О строении и функциях органов дыхания

строение органов дыхания

Дыхание - самое яркое и убедительное выражение жизни. «Не дышит!», «Перестал дышать!» - общеизвестные выражения, обозначающие прекращение жизни, смерть.

Благодаря дыханию организм получает кислород и освобождается от излишков углекислоты, образующейся в результате обмена веществ. Дыхание и кровообращение обеспечивают все органы и ткани нашего тела необходимой для жизни энергией. Освобождение энергии, необходимой для жизнедеятельности организма, происходит на уровне клеток и тканей в результате биологического окисления.

При недостатке кислорода в крови в первую очередь страдают такие жизненно важные органы, как сердце и центральная нервная система. Кислородное голодание сердечной мышцы сопровождается угнетением синтеза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), являющейся основным источником энергии, необходимой для работы сердца. Мозг человека потребляет больше кислорода, чем непрерывно работающее сердце, поэтому незначительный недостаток кислорода в крови отражается на состоянии мозга.

Поддержание дыхательной функции на достаточно высоком уровне является необходимым условием сохранения здоровья и предупреждения развития преждевременного старения.

Дыхательный процесс включает несколько этапов:

1) наполнение лёгких атмосферным воздухом (вентиляция легких);

2) переход кислорода из лёгочных альвеол в кровь, протекающую через капилляры лёгких, и выделение из крови в альвеолы, а затем в атмосферу — углекислоты;

3) доставка кислорода кровью к тканям и углекислоты из тканей к лёгким;

4) потребление кислорода клетками - клеточное дыхание.

Первый этап дыхания - вентиляция лёгких - заключается в обмене вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, т.е. в наполнении лёгких атмосферным воздухом и удалении его наружу. Это осуществляется благодаря дыхательным движениям грудной клетки.

12 пар рёбер прикреплены спереди к грудине, а сзади - к позвоночнику. Они защищают органы грудной клетки (сердце, лёгкие, крупные кровеносные сосуды) от внешних повреждений, их движение - вверх и вниз, осуществляемое межрёберными мышцами, способствует вдоху и выдоху. Снизу грудная клетка герметично отделена от брюшной полости диафрагмой, которая своей выпуклостью несколько вдаётся в грудную полость. Лёгкие заполняют почти все пространство грудной клетки, за исключением ее средней части, занятой сердцем. Нижняя поверхность лёгких лежит на диафрагме, их суженные и закруглённые верхушки выступают за ключицы. Наружная выпуклая поверхность прилегает к рёбрам.

В центральную часть внутренней поверхности лёгких, соприкасающихся с сердцем, входят крупные бронхи, лёгочные артерии (несущие в лёгкие венозную кровь из правого желудочка сердца), кровеносные сосуды с артериальной кровью, питающие ткань лёгких, и нервы, иннервирующие лёгкие. Из лёгких выходят лёгочные вены, несущие в сердце артериальную кровь. Вся эта зона образует так называемые корни лёгких.

Каждое лёгкое покрыто оболочкой (плеврой). У корня лёгкого плевра переходит на внутреннюю стенку грудной полости. Поверхность плеврального мешка, в котором заключено лёгкое, почти соприкасается с поверхностью плевры, выстилающей внутреннюю сторону грудной клетки. Между ними имеется щелевидное пространство - плевральная полость, где находится небольшое количество жидкости.

Во время вдоха межрёберные мышцы поднимают и разводят ребра в стороны, нижний конец грудины отходит вперёд. Диафрагма (главная дыхательная мышца) в этот момент также сокращается, отчего ее купол становится более плоским и опускается, отодвигая брюшные органы вниз, в стороны и вперёд. Давление в плевральной полости становится отрицательным, лёгкие пассивно расширяются, и воздух через трахею и бронхи втягивается в лёгочные альвеолы. Так происходит первая фаза дыхания - вдох.

При выходе межрёберные - мышцы и диафрагма расслабляются, ребра опускаются, купол диафрагмы приподнимается. Лёгкие сдавливаются, и воздух из них как бы вытесняется наружу. После выдоха наступает короткая пауза.

