"Тема 5. Дихання"
Ключові слова: газообмін, клітинне (тканинне) дихання, легені, альвеоли, життєва ємність легень.
Головне в темі: Енергія, необхідна для підтримки життєдіяльності організму, виділяється в ході окислення органічних речовин і акумулюється в хімічних зв'язках макроергічних молекул. У ході цього процесу утворюється вуглекислий газ, що підлягає видаленню з організму.
Сутність дихання складається в споживанні організмом кисню і виділенні вуглекислого газу. При цьому послідовно здійснюються наступні процеси :
1) вентиляція легенів;
2) газообмін між альвеолярним повітрям і кров'ю капілярів легенів;
3) транспорт газів кров'ю;
4) обмін дихальними газами між капілярною мережею великого кола кровообігу і клітинами органів і тканин;
5) біологічне окислення в клітинах.
Література:
1. Эккерт Р., Рэнделл Д., Огастин Дж. Физиология животных: Механизмы и адаптация: в 2-х т. Пер. с англ. – М.: Мир, 1992.
2. Сергеев Б.Ф. Занимательная физиология. – М.: Мол. гвардия, 1977.
3. Беркинблит М.Б., Жердев А.В., Тарасова О.С. Задачи по физиологии человека и животных: Экспериментальное учебное пособие. – М.: МИРОС, 1995.
4. Кюнцель Д. Организм человека. Пер. с нем. – Берлин, VEB Verlag und Gesundheit, 1988.
5. Фениш Х. Карманный атлас анатомии человека на основе Международной номенклатуры / При участии В.Даубера; Пер. с англ. – Минск: Выш. шк., 1984.
6. Физиология человека. В 3-х томах. Пер. с англ./Под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. - М.: Мир, 1996.
7. Беркинблит М.Б., Глаголев С.М., Голубева М.В. и др. Биология в вопросах и ответах: 6-11 класс: Учебное издание. – М.-Харьков: МИРОС – ННМЦ «Развивающее обучение», 1997.
8. Семенов Э.В. Физиология и анатомия.- М.: Редакция газеты «Московская правда», 1997.
Кисень повітря попадає в кров, а вуглекислий газ виводиться з організму завдяки наявності органів дихання, до яких відносяться легені і система повітроносних шляхів.
Мал. 4.5.34. Будова легень
1 - легеня, 2 - гортань, 3 - трахея, 4 - бронхи, 5 - бронхіальне дерево, 6 - альвеоли, 7 - капілярна сітка
Вони представлені порожниною носа, рота (якщо подих здійснюється через рот), глоткою, гортанню, трахеєю і бронхами. Вдихуване повітря з носової чи ротової порожнини проходить через глотку і попадає в гортань. Голосова щілина, що з'єднує їх, захищена спеціальним хрящем – надгортанником, який попереджає потрапляння їжі в дихальні шляхи. У гортані знаходяться еластичні перетинки, що розміщені горизонтально в два ряди - голосові зв'язки. При звукоутворенні вони напружені, а голосова щілина закрита і відкривається лише на короткий час під тиском видихуваного повітря. Зміна натягу голосових зв'язок викликає зміну частоти їхнього коливання при проходженні повітря, а отже, і висоти звуку. Наступним відділом повітроносних шляхів є трахея. Її стінки укріплені хрящами у виді незамкнених кілець, розрізом звернених до стравоходу. Трахея поділяється на два бронхи, кожний з яких розгалужується на більш дрібні. Правий дає початок трьом бронхам, що йдуть у три частки правої легені, а лівий - двом, що направляється в дві частки лівої легені. Бронхи також мають хрящові опорні елементи (у вигляді замкнених кілець). В обох легенях кожен бронх утворює численні бронхіоли. Стінки останніх, на відміну від бронхів, уже не мають хрящів і складаються тільки з гладенької мускулатури і сполучної тканини, що містить еластичні волокна. Найбільш дрібні з бронхіол - респіраторні - переходять в альвеолярні ходи, що поєднуються з альвеолярними мішечками, що містять альвеоли. Внутрішня поверхня альвеол вистелена епітеліальними клітинами, покритими шаром рідини (сурфактанта). Остання має важливе значення, тому що знижує поверхневий натяг і альвеоли не спадаються.Зовнішня поверхня альвеол обплетена мережею численних капілярів. Їхні стінки містять еластичні і колагенові волокна, що надають їм гнучкості. В альвеолах відбувається газообмін між повітрям і кров’ю.
