10.4.2. Транспорт углекислого газа

СО₂ является продуктом метаболизма клеток тканей и поэтому переносит­ся кровью от тканей к легким. Углекислый газ выполняет жизненно важ­ную роль в поддержании во внутренних средах организма уровня рН меха­низмами кислотно-основного равновесия. Поэтому транспорт углекислого газа кровью тесно взаимосвязан с этими механизмами (см. глава 15).

В плазме крови небольшое количество СО₂ находится в растворенном состоянии; при РСО₂= 40 мм рт. ст. переносится 2,5 мл/100 мл крови СО₂, или 5 %. Количество растворенного в плазме углекислого газа в линейной зависимости возрастает от уровня РСО₂.

В плазме крови СО₂ реагирует с водой с образованием Н⁺ и НСО^. Уве­личение напряжения углекислого газа в плазме крови вызывает уменьше­ние величины ее рН. Напряжение СО₂ в плазме крови может быть измене­но функцией внешнего дыхания, а количество ионов водорода или рН — буферными системами крови и НСО7, например путем их выведения через почки с мочой. Величина рН плазмы крови зависит от соотношения кон­центрации растворенного в ней СО₂ и ионов бикарбоната. В виде бикарбо­ната плазмой крови, т. е. в химически связанном состоянии, переносится основное количество углекислого газа — порядка 45 мл/100 мл крови, или до 90 %. Эритроцитами в виде карбаминового соединения с белками гемо­глобина транспортируется примерно 2,5 мл/100 мл крови СО₂, или 5 %. Транспорт углекислого газа кровью от тканей к легким в указанных формах не связан с явлением насыщения, как при транспорте кислорода, т. е. чем больше образуется углекислого газа, тем большее его количество транспор­тируется от тканей к легким. Однако между парциальным давлением СО₂ в крови и количеством переносимого кровью углекислого газа имеется кри­волинейная зависимость: кривая диссоциации углекислого газа.

10.4.2.1. Роль эритроцитов в транспорте СО₂

В крови капилляров тканей организма напряжение СО₂ составляет 5,3 кПа (40 мм рт. ст.), а в самих тканях — 8,0—10,7 кПа (60—80 мм рт. ст.). В ре­зультате СО₂ диффундирует из тканей в плазму крови, а из нее — в эритро­циты по градиенту парциального давления СО₂. В эритроцитах СО₂ обра­зует с водой угольную кислоту, которая диссоциирует на Н⁺ и НСО7-(СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃ = Н⁺ + НСО7). Эта реакция протекает быстро, по­скольку СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃ катализируется ферментом карбоангидразой мембраны эритроцитов, которая содержится в них в высокой концентра­ции (рис. 10.19). Эта реакция протекает по закону действия масс и в норме выражается в логарифмической форме, известной как уравнение Гендерсо-на—Гассельбаха (см. главу 15).

В эритроцитах диссоциация СО₂ продолжается постоянно по мере обра­зования продуктов этой реакции, поскольку молекулы гемоглобина дейст­вуют как буферное соединение, связывая положительно заряженные ионы водорода. В эритроцитах по мере освобождения кислорода из гемоглобина его молекулы будут связываться с ионами водорода (СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃ = = Н⁺ + НСО7), образуя соединение (НЬ-Н⁺). В целом это называется эф-

496 • ФУНКЦИИ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ОРГАНИЗМА

Эритроцит _{Плазма Клетки}

Карбоан-

Эритроцит Плазма Альвеол.

о₂

воздух

Рис. 10.19. Роль эритроцитов в транспорте углекислого газа от тканей к легким.

А. Процессы газообмена СО₂ между клетками тканей и плазмой крови. СО₂ поступает путем диффузии в плазму крови из тканей и дифференцирует внутрь эритроцитов. В эритроцитах СО₂ превращается при участии фермента карбоангидразы мембраны эритроцитов в НСОз и в виде этого иона вновь активно транспортируется в плазму крови, в которой в составе бикар­бонатов (№НС0₃) переносится к капиллярам легких. Водородные ионы, образующиеся при реакции дегидратации Н₂СО₃, захватываются молекулами гемоглобина и также транспортиру­ются кровью от тканей к легким. При транспорте из эритроцитов НСОз-ионное постоянство внутри эритроцитов поддерживается хлорным сдвигом. Кроме того, СО₂ в эритроцитах непо­средственно соединяется с N112 группами белков гемоглобина.

Б. Процессы газообмена СО₂ между плазмой крови и альвеолами легких. В капиллярах легких в эритроцитах под влиянием эффекта Бора происходит диссоциация карбаминовых соедине­ний и СО₂ диффундирует через мембрану эритроцитов и альвеолярную мембрану в просвет альвеол легких.