Здесь необходимо отметить особую роль диафрагмы не только как главной дыхательной мышцы, но и как мышцы, активирующей кровообращение. Сокращаясь во время вдоха, диафрагма давит на желудок, печень и другие органы брюшной полости, как бы выжимая из них венозную кровь по направлению к сердцу. Во время выдоха диафрагма приподнимается, внутрибрюшное давление снижается, и это усиливает приток артериальной крови к внутренним органам брюшной полости. Таким образом, дыхательные движения диафрагмы, совершающиеся 12-18 раз в минуту, производят мягкий массаж органов брюшной полости, улучшая их кровообращение и облегчая работу сердца.

Повышение и понижение внутригрудного давления во время дыхательного цикла непосредственно отражаются и на деятельности органов, расположенных в грудной клетке. Так, присасывающая сила отрицательного давления в плевральной полости развивается во время вдоха и облегчает приток крови из верхней и нижней полых вен и из лёгочной вены к сердцу. Кроме того, снижение внутригрудного давления но время вдоха способствует более значительному расширению просвета венечных артерий сердца в период его расслабления и отдыха (во время диастолы и паузы), в связи с чем улучшается питание сердечной мышцы. Из сказанного ясно, что при поверхностном дыхании ухудшается не только вентиляция лёгких, но и условия работы и функциональное состояние сердечной мышцы.

Когда человек находится в покое, в акте дыхания заняты преимущественно периферические участки лёгкого. Центральная часть, расположенная у корня, менее растяжима.

Ткань лёгких состоит из мельчайших наполненных воздухом пузырьков - альвеол, стенки которых густо оплетены кровеносными сосудами. В отличие от многих других органов, лёгкие имеют двойное кровоснабжение: систему кровеносных сосудов, обеспечивающих специфическую функцию лёгких - газообмен, и специальные артерии, питающие саму лёгочную ткань, бронхи и стенку лёгочной артерии.

Капилляры лёгочных альвеол представляют собой весьма густую сеть с расстоянием между отдельными петлями в несколько микрометров (мкм). Это расстояние увеличивается при растяжении стенок альвеол во время вдоха. Общая внутренняя поверхность всех капилляров, находящихся в лёгких, достигает примерно 70 м2. Одномоментно в лёгочных капиллярах может находиться до 140 мл крови, при физической работе количество протекающей крови может достигать 30 л в 1 мин.

Кровоснабжение разных участков лёгкого зависит от их функционального состояния; кровоток осуществляется главным образом через капилляры вентилируемых альвеол, в выключенных же из вентиляции участках лёгких кровоток резко снижен. Такие участки лёгочной ткани становятся беззащитными при вторжении болезнетворных микробов. Именно этим в некоторых случаях объясняется локализация воспалительных процессов при бронхопневмониях.

В нормально функционирующих лёгочных альвеолах имеются специальные клетки, которые называются альвеолярными макрофагами. Они защищают лёгочную ткань от органической и минеральной пыли, содержащейся во вдыхаемом воздухе, обезвреживают микробы и вирусы и нейтрализуют выделяемые ими вредные вещества (токсины). Эти клетки переходят в лёгочные альвеолы из крови. Длительность их жизни определяется количеством вдыхаемой пыли и бактерий: чем больше загрязнён вдыхаемый воздух, тем быстрее гибнут макрофаги.

От способности этих клеток к фагоцитозу, к поглощению и перевариванию болезнетворных бактерий, в большой степени зависит уровень общей неспецифической сопротивляемости организма к инфекции. Кроме того, макрофаги очищают лёгочную ткань от ее собственных погибших клеток. Известно, что макрофаги быстро «узнают» повреждённые клетки и направляются к ним, чтобы их устранить.

