мозге имеются нервные клетки, связанные как с областями, регулирующими дыхание, так и анализирующими психологическое состояние.
Схема работает примерно так. Когда организм эмоционально возбуждается, обнаруженные клетки передают сигналы на нейроны, учащающие дыхание. Однако, как оказалось, работает система и в обратном направлении. Иными словами, если начать дышать чаще, то мозг может возбуждаться. Отсюда напрашивается вывод, почему глубокое замедленное дыхание может успокаивать.
Как дышать, чтобы быстро уснуть?
Существует методика, основанная на практиках йогов. Разработал ее доктор Эндрю Уейл (Andrew Weil). Техника называется «4-7-8» и выполняется следующим образом:
— поместите кончик языка на слизистую оболочку сразу за верхними передними зубами (с внутренней стороны) и держите его там на протяжении всего упражнения;
— полностью выдохните через рот со свистящим звуком;
— закройте рот и спокойно вдохните через нос, досчитав про себя до четырех;
— задержите дыхание, посчитав мысленно до семи;
— полностью выдохните через рот, издавая свистящий звук, посчитав до восьми.
Это одно дыхание. Теперь повторите цикл еще три раза.
Если вам сложно задерживать дыхание, вы можете ускорить упражнение, но придерживайтесь соотношения 4:7:8 для трех фаз. Выполняйте упражнение дважды в день.
Метод относится к альтернативным методам лечения и, возможно, не проверялся с точки зрения принципов доказательной медицины.
Сохраняем здоровье
Важна профилактика респираторных инфекций, а также своевременное лечение любых заболеваний органов дыхания.
Необходимо обязательно проходить плановые диспансеризации и профосмотры с выполнением флюорографии с частотой, предусмотренной ими.
Текст: Энвер Алиев
За что отвечают легкие кроме дыхания?
Долгое время считалось, что роль легких ограничивается только дыхательной функцией. Сегодня уже известно, что спектр «обязанностей» этих важнейших органов чрезвычайно широк
Связь с внешним миром
Легкие обеспечивают связь между окружающей средой и организмом. Здесь осуществляется газообмен между воздухом, находящимся в альвеолах, и кровью, протекающей по легочным капиллярам. Полная емкость легких составляет приблизительно 5000 мл, а после спокойного выдоха в них остается примерно 3000 мл. Максимально глубокий вдох составляет около 2000 мл, а обычный — 400–500 мл. Эти показатели значительно варьируют у разных индивидов.
При вдохе давление в легких ниже атмосферного, а при выдохе — выше, что дает возможность воздуху проникать извне. Рецепторы, с помощью которых происходит регуляция дыхания, располагаются в крупных артериях — в области дуги аорты и общей сонной артерии. Хеморецепторы реагируют на концентрацию углерода диоксида и, в меньшей степени, кислорода.
На стенках бронхов расположены барорецепторы, реагирующие на давление. Дыхание регулируется скоплениями нервных клеток в стволе головного мозга (продолговатый мозг и мост). Легкие — органы воздушного дыхания у человека, обеспечивающие кислородом все органы и ткани.
Розовые, как в детстве
У детей ткань легких бледно-розового цвета, а у взрослых она постепенно темнеет за счет вдыхаемых частиц пыли, которые откладываются в соединительной ткани. Следует обратить внимание, что, в отличие от большинства других частей организма, вены легких несут красную, обогащенную кислородом кровь, а артерии — темную кровь, насыщенную углекислотой. Легкие обильно снабжены нервами и лимфатическими сосудами. Венозная кровь из вен печени присоединяется к нижней полой вене около правой половины сердца, принося печеночные метаболиты непосредственно к легким. Вместе с кровью сюда поступает множество метаболически активных веществ и не менее значимый объем таких соединений выделяется легкими.