фектом Холдена, который приводит к сдвигу кривой диссоциации оксиге-моглобина вправо по оси х, что снижает сродство гемоглобина к кислоро­ду и способствует более интенсивному освобождению его из эритроцитов в ткани. При этом в составе соединения НЬ-Н⁺ транспортируется примерно 200 мл СО₂ в одном литре крови от тканей к легким.

Диссоциация СО₂ в эритроцитах может быть лимитирована только бу­ферной емкостью молекул гемоглобина. Образующиеся внутри эритроци­тов в результате диссоциации СО₂ ионы НСОз с помощью специального белка-переносчика мембраны эритроцитов выводятся из эритроцитов в плазму, а на их место из плазмы крови закачиваются ионы СГ (феномен «хлорного» сдвига) (рис. 10.19). Основная роль реакции СО₂ внутри эрит­роцитов заключается в обмене ионами СГ и НСОз между плазмой и внут­ренней средой эритроцитов. В результате этого обмена продукты диссо­циации углекислого газа Н⁺ и НСОз будут транспортироваться внутри эритроцитов в виде соединения (НЬ-Н⁺), а плазмой крови — в виде бикар­бонатов.

Эритроциты участвуют в транспорте углекислого газа от тканей к лег­ким, поскольку СО₂ образует прямую комбинацию с — ТЧН₂-группами бел­ковых субъединиц гемоглобина: СО₂ + НЬ -> НЬСО₂ или карбаминовое со­единение. Транспорт кровью СО₂ в виде карбаминового соединения и ио­нов водорода гемоглобином зависит от свойств молекул последнего; обе реакции обусловлены величиной парциального давления кислорода в плаз­ме крови на основе эффекта Холдена.

В количественном отношении транспорт СО₂ в растворенной форме и в форме карбаминового соединения является незначительным, по сравне-

10. Функции дыхательной системы • 497

н ию с его переносом СО₂ кровью в виде бикарбонатов. Однако при газо­обмене СО₂ в легких между кровью и альвеолярным воздухом эти две фор­мы приобретают основное значение.

Когда венозная кровь возвращается от тканей к легким, СО₂ диффунди­рует из крови в альвеолы и РСО₂ в крови снижается с 46 мм рт. ст. (веноз­ная кровь) до 40 мм рт.ст. (артериальная кровь). При этом в величине об­щего количества СО₂ (6 мл/100 мл крови), диффундирующего из крови в альвеолы, доля растворенной формы СО₂ и карбаминовых соединений ста­новится более значительной относительно бикарбонатной. Так, доля рас­творенной формы составляет 0,6 мл/100 мл крови, или 10 %, карбамино­вых соединений — 1,8 мл/100 мл крови, или 30%, а бикарбонатов — 3,6 мл/100 мл крови, или 60 %.

В эритроцитах капилляров легких по мере насыщения молекул гемогло­бина кислородом начинают освобождаться ионы водорода, диссоциировать карбаминовые соединения и НСОз вновь превращается в СО₂ (Н⁺ + НСОз = = Н₂СО₃ = СО₂ +Н₂О), который путем диффузии выводится через легкие по градиенту его парциальных давлений между венозной кровью и альвео­лярным пространством. Таким образом, гемоглобин эритроцитов играет основную роль в транспорте кислорода от легких к тканям, и углекислого газа в обратном направлении, поскольку способен связываться с О₂ и Н⁺. В состоянии покоя через легкие из организма человека за минуту удаляет­ся примерно 300 мл СО₂: 6 мл/100 мл крови х 5000 мл/мин минутного объема кровообращения.

10.5. Регуляция дыхания

Дыхательная система должна обеспечивать полное соответствие между ко­личеством кислорода, поступающего в кровь через легкие, и скоростью его потребления в тканях, а так же соответствие между продукцией в тканях СО₂ и количеством удаляемого из организма через легкие СО₂. Эта функ­ция дыхательной системы достигается за счет приспособления (регуляции) объема легочной вентиляции к уровню метаболизма в организме. Приспо­собление легочной вентиляции к процессам метаболически обусловленно­го газообмена в организме человека осуществляется сложной иерархиче-

Центральные хеморецепторы

Дыхательный центр

Дыхательные мотонейроны спинного мозга,

Периферические хеморецепторы

Н + РО,

Дыхательные

МЫШЦЫ

Механорецепторы легких

Вентиляция легких

Мышцы верхних дыхательных путей ,

Гладкие мышцы дыхательных путей

Рис. 10.20. Регуляция вентиляции легких осуществляется сложной иерархической системой, включающей механизмы обратных связей при участии хеморецепторных (центральные и периферические) и механорецепторных (механорецепторы легких и дыхательных мышц) рефлексов. Местом генерации дыхательного ритма является дыхательный центр продолговатого мозга.