Резервы аппарата внешнего дыхания, обеспечивающего вентиляцию лёгких, очень велики. Например, в покое взрослый здоровый человек делает в среднем 16 вдохов и выдохов в 1 мин, причём за один вдох в лёгкие поступает примерно 0,5 л воздуха (этот объем называется дыхательным объёмом), за 1 мин это составит 8 л воздуха. При максимальном же произвольном усилении дыхания частота вдоха и выдоха может возрасти до 50-60 в 1 мин, дыхательный объем - до 2 л, а минутный объем дыхания - до 100-200 л.

Довольно значительны и резервы лёгочных объёмов. Так, у людей, ведущих малоподвижный образ жизни, жизненная ёмкость лёгких (максимальный объем воздуха, который может быть выдохнут после максимального вдоха) равна 3000-5000 мл; при физической тренировке, например у некоторых спортсменов, она повышается до 7000 мл и больше.

Организм человека лишь частично использует кислород атмосферного воздуха. Как известно, во вдыхаемом воздухе в среднем содержится 21%, а в выдыхаемом - 15-17 % кислорода. В состоянии покоя организм потребляет 200-300 см3 кислорода.

Переход кислорода в кровь и углекислоты из крови в лёгкие происходит вследствие разницы между парциальным давлением этих газов в воздухе, находящемся в лёгких, и их напряжением в крови. Поскольку парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе составляет в среднем 100 мм рт. ст., в крови же, притекающей к лёгким, давление кислорода равно 37-40 мм рт. ст., он переходит из альвеолярного воздуха в кровь. Давление же углекислоты в крови, проходящей через лёгкие, уменьшается с 46 до 40 мм рт. ст. за счёт ее перехода в альвеолярный воздух.

Кровь насыщена газами, находящимися в химически связанном состоянии. Кислород переносится эритроцитами, в которых он вступает в непрочное соединение с гемоглобином - оксигемоглобин. Это очень выгодно для организма, так как если бы кислород был просто растворен в плазме и не соединён с гемоглобином эритроцитов, то, чтобы обеспечить нормальное дыхание тканей, сердце должно было бы биться в 40 раз чаще, чем теперь.

В крови взрослого здорового человека содержится всего около 600 г гемоглобина, поэтому количество кислорода, находящегося в связи с гемоглобином, составляет сравнительно небольшую величину, примерно 800-1200 мл. Оно может удовлетворить потребность организма в кислороде только в течение 3-4 мин.

Поскольку клетки весьма энергично используют кислород, его напряжение в протоплазме очень низко. В связи с этим он должен непрерывно поступать в клетки. Количество кислорода, поглощаемого клетками, меняется в разных условиях. При физических нагрузках оно увеличивается. Интенсивно образующиеся при этом углекислота и молочная кислота уменьшают способность гемоглобина удерживать кислород и облегчают тем самым его освобождение и использование тканями.

Если дыхательный центр, находящийся в продолговатом мозге, является абсолютно необходимым для осуществления дыхательных движений (после его повреждения дыхание прекращается и наступает смерть), то остальные отделы головного мозга обеспечивают регуляцию тончайших приспособительных изменений дыхательных движений к условиям внешней и внутренней среды организма и не являются жизненно необходимыми.

Дыхательный центр чутко реагирует на газовый состав крови: избыток кислорода и недостаток углекислого газа тормозят, а недостаток кислорода, особенно при избыточном содержании углекислоты, возбуждает дыхательный центр. Во время физической работы мышцы увеличивают потребление кислорода и накапливают углекислоту, на это дыхательный центр реагирует усилением дыхательных движений. Даже небольшая задержка дыхания (дыхательная пауза) оказывает возбуждающее влияние на дыхательный центр. Во время сна, при снижении физической активности дыхание ослаблено. Это примеры непроизвольной регуляции дыхания.