Помимо своей основной функции газообмена, легкие играют большую роль в защите организма
Альвеолы
Воздух доставляется через трахеобронхиальное дерево, начинающееся с трахеи и далее разветвляющееся на главные, долевые, сегментарные и дольковые бронхи, концевые бронхиолы, альвеолярные бронхиолы и альвеолярные ходы. Только около 2⁄3 дыхательного объема достигает альвеол. Они состоят из соединительной ткани и эластичных волокон, выстланы тонким прозрачным эпителием и оплетены сетью кровеносных капилляров.
В альвеолах происходит газообмен между кровью и атмосферным воздухом. При этом кислород и углекислый газ проходят в процессе диффузии путь от эритроцита крови до альвеолы. Общая площадь внутренней поверхности альвеол меняется между выдохом и вдохом от 40 до 120 м².
Сурфактантная система легких
При выдохе алвеолы легких не слипаются благодаря сурфактанту, который регулирует поверхностное натяжение альвеолярного слоя. Его основу составляют фосфолипиды, холестерол, белки и другие вещества. Кроме расправления альвеол, сурфактант выполняет бактерицидную и иммуномодулирующую функцию, а также стимулирует активность альвеолярных макрофагов. Он формирует противоотечный барьер, который предупреждает проникновение жидкости в просвет альвеол из интерстиция.
Сурфактант помогает легким всасывать и усваивать кислород. Это вещество секретируется из компонентов плазмы крови, а при его недостатке развивается отек и происходит ателектазирование легких.
Сурфактантная система легких не развита у недоношенных детей и может нарушаться у взрослых при ряде критических состояний вследствие тяжких травм, воспалительных процессов и др. (т.н. острый респираторный дистресс-синдром).
Недыхательные функции легких
Помимо своей основной функции газообмена, легкие играют большую роль в защите организма. Они обеспечивают очистку воздуха и крови от вредных примесей, осуществляют детоксикацию, ингибирование и депонирование многих биологически активных веществ.
Легкие участвуют во всех видах обмена, регулируют водный баланс, синтезируют поверхностно-активные вещества, а также являются своеобразным воздушным и биологическим фильтром. Они изменяют pH крови, облегчая изменения в парциальном давлении углекислого газа. Легкие служат резервуаром крови в организме.
Объем крови в легких составляет приблизительно 450 мл, что в среднем занимает около 9% общего объема крови всей системы кровообращения. Это количество легко может изменяться в два раза в ту или иную сторону от нормального объема. Потеря крови из большого круга кровообращения при кровотечении может быть частично компенсирована выбросом крови из легких в кровеносную систему.
Легкие служат для амортизации сердца, предохраняя его от ударов, обеспечивают воздушный поток для создания звуков голоса. Кроме того, они выполняют фибринолитическую и антикоагулянтную, кондиционирующую и выделительную функции.
Обмен жидкости и тепла
В легких происходит не только газообмен, но и обмен жидкости. Известно, что из легких за сутки выделяется в среднем около 400–500 мл жидкости. При гипергидратации и повышенной температуре тела эти потери возрастают.
Легочные альвеолы играют роль своеобразного коллоидно-осмотического барьера, и при снижении давления плазмы жидкость может выходить из 
сосудистого русла, приводя к отеку легких. Эпителий легких снабжен большим количеством рецепторов и мембранных белков, играющих важную роль в абсорбции жидкости из легких после родов, травмы легких или воспалительных заболеваний этого органа.
Легкие выполняют теплообменную функцию, являются своеобразным кондиционером, увлажняющим и согревающим дыхательную смесь. Терморегуляция осуществляется за счет испарения воды с поверхности альвеол в выдыхаемый воздух. Тепловое и жидкостное кондиционирование воздуха осуществляется не только в верхних дыхательных путях, но доходит до дистальных бронхов.
Система защиты
В системе защиты, осуществляемой легкими, выделяют несколько звеньев: мукоцилиарное, клеточное и гуморальное. Вдыхаемый воздух очищается в дыхательных путях и альвеолах от всевозможных примесей физической, химической и биологической природы.
Обезвреживание и удаление повреждающих агентов из дыхательных путей обеспечивается мукоцилиарной системой: реснитчатым эпителием, покрывающим слизистую оболочку дыхательных путей, а также слизистыми и серозными железами.