498 • ФУНКЦИИ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ОРГАНИЗМА

с кой системой регуляции дыхания, состоящей из центральных и перифе­рических хеморецепторных рефлексов (общий контроль), а также механо-рецепторных рефлексов (локальный контроль) (рис. 10.20). В этой системе дыхательный центр генерирует дыхательный ритм, интегрирует афферент­ные сигналы, посылает импульсы к дыхательным мышцам грудной клетки и к гладким мышцам дыхательных путей, обеспечивая приспособление ле­гочной вентиляции к условиям жизнедеятельности организма.

10.5.1. Дыхательный центр

Величина легочной вентиляции обусловлена частотой и глубиной дыха­тельных движений (дыхательного ритма), происхождение которых связано с функцией дыхательного центра центральной нервной системой. Под ды­хательным центром понимают ограниченный участок ЦНС, где происхо­дит формирование дыхательного импульса, вызывающего координирован­ную деятельность дыхательных мышц, обеспечивающих для организма не­обходимую величину газообмена в легких. В центральной нервной системе местом генерации дыхательного ритма, вызывающего ритмические сокра­щения дыхательных мышц при вдохе и выдохе, является продолговатый мозг, в котором расположен дыхательный центр. Дыхательный центр со­стоит из нервных клеток (дыхательных нейронов), для которых характерна периодическая электрическая активность в одну из фаз дыхания. Нейроны дыхательного центра локализованы двусторонне в продолговатом мозге в виде двух вытянутых столбов вблизи оЬех — точки, где центральный канал спинного мозга впадает в четвертый желудочек. Эти два образования дыха­тельных нейронов в соответствии с их положением относительно дорсаль­ной и вентральной поверхности продолговатого мозга обозначают как дор­сальная и вентральная дыхательные группы (рис. 10.21).

Дорсальная дыхательная группа нейронов образует вентролатеральную часть ядра одиночного тракта. Дыхательные нейроны вентральной дыха­тельной группы расположены в области п. атЬщииз каудальнее уровня оЬех, п. ге1гоатЫ§иаНз непосредственно ростральнее оЬех и представлены ком­плексом Бетзингера, который находится непосредственно вблизи п. ге1гоГа-ааНз вентролатеральных отделов продолговатого мозга. В состав дыхатель­ного центра входят нейроны двигательных ядер черепно-мозговых нервов (обоюдное ядро, ядро подъязычного нерва), которые иннервируют мышцы гортани и глотки.

Основным критерием классификации нейронов дыхательного центра является фаза дыхательного цикла, в которую они активны, т. е. инспира­ция или экспирация. По этому критерию дыхательные нейроны подразде­ляют на инспираторные и экспираторные. Дорсальная дыхательная группа состоит полностью из инспираторных нейронов. Вентральная дыхательная группа образована инспираторными и экспираторными нейронами, а ком­плекс Бетзингера образуют только экспираторные нейроны. По паттерну электрической активности нейронов в пределах фаз дыхательного цикла инспираторные и экспираторные нейроны подразделяют на нейроны с на­растающим, постоянным или декрементным типом активности (рис. 10.22).

По проекции аксонов дыхательные нейроны разделяют на премоторные или бульбоспинальные нейроны и проприобульбарные. Аксоны премотор­ных дыхательных нейронов переходят на противоположную сторону про­долговатого мозга, а затем направляются к мотонейронам спинного мозга. Функция инспираторных премоторных дыхательных нейронов заключается

10. Функции дыхательной системы • 499

IV желудочек

Моторное ядро подъязычного нерва

_I

Подъязычные нервы

Диафрагмальный нерв

Межреберные нервы (Т—1_)

Рис. 10.21. Схема положения нейронов дорсальной (ДРГ) и вентральной дыхатель­ных групп (ВДГ) дыхательного центра продолговатого мозга.

Слева — проекция отделов дыхательного центра на дорсальную поверхность продолговатого мозга. Справа — расположение отделов дыхательного центра на поперечном плане продолго­ватого мозга. Диафрагмальные мотонейроны и мотонейроны межреберных мышц являются «общим конечным путем» моторных команд дыхательного центра, обусловливающих сокра­щение дыхательных мышц и вентиляцию легких. ЫА — п.

у Потенциал действия

Разряд

потенциалов

действия

Спирограмма

Рис. 10.22. Образцы электрической активности основных типов нейронов дыха­тельного центра. Наиболее общая классификация типов дыхательных нейронов ос­нована на связи их электрической активности с фазами вдоха и вьщоха дыхательно­го цикла и паттерном разряда потенциалов действия.

По этому критерию классифицируют: полные инспираторные с нарастающей активностью (1), экспираторные нейроны с нарастающей активностью (2), ранние инспираторные нейроны с декрементной активностью (3), поздние инспираторные нейроны с нарастающей активностью (4), экспираторные или постинспираторные нейроны с декрементной активностью (5), пол­ные инспираторные нейроны с постоянной активностью (6).