Влияние коры головного мозга на дыхательные движения выражаются в возможности произвольно задерживать дыхание, изменять его ритм и глубину. Импульсы, исходящие из дыхательного центра, в свою очередь, влияют на тонус коры больших полушарий. Физиологами установлено, что вдох и выдох оказывают противоположное воздействие на функциональное состояние коры головного мозга и через нее - на произвольную мускулатуру. Вдох вызывает небольшой сдвиг в сторону возбуждения, а выдох - сдвиг в сторону торможения, т.е. вдох является возбуждающим фактором, выдох - успокаивающим. При равной длительности вдоха и выдоха эти влияния в целом нейтрализуют друг друга. Удлинённый вдох с паузой на высоте вдоха при укороченном выдохе наблюдается у людей, находящихся в бодром состоянии, с высокой работоспособностью. Этот тип дыхания можно назвать мобилизующим. И наоборот: энергичный, но короткий вдох с несколько растянутым удлиненным выдохом и задержкой дыхания после выдоха обладает успокаивающим действием и способствует расслаблению мускулатуры.

На совершенствовании произвольной регуляции дыхания основано лечебное действие дыхательной гимнастики. В процессе многократного повторения дыхательных упражнений вырабатывается привычка физиологически правильного дыхания, происходит равномерная вентиляция лёгких, ликвидируются застойные явления в малом круге и в лёгочной ткани. При этом улучшаются и другие показатели функции дыхания, а также сердечная деятельность и кровообращение органов брюшной полости, главным образом печени, желудка и поджелудочной железы. Кроме того, появляется умение использовать различные типы дыхания для улучшения работоспособности и для полноценного отдыха.

Физиологически правильное дыхание не только обеспечивает нормальную работу лёгких, но и благодаря дыхательным движениям диафрагмы, как уже было упомянуто, улучшает и облегчает деятельность сердца, активирует кровообращение в органах брюшной полости.

Между тем многие люди дышат неправильно - слишком часто и поверхностно, иногда же бессознательно задерживают дыхание, нарушая его ритм и снижая вентиляцию лёгких.

Таким образом, поверхностное дыхание приносит вред и здоровым и тем более больным людям. Оно не экономно, так как во время вдоха воздух ненадолго остаётся в лёгких и это плохо отражается на усвоении кислорода кровью. Значительная часть объёма лёгких при этом оказывается заполненной необновляемым воздухом.

При поверхностном дыхании объем вдыхаемого воздуха не превышает 300 мл, тогда как в нормальных условиях он равен в среднем, как уже отмечалось, 500 мл.

Но, может быть, небольшой объем вдоха компенсируется повышенной частотой дыхательных движений? Представим себе двух человек, которые в течение минуты вдыхают одинаковое количество воздуха, но один из них делает 10 вдохов в минуту, каждый объёмом 600 мл воздуха, а другой - 20 вдохов, объёмом 300 мл. Таким образом, минутный объем дыхания у того и другого одинаков и равен 6 л. Объем воздуха, заключённого в воздухоносных путях, в так называемом мёртвом пространстве (трахее, бронхах) и не участвующего в обмене с газами крови, составляет примерно 140 мл. Следовательно, при глубине вдоха в 300 мл до лёгочных альвеол дойдёт 160 мл воздуха, а за 20 вдохов это составит 3,2 л. Если же объем одного вдоха равен 600 мл, до альвеол дойдёт 460 мл воздуха, а в течение 1 мин - 4,6 л. Таким образом, совершенно ясно, что редкое, но более глубокое дыхание значительно эффективнее, чем поверхностное и частое.

Поверхностное дыхание может стать привычным в результате разных причин. Одна из них - малоподвижный образ жизни, часто обусловленный особенностями профессии (сидение за письменным столом, работа, требующая длительного стояния на одном месте), другая - неправильная осанка (привычка длительное время сидеть сгорбившись и сводить плечи вперёд). Это часто приводит, особенно в молодом возрасте, к сдавливанию органов грудной клетки и недостаточной вентиляции лёгких.

Довольно частыми причинами поверхностного дыхания являются ожирение, постоянное переполнение желудка, увеличение печени, вздутие кишечника, которые ограничивают движения диафрагмы и уменьшают объем грудной клетки во время вдоха.

Поверхностное дыхание может быть одной из причин недостаточного снабжения организма кислородом. Это приводит к снижению естественной неспецифической сопротивляемости организма. Дыхательная недостаточность может иметь место в связи с хроническими заболеваниями лёгких и бронхов, а также межрёберных мышц, поскольку больные на некоторое время лишаются возможности производить нормальные дыхательные движения.