Мерцательный эпителий бронхов является важной системой защиты от инфекций, передающихся воздушно-капельным путем. Частицы пыли и бактерии во вдыхаемом воздухе попадают в слизистый слой и перемещаются вверх к глотке с помощью мерцательных движений ресничек. Слизь бронхов содержит гликопротеины, обладающие антимикробным действием, такие, как муцин, лактоферрин, лизоцим, лактопероксидаза. Важнейшим механизмом самоочищения служит кашлевой рефлекс, обеспечивающий механическое удаление путем откашливания лишних примесей и мокроты.
Очистка воздуха на уровне альвеол осуществляется с помощью альвеолярных макрофагов, которые вступают в контакт с веществами воздуха и крови, не только фагоцитируя их, но и модулируя многие иммунные процессы и участвуя в воспалительных реакциях.
Среди факторов гуморального звена легких большое значение имеют иммуноглобулины IgA, IgG, IgE, IgM. Они нейтрализуют токсины и вирусы, воздействуют на микроорганизмы и повышают эффективность мукоцилиарного транспорта.
Очистка крови и детоксикация
В отличие от артериальной, притекающая в легкие венозная кровь содержит частицы, состоящие из конгломератов клеток, фибрина, микроэмболов жира и эритроцитных взвесей. Эти вещества в избытке поступают из разрушенных тканей при травме, операции или шоке.
В легких происходит механическая задержка частиц, не проходящих через легочные капилляры. Эти частицы подвергаются метаболизму при помощи различных ферментных систем. Наиболее важной является смешанная оксидазная система, которая посредством гидроксилирования превращает вредные, нерастворимые в липидах вещества в неактивные — водорастворимые.
При избыточном поступлении продуктов белкового распада и жиров в легких происходят их расщепление и гидролиз. При прохождении через легкие из кровотока исчезают аденилнуклеотиды, образующиеся при синдроме раздавливания. Детоксикационным системам легких принадлежит особо важная роль при токсемии: септическом, ожоговом шоке, перитоните и различных видах экзогенных интоксикаций.
Эндокринные свойства
Легкие — это гигантский эндокринный орган. В них метаболизируется, модифицируется, деградирует и активируется много веществ, поступающих из системного кровотока. В легких содержится более 40 типов различных клеток, однако альвеолоциты I и II типа, альвеолярные макрофаги и клетки Клара обнаружены только в них. Здесь синтезируется большое количество гормонов, которые действуют как в пределах легких, так и на клетки и ткани других органов и систем организма.
К эндокринным продуктам легких относятся: биогенные амины, арахидоновая кислота и другие метаболиты фосфолипидов мембран клеток, а также пептиды. Поскольку легкие обладают единым капиллярным руслом, через которое в нормальных условиях проходит весь объем циркулирующей крови, этот орган идеально подходит для регуляции выработки вазоактивных веществ. Бóльшая их часть (серотонин, АТФ, простагландины) инактивируется или удаляется из кровотока при однократном прохождении крови через легкие. При этом норадреналин и гистамин подвергаются только умеренным изменениям в легких. Таким путем легкие защищают организм от эндогенной интоксикации и действия вазоактивных веществ.
Физиология дыхания человека
Атмосфера Земли состоит на 99,9% из воздуха, водяного пара, природных (действие вулканов) и промышленных газов, твердых частиц. В результате природных факторов Земли и процессов жизнедеятельности человека, состав атмосферы в том или ином регионе планеты может подвергаться незначительным изменениям. Одной из главных составных частей атмосферы является воздух. Воздух представляет собой смесь газов, основными компонентами которого являются: Азот (N2) – 78%; Кислород (О2) – 21%; Углекислый газ (СО2) – 0,03%; Инертные газы и другие вещества – до 1%. В воздухе также присутствуют в незначительном количестве водород, оксид азота, озон, сероводород, водяной пар, инертные газы: аргон, неон, гелий, аргон, криптон, ксенон, радон, а также пыль и микроорганизмы.