500 • ФУНКЦИИ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ОРГАНИЗМА

в управлении электрической активностью инспираторных мотонейронов диафрагмы и наружных межреберных мышц во время их сокращения при вдохе. В обычных условиях экспирация осуществляется пассивно, поэтому функция экспираторных премоторных дыхательных нейронов реализуется только при увеличении глубины дыхательных движений. Премоторные нейроны комплекса Бетзингера выполняют уникальную функцию — они тормозят все типы инспираторных нейронов дыхательного центра и диа-фрагмальные мотонейроны. Поэтому их аксоны распределяются билате­рально, т. е. направляются к соответствующим нейронам, расположенным как ипсилатерально, так и контралатерально.

Аксоны проприобульбарных дыхательных нейронов (ранние инспира-торные, постинспираторные, поздние инспираторные, экспираторные ней­роны комплекса Бетзингера) оканчиваются на мембране нейронов самого дыхательного центра, расположенных в вентральной дыхательной группе. Функция большинства проприробульбарных нейронов заключается в гене­рации дыхательного ритма.

10.5.1.1. Происхождение дыхательного ритма

У человека дыхательные движения впервые начинаются у плода (в начале III триместра беременности). Эти дыхательные движения носят периоди­ческий и нерегулярный характер. Современные исследования свидетельст­вуют о том, что дыхательные движения плода инициируются проприобуль-барными инспираторными пейсмекерными клетками вентральной дыха­тельной группы, расположенными вблизи нейронов комплекса Бетзингера (пребетзингерова область). Эти нейроны обладают двумя уникальными свойствами. Мембрана нейронов способна к спонтанной деполяризации и, когда их мембранный потенциал достигает порога возбуждения, нейроны генерируют короткий залп потенциалов действия. Вторым свойством мем­браны пейсмекерных нейронов дыхательного центра является механизм аккомодации, т. е. самоограничения электрической активности. Этот меха­низм представляет собой гиперполяризацию мембранного потенциала ней­рона под влиянием нарастающего входящего тока ионов хлора и формиро­вание декрементного паттерна электрической активности. В результате в течение короткого отрезка времени нейроны способны самостоятельно прекращать свою электрическую активность. Разряды электрических им­пульсов по аксонам дыхательных нейронов распространяется к мотонейро­нам спинного мозга и вызывают через них сокращение диафрагмы и на­ружных межреберных мышц у плода. Внутриутробные ритмические сокра­щения инспираторных мышц у плода способствуют развитию у него аппа­рата внешнего дыхания к моменту рождения. Первый вдох новорожденно­го и дыхание в первые сутки после рождения по-прежнему обусловлены спонтанной пейсмекерной активностью проприобульбарных нейронов вентральной дыхательной группы дыхательного центра.

У взрослых млекопитающих животных происхождение дыхательного ритма объясняют двумя теориями, которые основаны на пейсмекерной ги­потезе и гипотезе нейронной сети. Согласно первой, дыхательный ритм возникает в пейсмекерных проприобульбарных дыхательных нейронах пребетзингеровой области. Затем залпы нервных импульсов от пейсмекер­ных нейронов передаются другим типам нейронов дыхательного центра, при участии которых возникает соответствующий ритм дыхательных дви­жений.

Происхождение дыхательного ритма при участии нейронной сети дыха-

10. Функции дыхательной системы • 501

т ельного центра объясняют функцией синаптических связей между различ­ными типами дыхательных нейронов. Основным проявлением синаптиче­ских связей является взаимное торможение между группами нейронов противоположных фаз дыхательного цикла. Вторым свойством ритмгене-рирующей нейронной сети является наличие в ней хотя бы одного типа дыхательных нейронов, возбудимая мембрана которых обладает механиз­мом аккомодации, т. е. самоограничения электрической активности. В ды­хательном центре взрослых животных имеется два типа дыхательных ней­ронов, обладающих аккомодативным механизмом: ранние инспираторные и постсинспираторные (рис. 10.22). Оба типа нейронов взаимно тормозят друг друга и все другие типы нейронов дыхательного центра в период, ко­гда активны либо ранние инспираторные нейроны, либо постинспиратор­ные нейроны. Ключевая роль в дыхательном ритмогенезе ранних инспира­торных нейронов с декрементным типом активности заключается в ини­циации дыхательного ритма, а именно вдоха. С момента начала разряда этого типа нейронов, благодаря механизму самоограничения активности ранних инспираторных нейронов, прекращается их тормозное действие на другие типы инспираторных нейронов дыхательного центра. В результате происходит активация инспираторных нейронов (полных и поздних) и возникает фаза вдоха. Как только вдох выключается (функция центров моста и ядер блуждающего нерва), активируются постинспираторные ней­роны с декрементным типом активности и начинается фаза выдоха. Благо­даря механизму самоограничения активности постинспираторные нейроны постепенно прекращают тормозное действие на экспираторные нейроны с нарастающей активностью и на ранние инспираторные нейроны. С мо­мента активации последних прекращается фаза выдоха и начинается оче­редная фаза вдоха.