У пожилых и престарелых людей поверхностное дыхание может быть связано с уменьшением подвижности грудной клетки из-за окостенения рёберных хрящей и ослабления дыхательных мышц. И несмотря на то, что у них развиваются компенсаторные приспособления (к ним относятся учащение дыхания и некоторые другие), поддерживающие достаточную вентиляцию лёгких, напряжение кислорода в крови уменьшается из-за возрастных изменений в самой лёгочной ткани, снижения ее эластичности, необратимого расширения альвеол. Все это препятствует переходу кислорода из лёгких в кровь и ухудшает кислородное снабжение организма.

Недостаток кислорода в тканях и клетках (гипоксия) в некоторых случаях может быть следствием нарушений кровообращения и состава крови. Причиной гипоксии тканей могут служить уменьшение количества функционирующих капилляров, замедление и частые остановки капиллярного кровотока и др.

Наблюдениями в клинике установлено, что у людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями (ишемической болезнью сердца, гипертонической болезнью), дыхательная недостаточность, сопровождающаяся снижением количества кислорода в крови, сочетается с повышенным содержанием холестерина и белково-жировых комплексов (липопротеидов). Отсюда был сделан вывод, что недостаток кислорода в организме играет определённую роль в развитии атеросклероза. Этот вывод был подтверждён в эксперименте. Оказалось, что количество кислорода в тканях и органах больных атеросклерозом было значительно ниже нормы.

Вредно отражается на здоровье привычка дышать через рот. Она влечёт за собой ограничение дыхательных движений грудной клетки, нарушение ритма дыхания, недостаточность вентиляции лёгких. Затруднение носового дыхания, связанное с некоторыми патологическими процессами в носу и носоглотке, особенно часто встречающееся у детей, ведёт иногда к серьёзным расстройствам умственного и физического развития. У детей с аденоидными разрастаниями в носоглотке, затрудняющими носовое дыхание, появляются общая слабость, бледность, пониженная сопротивляемость к инфекциям, иногда нарушается психическое развитие. При длительном отсутствии носового дыхания у детей наблюдается недоразвитие грудной клетки и ее мускулатуры.

Физиологически правильное носовое дыхание является существенным условием сохранения здоровья. Ввиду важности этого вопроса остановимся на нем подробнее.

В полости носа осуществляется регуляция влажности и температуры поступающего в организм воздуха. Так, при холодной погоде температура наружного воздуха в носовых ходах повышается, при высокой температуре внешней среды в зависимости от степени ее влажности происходит более или менее значительная теплоотдача за счёт испарения со слизистой носа и носоглотки.

Если вдыхаемый воздух слишком сух, то, проходя через нос, он увлажняется за счёт выделения жидкости из бокаловидных клеток слизистой оболочки и многочисленных железок.

В полости носа воздушный поток освобождается от различных примесей, содержащихся в атмосфере. В носу имеются специальные точки, в которых происходит постоянное «улавливание» пылевых частиц и микробов.

В носовой полости задерживаются довольно большие частицы-размером более 50 мкм. Частицы меньшего диаметра (от 30 до 50 мкм) проникают в трахею, еще более мелкие частицы (10-30 мкм) достигают крупных и средних бронхов, частицы диаметром 3-10 мкм попадают в мельчайшие бронхи (бронхиолы), и, наконец, наиболее мелкие (1-3 мкм) - доходят до альвеол. Следовательно, чем мельче пылевые частицы, тем глубже они могут проникнуть в дыхательные пути.

Пыль, попавшая в бронхи, задерживается слизью, покрывающей их поверхность, и выводится наружу примерно в течение часа. Слизь, покрывающая поверхность носовой полости и бронхов, выполняет функции постоянно обновляющегося подвижного фильтра и является важным барьером, предохраняющим организм от воздействия микробов, пыли и газов, попавших в дыхательные пути.