Общая информация о физиологии дыхания человека
Поступление в организм кислорода и удаление углекислого газа обеспечивает дыхательная система человека.
Транспорт газов и других необходимых организму веществ обеспечивается с помощью кровеносной системы.
Обмен О2 и CO2 между организмом и окружающей средой осуществляется благодаря ряду последовательных процессов:
Легочная вентиляция – обмен газами между окружающей средой и легкими.
Легочное дыхание – обмен газами между альвеолами легких и кровью.
Внутреннее (тканевое) дыхание – обмен газами между кровью и тканями тела.
Дыхательная система – совокупность органов и тканей, обеспечивающих легочную вентиляцию и легочное дыхание. Дыхательная система состоит из воздухоносных путей и собственно легких.
Воздухоносные пути включают в себя:
Воздух вдыхает человек, он попадает в нос и носовую полость. В носовой полости находятся обонятельные рецепторы, с помощью которых мы различаем запахи. Также в носовой полости есть волосы, предназначенное для задержки частиц пыли, поступающего вместе с воздухом из атмосферы.
Воздух, проходя через нос и носовую полость попадает в носоглотку. Носоглотка покрыта слизистой оболочкой, обогащенной кровеносными сосудами, благодаря чему осуществляется нагрев и увлажнение воздуха.
Трахея начинается у нижнего конца гортани и спускается в грудную полость где делится на левую и правую бронхи. Входя в легкие бронхи постепенно делятся на все более мелкие трубки – бронхиолы, маленькие из которых и является последним элементом воздухоносных путей.
Наименьший структурный элемент легкого – долька, которая состоит из конечной бронхиолы и альвеолярного мешочка. Стенки легочной бронхиолы и альвеолярного мешочка образуют альвеолы.
Легкие (легочные дольки) состоят: конечные бронхиолы; альвеолярные мешочки; легочные артерии; капилляры; вены легочного круга кровообращения.
Воздух, проходя через бронхи и бронхиолы, заполняет большое количество альвеол – легочных пузырьков, в которых осуществляется газообмен между кровью и альвеолярным воздухом. Стенки альвеол состоят из тонкой пленки, которая вмещает большое количество эластичных волокон.
Процесс газообмена при дыхании
Сущность процесса газообмена заключается в переходе кислорода из альвеолярного воздуха в венозную кровь, которая циркулирует по легочных капиллярах (поглощение кислорода), и в переходе углекислого газа из венозной крови в альвеолярный воздух (выделение углекислого газа).
Этот обмен проходит через тонкие стенки легочных капилляров по законам диффузии, вследствие разности парциальных давлений газов в альвеолах и крови.
Обогащенная кислородом кровь из легких разносится по всей кровеносной системе, отдавая для обогащения тканям кислород и забирая от них углекислый газ. Кислород, поступающий в кровь, доставляется во все клетки организма. В клетках происходят важные для жизни окислительные процессы. Отдавая кислород клеткам, кровь захватывает углекислоту и доставляет их в альвеолы. Этот процесс и является внутренним, или тканевым дыханием.
Основные параметры процесса дыхания
Основным параметрами, характеризующими процесс дыхания человека, являются:
жизненная емкость легких;
мертвое пространство органов дыхания;
доза потребления кислорода.
Жизненная емкость легких – это максимальное количество воздуха (л), которую может вдохнуть человек после максимально глубокого выдоха. Этот показатель измеряется прибором, который называется спирометр. Нормальная жизненная емкость легких взрослого человека – примерно 3,5 л.
У тренированного человека, занимающегося спортом, жизненная емкость легких составляет 4,7-5 л.
Общий объем легких человека состоит из жизненной емкости и остаточного объема. Остаточный объем, это количество воздуха, который всегда остается в легких человека после максимального выдоха. Этот объем составляет 1,5 л и его человек никогда не может удалить из органов дыхания.