10.5.2. Влияние нервных центров варолиева моста на дыхательный ритм

В верхних отделах моста расположены две области — п. рагаЪгаспеаНз тесН-аНз и п. КоШкег—Ризе, которые влияют на дыхательный центр продолгова­того мозга и образуют пневмотаксический центр. Нейроны этого центра ре-ципрокно связаны с инспираторными нейронами дорсальной дыхательной группы. Функцией пневмотаксического центра моста является уменьшение периода активности инспираторных нейронов дыхательного центра путем выключения фазы вдоха и более раннее появление в дыхательном цикле фазы выдоха. В результате пневмотаксический центр вызывает в дыхатель­ном центре генерацию большего числа небольших по длительности инспи­раций, т. е. увеличивает частоту дыхания.

На уровне нижней трети моста имеется область, определяемая как ап-нейстический центр. В обычных условиях активность этого центра затор­можена со стороны пневмотаксического центра. Название центра обуслов­лено тем, что его отделение от пневмотаксического центра и/или от тор­мозных афферентных влияний блуждающего нерва (описано ниже), вызы­вает остановку дыхания на вдохе (апнейзис). Эта область оказывает возбу­ждающее влияние на нейроны дорсальной дыхательной группы дыхатель­ного центра и ее роль заключается в увеличении времени фазы выдоха, а, следовательно, глубины дыхательных движений.

502 • ФУНКЦИИ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ОРГАНИЗМА

1 0.5.3. Функция спинальных дыхательных мотонейронов

При спокойном дыхании в течение фазы вдоха электрические импульсы инспираторных бульбоспинальных нейронов дыхательного центра переда­ются к мотонейронам сегментов спинного мозга: С_ш—С_у и Т_г—Т_Хц. Аксо­ны мотонейронов С_ш—С_у образуют диафрагмальные нервы, а Т,—Т_х„ — межреберные нервы, которые иннервируют соответственно диафрагму и наружные межреберные мышцы. Активация электрической активности этих мотонейронов под влиянием нисходящих команд дыхательного цен­тра вызывает сокращение диафрагмы и наружных межреберных мышц, что определяет уровень вентиляции легких. При глубоком дыхании фаза выдо­ха также становится активной, и нисходящие команды дыхательного цен­тра начинают включать импульсы к мотонейронам мышц живота и внут­ренних межреберных мышц (сегменты Т—Ь). Активация электрической активности мотонейронов, которые иннервируют экспираторные мышцы, обусловливает глубину выдоха.

10.5.4. Рефлекторная регуляция дыхания

10.5.4.1. Хеморецепторный контроль дыхания

Хеморецепторный контроль дыхания осуществляется при участии цен­тральных и периферических хеморецепторов. Центральные (медуллярные) хеморецепторы расположены непосредственно в в ростральных отделах вентральной дыхательной группы, в структурах голубого пятна (1оси$ соега1еи$), в ретикулярных ядрах шва ствола мозга и реагируют на водо­родные ионы в окружающей их межклеточной жидкости мозга (рис. 10.23). Центральные хеморецепторы представляют собой нейроны, кото­рые в определенной степени являются рецепторами углекислого газа, по­скольку величина рН обусловлена парциальным давлением СО₂, согласно уравнению Гендерсона—Гасельбаха, а также тем, что концентрация ионов

35 40 45 50 55

Артериальное РСО₂ (мм рт. ст.)

Рис. 10.23. Зависимость вентиляции легких от степени стимуляции цен­тральных хеморецепторов измене­ниями [Н⁺]/РСО₂ в артериальной крови. Увеличение парциального давления СО₂ в артериальной крови выше порога (РСО₂ = 40 мм рт. ст.) линейно увеличивает объем вентиля­ции легких.

водорода в межклеточной жидкости мозга зависит от парциального давле­ния углекислого газа в артериальной крови. Увеличение вентиляции легких при стимуляции центральных хеморе­цепторов ионами водорода называется центральным хеморефлексом, который оказывает выраженное влияние на дыхание. Так, в ответ на уменьшение рН внеклеточной жидкости мозга в области локализации рецепторов на 0,01 легочная вентиляция возрастает в среднем на 4,0 л/мин. Однако цен­тральные хеморецепторы медленно реагируют на изменения СО₂ в арте­риальной крови, что обусловлено их локализацией в ткани мозга. У чело­века центральные хеморецепторы сти­мулируют линейное увеличение вен­тиляции легких при увеличении СО₂ в артериальной крови выше порог, рав­ного 40 мм рт. ст.

10. Функции дыхательной системы • 503

Артериальное РО, (мм рт. ст.)