Особенно важное значение этот барьер имеет для жителей больших городов, поскольку в городском воздухе концентрация пылинок очень высока. В атмосферу городов выделяется большое количество углекислого газа, окиси углерода, окислов серы, а также пыли и пепла (миллионы тонн в год). Через лёгкие в течение суток проходит в среднем 10-12 тысяч литров воздуха, и если бы дыхательные пути не обладали способностью самоочищения, то они были бы полностью закупорены в течение нескольких дней.

В очистке бронхов и лёгких от инородных частиц, кроме трахеобронхиальной слизи, принимают участие и другие механизмы. Так, например, выведению частиц способствует само движение воздуха во время выдоха. Особенно интенсивно этот механизм действует при форсированном выдохе и при кашле.

Большое значение для осуществления противомикробной барьерной функции носоглотки и бронхов имеют вещества, выделяемые слизистой оболочкой носа, а также специфические антитела в носовой полости. Поэтому у здоровых людей в трахею и бронхи, как правило, не проникают болезнетворные микроорганизмы. То незначительное число микробов, которое все же туда попадает, довольно быстро удаляется благодаря своеобразному защитному приспособлению - мерцательному эпителию, выстилающему поверхность дыхательных путей, начиная от носа и до мельчайших бронхиол.

На свободной поверхности клеток эпителия, обращённой в просвет дыхательных путей, имеется большое количество постоянно колеблющихся (мерцательных) волосков - ресничек. Все реснички на эпителиальных клетках дыхательных путей тесно сцеплены друг с другом. Движения их координированы и напоминают волнуемое ветром хлебное поле. Несмотря на небольшую величину, мерцательные волоски могут передвигать сравнительно крупные частицы массой в 5-10 мг.

При нарушении целостности мерцательного эпителия вследствие травмы или лекарственными веществами, попавшими непосредственно в дыхательные пути, в повреждённых участках инородные частицы и бактерии не удаляются. В этих местах резко снижается устойчивость слизистой оболочки к инфекции, создаются условия для заболевания. Из слизи, выделяемой бокаловидными клетками, образуются пробки, закупоривающие просвет бронхов. Это может приводить к воспалительным процессам в невентилируемых участках лёгких.

Заболевания дыхательных путей нередко возникают в результате повреждения слизистой оболочки посторонними примесями во вдыхаемом воздухе. Особенно вредное воздействие на бронхи и лёгкие оказывает табачный дым. В его составе содержится много токсических веществ, самым известным из которых является никотин. О действии последнего на сердечно-сосудистую систему было рассказано в главе о кровообращении. Кроме того, табачный дым оказывает вредное влияние на органы дыхания: ухудшает условия очищения дыхательных путей от инородных частиц и бактерий, так как задерживает продвижение слизи в бронхах и трахее. Так, у некурящих скорость движения слизи составляет 10 - 20 мм в 1 мин, у курящих же она менее 3 мм в 1 мин. Это нарушает выведение наружу посторонних частиц и микробов и создаёт условия для инфицирования дыхательных путей.

Табачный дым оказывает весьма существенное отрицательное влияние на альвеолярные макрофаги. Он угнетает их движение, захват и переваривание бактерий (тормозит фагоцитоз). Токсичность табачного дыма выражается также в прямом повреждении структуры макрофагов, изменении свойств их секреции, которая не только перестаёт защищать лёгочную ткань от вредных воздействий, но и сама начинает способствовать развитию патологических процессов в лёгких. Этим объясняется возникновение эмфиземы и пневмосклероза у длительно курящих лиц. Интенсивное курение значительно утяжеляет течение острых заболеваний органов дыхания и способствует их переходу в хронические воспалительные процессы.

Кроме того, в табачном дыме содержатся вещества, способствующие развитию злокачественных опухолей (канцерогены). Поэтому у курящих раковые опухоли в дыхательных путях развиваются значительно чаще, чем у некурящих.



Анекдот:

Купил в аптеке "Чай похудин". Через пару недель еще раз, внимательно, прочел название. Нет, буква Д в названии все-таки есть.