Как видно из диаграммы, после спокойного вдоха в легких человека находится 3,5 л воздуха, а после спокойного выдоха остается только 3 л воздуха. Таким образом, при дыхании в спокойном состоянии человек использует при каждом вдохе только 0,5 л воздуха, называется дыхательным.
После спокойного вдоха, при желании, человек может продлить вдох и дополнительно вдохнуть еще 1,5 л воздуха. Этот воздух называется дополнительным. После спокойного выдоха человек также может дополнительно выдохнуть из легких еще 1,5 л воздуха. Этот воздух называется запасным или резервным.
Таким образом, жизненная емкость легких состоит из суммы дыхательного, дополнительного и запасного объемов воздуха.
При конструировании изолирующих аппаратов с замкнутым циклом дыхания, в которых используются емкости для приготовления и хранения дыхательной смеси (дыхательные мешки), необходимо учитывать, что их объем должен быть не менее максимальную жизненную емкость легких человека. Поэтому в современных изолирующих аппаратах используются дыхательные мешки, которые имеют объем 4,5-5 л, из расчета, что в них могут работать хорошо физически развитые люди.
Во время выдоха не весь выдыхаемый воздух выходит из организма человека в окружающею среду. Часть воздуха остается в носовой полости, гортани, трахее и бронхах. Эта часть воздуха не участвует в процессе газообмена, и пространство, которое она занимает, называется мертвым пространством.
Воздух, находящийся в мертвом пространстве, содержит малую концентрацию кислорода и насыщенный углекислым газом. При вдохе, воздух мертвого пространства, вместе с воздухом вдыхаемого, попадает в легкие человека, вредно влияет на процесс дыхания. Поэтому мертвое пространство еще иногда называют вредным пространством. Объем мертвого пространства у взрослого человека составляет примерно 140 мл.
Каждый изолирующий аппарат также имеет своё мертвое пространство, которое в общем прилагается к мертвому пространству органов дыхания человека. Мертвое пространство изолирующих аппаратов содержат маска и дыхательные шланги. Пространство между маской и лицом спасателя (органов дыхания) называется подмасочным пространством, оно также является мертвым пространством.
Легочная вентиляция (л/мин.) – Количество воздуха, вдыхаемого человеком за одну минуту.
Частота дыхания – это количество циклов (вдох-выдох), происходящих за одну минуту. Частота дыхания является не постоянной величиной и зависит от многих факторов.
Частота дыхания в зависимости от возраста человека
В зависимости от возраста человека, частота дыхания меняется и составляет:
у только что родившихся – 60 вдохов / мин.
у годовалых младенцев – 50 вдохов / мин.
у пятилетних детей – 25 вдохов / мин.
у 15–летних подростков – 12-18 вдохов / мин.
С возрастом человека, частота дыхания значительно не изменяется. Однако следует отметить, что у физически хорошо развитого человека частота дыхания уменьшается до 6-8 вдохов / мин.
При выполнении работы с физической нагрузкой, ускоряются физико-химические процессы в организме человека и возрастает потребность в большем количестве кислорода. Согласно этому, увеличивается частота дыхания, при значительной нагрузке может достигать 40 вдохов в минуту.
Однако следует помнить, что полностью используется жизненный объем легких только при частоте дыхания 15-20 вдохов / мин. При увеличении частоты дыхания возможность использования полной емкости легких уменьшается. Дыхание становится поверхностным.
При частоте дыхания 30 вдохов / мин., Емкость легких используется только на 2/3, а при 60 вдохов / мин. всего лишь на 1/4. Количество кислорода, поглощаемого человеком из воздуха при дыхании в единицу времени, называется дозой потребления кислорода. Доза потребления кислорода человеком, величина не постоянная и зависит от частоты дыхания и легочной вентиляции.
При увеличении физической нагрузки на организм человека, увеличивается частота дыхания и легочная вентиляция. Соответственно, растет доза потребления кислорода и увеличивается концентрация углекислого газа в выдыхаемом воздухе. Интересным свойством организма является то, что при вдыхании воздуха через нос в организм попадает на 25% больше кислорода, чем при вдыхании через рот.