Артериальное РСО₂ (мм рт. ст.)

Рис. 10.24. Зависимость вентиляции легких от степени стимуляции пери­ферических хеморецепторов гипок-сическим стимулом.

При стимуляции периферических хеморе­цепторов гипоксией имеет место мульти­пликативное взаимодействие парциально­го давления СО₂ в артериальной крови и гипоксии, в результате которого происхо­дит максимальное увеличение вентиляции легких. Напротив, при высоком Парци­альном давлении кислорода в артериаль­ной крови периферические хеморецепто­ры слабо реагируют на увеличение РСО₂. Если в артериальной крови парциальное давление СО₂ становится ниже порога (40 мм рт.ст.), то периферические хеморе­цепторы также слабо реагируют на гипок­сию.

Периферические (артериальные) хе­морецепторы расположены в каротид-ных тельцах в области бифуркации общих сонных артерий и в аорталь­ных тельцах в области дуги аорты. Периферические хеморецепторы реа­гируют как на изменение концентра­ции водородных ионов, так и парци­ального давления кислорода в артери­альной крови. Рецепторы чувстви­тельны к анаэробным метаболитам, которые образуются в ткани каротид-ных телец при недостатке кислорода. Недостаток кислорода в тканях каро-тидных телец может возникнуть, на­пример, при гиповентиляции, веду­щей к гипоксии, а также при гипо-тензии, вызывающей снижение кро­вотока в сосудах каротидных телец. При гипоксии (низкое парциальное давление кислорода) периферические хеморецепторы активируются под влиянием увеличения концентрации в артериальной крови, прежде всего, ионов водорода и РСО₂. Действие на периферические хеморецепторы этих раздражителей усиливается по мере снижения в крови РО₂ (мультиплика­тивное взаимодействие). Гипоксия увеличивает чувствительность пери­ферических хеморецепторов к [Н⁺] и СО₂. Это состояние называется ас­фиксией и возникает при прекращении вентиляции легких. Поэтому пери­ферические хеморецепторы называются часто рецепторами асфиксии. Им­пульсы от периферических хеморецепторов по волокнам синокаротидного нерва (нерв Геринга — часть языкоглоточного нерва) и аортальной ветви блуждающего нерва достигают чувствительных нейронов ядра одиночного тракта продолговатого мозга, а затем переключаются на нейроны дыха­тельного центра. Возбуждение последнего вызывают прирост вентиляции легких. Вентиляция легких увеличивается линейно в соответствии с вели­чиной [Н⁺] и РСО₂ выше порога (40 мм рт. ст.) в артериальной крови, про­текающей через каротидные и аортальные тельца (рис. 10.24). Наклон кри­вой на рисунке, который отражает чувствительность периферических хе­морецепторов к [Н⁺] и РСО₂, варьирует в зависимости от степени ги­поксии.

10.5.4.2. Механорецепторный контроль дыхания

Механорецепторный контроль дыхания осуществляется рефлексами, кото­рые возникают при раздражении механорецепторов дыхательных путей легких. В тканях дыхательных путей расположено два основных типа меха­норецепторов, импульсы от которых поступают к нейронам дыхательного центра: быстро адаптирующиеся, или ирритантные, рецепторы и рецепто­ры растяжения.

504 • ФУНКЦИИ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ОРГАНИЗМА

Б ыстроадаптирующиеся рецепторы расположены в эпителии и субэпите­лиальном слое, начиная от верхних дыхательных путей вплоть до альвеол. Название рецепторов свидетельствует о том, что они активируются при раздражении не продолжительно и быстро снижают свою активность при сохранении действия стимула. Поэтому быстроадаптирующиеся рецепторы реагируют на изменение силы раздражения. Эти рецепторы инициируют такие сложные рефлексы, как нюхательный или кашлевой. Они возбужда­ются при попадании на слизистую оболочку трахеи и бронхов механиче­ских или химических раздражителей (пыль, слизь, табачный дым, пары ед­ких веществ — аммиак, эфир). В зависимости от местоположения ирри-тантных рецепторов в дыхательных путях возникают специфические реф­лекторные реакции дыхания. Раздражение рецепторов слизистой оболочки носовой полости при участии тройничного нерва вызывает рефлекс чиха­нья; рецепторов эпифарингеальной области — через волокна языкоглоточ-ного нерва — нюхательный или аспирационный рефлекс; рецепторов сли­зистой оболочки гортани и трахеи — через волокна блуждающего нерва — рефлекс чиханья; рецепторов слизистой оболочки от уровня трахеи и до бронхиол — при участии блуждающих нервов — парадоксальный рефлекс Геда (при раздувании легких) и рефлекс выдоха и, наконец, рецепторов стенки альвеол в месте их контакта со стенкой легочных капилляров — че­рез волокна блуждающего нерва — вызывает рефлекторную реакцию в виде частого и поверхностного дыхания.