Та частина дихальної системи, де не відбувається газообміну, називається функціональним (фізіологічним) мертвим простором. У нього входить частина альвеолярного простору, що вентилюється, але не омивається кров'ю, і анатомічний мертвий простір, до якого відноситься просвіт повітроносних шляхів аж до переходу бронхіол в альвеоли. Незважаючи на те, що в анатомічному мертвому просторі не здійснюється процес газообміну, він виконує, крім вентиляції легенів, ряд важливих допоміжних функцій. Завдяки наявності війчастого епітелію, а також клітин, що виділяють слиз, у стінках повітроносних шляхів відбувається очищення повітря його від пилу й інших сторонніх часток. Крім того, повітря тут зволожується і зігрівається.
Легені знаходяться в грудній клітці і відділені від її стінок плевральною порожниною, що утворена двома листками тонкої еластичної оболонки - плеври. Один з них (парієнтальний, зовнішній) вистилає внутрішню поверхню грудної клітки, а інший (вісцеральний, внутрішній) покриває самі легені. Простір між листками плеври непроникний для повітря і заповнений рідиною, що зменшує тертя між ними під час дихальних рухів. Тиск у плевральній порожнині на 5-7 мм рт. ст. нижче атмосферного, тому легені завжди знаходяться в розправленому стані.
Мал. 4.5.35. Механізм вдиху-видиху в людини
Положення діафрагми показано умовно, важливою є зміна форми (кривизни),
а не розташування діафрагми в грудній клітини.
Надходження повітря в легені та його вигнання з них відбувається в результаті вдиху і видиху, здійснюваних завдяки роботі дихальної мускулатури. При вдиху скорочуються інспіраторні м'язи (зовнішні міжреберні і діафрагма). У розслабленому стані діафрагма являє собою купол із сухожильним центром, від якого радіально відходять м'язові волокна. Вона відокремлює порожнину грудної клітки від черевної порожнини. При скороченні діафрагма стає більш плоскою, опускаючись в середньому на 3-4см. Скорочення зовнішніх міжреберних м'язів забезпечує підведення ребер. Робота інспіраторної мускулатури викликає збільшення об’єму грудної клітки і розтягнення легенів, у результаті чого в них надходить повітря.
Видих звичайно являє собою процес розслаблення м'язів, що беруть участь в організації вдиху, ребра при цьому опускаються. Інтенсивний видих супроводжується скороченням внутрішніх міжреберних м'язів і м'язів черевної стінки.
Розрізняють (умовно) черевне і грудне дихання. У першому випадку вдих здійснюється переважно за рахунок роботи діафрагми, а в другому - за рахунок скорочення міжреберних м'язів. Фізіологічно найбільш ефективним є черевне дихання, оскільки воно забезпечує більш глибоку вентиляцію легенів і полегшує венозне повернення крові від органів черевної порожнини до серця.
Інтервал від початку одного вдиху до початку наступного складає дихальний цикл. Його тривалість у середньому 3-5 секунд. Рівень вентиляції легенів, обумовлений частотою і глибиною дихання, широко варіює в залежності від фізіологічних потреб організму. Для опису величин, зв'язаних з вентиляцією легенів, найбільше часто застосовують наступні показники :
дихальний об’єм (кількість повітря, що людина вдихає і видихає при спокійному диханні; складає близько 0,5 л);
життєва ємність легень (найбільша кількість повітря, видихуваного після максимального вдиху, фактично є показником рухливості легень і грудної клітки);
функціональна залишкова ємність (кількість повітря, що залишається в легенях після спокійного видиху);
загальна ємність легень (кількість повітря, що міститься в легенях на рівні максимального вдиху);
залишковий об’єм (кількість повітря, що залишається в легенях після максимального видиху).