Медленно адаптирующиеся рецепторы растяжения легких локализованы в гладких мышцах главных дыхательных путей бронхиального дерева (брон­хи и трахея) и раздражаются в результате увеличения объема легких (разду­вание). Рецепторы связаны с нейронами дорсальной дыхательной группы дыхательного центра миелинизированными афферентными волокнами блуждающего нерва. Стимуляция этих рецепторов вызывает рефлекс Ге­ринга—Брейера, который у животных проявляется в том, что раздувание легких вызывает рефлекторное переключение фазы вдоха на фазу выдоха. У человека в состоянии бодрствования этот рефлекторный эффект возни­кает при величине дыхательного объема, которая превышает примерно в три раза его нормальную величину при спокойном дыхании. Во время сна рефлекторное выключение вдоха с помощью рефлекса Геринга—Брейера обусловливает смену фаз дыхательного цикла.

Легочные /-рецепторы локализованы в пределах стенок альвеол в месте их контакта с капиллярами и способны реагировать на стимулы как со стороны легких, так и со стороны легочного кровообращения. Рецепторы связаны с дыхательным центром немиелинизированными афферентными С-волокнами. Эти рецепторы повышают свою активность при увеличении в плазме крови концентрации ионов водорода, при сдавливании легочной ткани или легочном отеке. Наибольшую активность легочные 1-рецепторы имеют во время физической активности большой мощности и при подъе­ме на большую высоту над уровнем моря. В этих случаях одним из прояв­лений изменения давления в сосудах малого круга кровообращения может быть отек легких разной выраженности. Возникающее при этом раздраже­ние 1-рецепторов вызывает частое, поверхностное дыхание, рефлекторную бронхоконстрикцию и одышку.

Проприорецепторы. Дыхательный центр непрерывно получает афферент­ные входы от прориорецепторов мышц (мышечные веретена и сухожильные рецепторы Гольджи) по восходящим спинальным трактам. Эти афферент­ные входы являются как неспецифическими (рецепторы расположены в мышцах и суставах конечностей), так и специфическими (рецепторы рас-

10. Функции дыхательной системы • 505

п оложены в дыхательных мышцах). Импульсация от проприорецепторов распространяется преимущественно к спинальным центрам дыхательных мышц, а также к центрам головного мозга, контролирующим тонус скелет­ной мускулатуры. Активация проприорецепторов в момент начала физиче­ской нагрузки является основной причиной увеличения активности дыха­тельного центра и повышения вентиляции легких. Проприорецепторы межреберных мышц и диафрагмы рефлекторно регулируют ритмическую активность дыхательного центра продолговатого мозга в зависимости от положения грудной клетки в различные фазы дыхательного цикла, а на сегментарном уровне — тонус и силу сокращения дыхательных мышц.

10.6. Дыхание при физической нагрузке

При физической нагрузке регуляция дыхания не обусловлена исключи­тельно ролью хеморецепторов, поскольку парциальное напряжение О₂ в альвеолах повышено относительно нормы в связи с увеличенной вентиля­цией, или гиперпноэ, а прирост СО₂ недостаточен для хеморецепторной стимуляции внешнего дыхания. При физической нагрузке в мышцах воз­растает продукция молочной кислоты, которая стимулирует перифериче­ские хеморецепторы дыхания, но основное значение в увеличении венти­ляции имеют супрабульбарные входы, которые изменяют активность дыха­тельного центра продолговатого мозга.

Увеличение дыхания при физической нагрузке проявляется в виде трех фаз:

1. первая фаза гиперпноэ возникает в первые 20 с под влиянием нисхо­ дящих двигательных команд от нейронов моторной коры и входов от проприорецепторов сокращающихся мышц;

2. вторая фаза характеризуется медленным (экспотенциальным) прирос­ том вентиляции в результате активации под влиянием нисходящих центральных команд центров варолиева моста, регулирующих дыха­ ние (например, пневмотаксического);

3. третья фаза проявляется относительно постоянным уровнем актива­ ции механизмов регуляции легочной вентиляции, которые включают процессы температурного и хеморецепторного контроля внутренней среды организма при физической нагрузке.