При газообміні кисень, що міститься в повітрі, дифундує через клітини епітелію стінок альвеол (попередньо розчиняючись в шарі сурфактанта) і ендотелій капілярів і попадає в плазму крові. Там він з'єднується з гемоглобіном еритроцитів і в такому виді транспортується до місць споживання. Вуглекислий же газ, що доставляється з кров'ю до легенів, вивільняється там і виводиться з організму під час видиху. Дифузія дихальних газів і їхній обмін між альвеолярним повітрям і кров'ю здійснюються за рахунок різниці їхнього парціального тиску в альвеолах і напруги в крові (пригадайте з курсу фізики, розділ „Термодинаміка”, що таке парціальний тиск газу над рідиною). Приблизно 95 % кисню переноситься у зв’язаному з гемоглобіном вигляді, 5% - у розчиненому в плазмі крові. Вуглекислий газ переноситься переважно у вигляді гідрокарбонатів у плазмі крові (50%) та бікарбонатів у еритроцитах (27%), у виді нестійкої сполуки з гемоглобіном (10-12 %) і приблизно 12 % - в плазмі в розчиненому виді або у виді не дисоційованої вугільної кислоти.
Мал. 4.5.36. Газообмін в легенях і тканинах
1 – легеневий пухирець, 2 – венозна кров, 3 - клітини, 4 – артеріальна кров
Здійснення мимовільних процесів вдиху і видиху відбувається завдяки діяльності дихального центра, розташованого в головному мозку. Довгастий мозок містить дві пари дихальних ядер, два з який є центрами вдиху і безпосередньо керують скороченням діафрагми, а два - центри видиху. Крім цього, нейрони, зв'язані з регуляцією дихання, містяться у варолієвому мості, утворюючи так називаний пневмотаксичний центр. Він здійснює переключення з вдиху на видих. При руйнуванні цього центра вдих стає затягнутим і надзвичайно глибоким.
Основним фактором, що має вплив на діяльність дихального центра, є аферентна стимуляція, що надходить від центральних і периферичних хемо- і механорецепторів дихальної системи. Механорецептори дихальної системи беруть участь у регуляції дихання. У м’язовому шарі трахеї і бронхів розташовані рецептори розтягнення, збудження яких наростає в міру розтягнення дихальних шляхів і легенів, що, в остаточному підсумку, викликає гальмування нейронів у центрі вдиху, і починається видих. Сигналом для зворотного процесу – вдиху – є збільшення концентрації вуглекислого газу в плазмі крові, яке реєструється хеморецепторами в стінках судин. Збудження частини рецепторів залежить від швидкості розтягнення легенів. Цей механізм забезпечує регуляцію частоти дихання. У верхніх дихальних шляхах є рецептори; при збудженні яких виникають захисні дихальні рефлекси - чихання і кашель, що запобігають попаданню сторонніх тіл у легені. Рефлекторна затримка дихання при ковтанні перешкоджає влученню їжі в дихальні шлях.
Оскільки дихальна мускулатура представлена скелетними м'язами, людина може довільно змінювати глибину і частоту дихання. Таким чином, у регуляції дихання бере участь і кора великих півкуль.
Характер дихання в значній мірі змінюється в залежності від виду діяльності людини, її функціонального стану, емоційного фону, умов середовища. На параметри дихання можуть впливати і різні гормони. Так, підвищення вмісту в крові адреналіну при переляку, фізичній чи розумовій роботі приводить до збільшення вентиляції легенів. Зростає вона також при підвищенні рівня прогестерона при вагітності.