Начальная стадия увеличения вентиляции при физической нагрузке обусловлена так называемыми нейрогенными стимулами. Механизм нейро-генной стимуляции вентиляции легких обусловлен афферентными импуль­сами от рецепторов работающих мышц, центральных двигательных команд моторной коры и двигательных центров ствола мозга. Двигательные ко­манды моторной коры обусловливают специфику вентиляции легких при разных видах физической активности. Дыхание человека в определенной степени может находиться под произвольным (корковым) контролем; че­ловек может прекратить дыхательные движения или, наоборот, увеличить вентиляцию легких (гипервентиляция). Кора больших полушарий головно­го мозга регулирует паттерн дыхательных движений при речи, пении, заня­тиях физическими упражнениями, например при плавании, при игре на духовых музыкальных инструментах. Нисходящие двигательные команды от соответствующих областей коры поступают к нейронам дыхательного центра, а по пирамидным трактам в составе боковых столбов — непосред­ственно к дыхательным мотонейронам сегментов спинного мозга. Непро­извольная стимуляция вентиляции легких при физической нагрузке проис­ходит под влиянием двигательных центров ствола мозга, нисходящие влия-

506 • ФУНКЦИИ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ОРГАНИЗМА

Аэробная Анаэробная

РО„ [Н⁺1 и-молочная кислота

Мощность физической нагрузки

Рис. 10.25. Зависимость вентиляциии легких относительно аэробной и ана­эробной мощности физической на­грузки.

При аэробной физической нагрузке венти­ляция легких линейно связана с мощно­стью физической нагрузки. В этих услови­ях активация дыхательного центра и при­рост вентиляции легких обусловлены ней-рогенными стимулами. При анаэробной физической нагрузке прирост вентиляции легких становится не линейным относи­тельно метаболизма в мышцах. В этих ус­ловиях активация дыхательного центра и прирост вентиляции легких обусловлены стимуляцией центральных и перифериче­ских хеморецепторов.

н ия которых в составе бульбоспи-нальных трактов адресованы двига­тельным нейронам дыхательных мышц в соответствующие сегменты спинного мозга, с помощью которых непосредственно осуществляются ре­гуляция тонуса и сокращение скелет­ных мышц организма человека. На­ряду с корковыми влияниями на прирост вентиляции во время физи­ческой нагрузки важную роль выпол­няет таламический «генератор двига­тельного паттерна», с помощью кото­рого частота и амплитуда дыхатель­ных движений могут быть включены в определенный ритм движения, на­пример, при плавании или беге.

Физическая нагрузка низкой и сред­ней интенсивности. При физической нагрузке низкой и средней интенсив­ности, когда потребление О₂ (УО₂) составляет менее 55 % от максималь­ной скорости этого процесса в орга­низме, УО₂ и вентиляция легких взаимосвязаны между собой линей­но (рис. 10.25). Для обеспечения по­требления 1 л О₂ в организме при физической нагрузке необходимо увеличение вентиляции легких (УЕ)

на 20—25 л. Это соотношение называется дыхательным эквивалентом и оно равно 25 : 1 при физической нагрузке низкой и средней интенсивно­сти. В этих условиях у человека из крови в ткани экстрагируется 20—25 % О₂, поскольку 25 л вдыхаемого воздуха содержит 5 л кислорода. Для физи­чески тренированных людей максимальная вентиляция легких должна со­ставить порядка 120 л/мин, чтобы обеспечить необходимое потребление О₂ в организме, равное порядка 5 л/мин.

Физическая нагрузка высокой интенсивности. Начиная с так называемо­го анаэробного порога, происходит увеличение дыхательного эквивалента (35—40:1). Интенсивность физической нагрузки, при которой достигается это изменение, представляет собой так называемый дыхательный порог. Дыхательный порог проявляется значительным ростом вентиляции легких, что обусловлено увеличением содержания СО₂ в плазме крови в результате его высвобождения из бикарбонатного буфера ионами водорода, что соот­ветствует так называемому лактатному порогу. Лактатный порог представ­ляет собой количество потребляемого О₂, при котором возрастает концен­трация молочной кислоты в плазме крови (более чем на 1 мМ выше уров­ня покоя), а продукция молочной кислоты в мышцах начинает превышать буферную емкость крови. С этого момента, который соответствует дыха­тельной компенсаторной точке, у человека начинается второй прирост ле­гочной вентиляции.

При анаэробной физической нагрузке увеличение вентиляции легких вызывают не только центральные двигательные команды и афферентные обратные связи от работающих мышц, но и стимуляция периферических

10. Функции дыхательной системы • 507

х еморецепторов снижением рН артериальной крови (молочный ацидоз), увеличение температуры тела (стимулирует дыхательный центр через центр терморегуляции гипоталамуса) и, наконец, увеличение в плазме крови со­держания катехоламинов.

Энергетическая стоимость дыхания. В покое дыхательные мышцы чело­века потребляют примерно 4 % от общего количества О₂, потребляемого тканями организма. При физической нагрузке УО₂ дыхательных мышц возрастает до 8—11 % и более. В этих условиях дыхательные мышцы со­вершают работу, равную 50 % от их максимальной способности развивать силу сокращения. Физическая тренировка вызывает приспособление вен­тиляции; при этом максимальная нагрузка линейно увеличивает вентиля­цию легких в зависимости от роста УО₂ у человека. В результате физиче­ской тренированности человека у него снижается относительная энергети­ческая стоимость дыхания за счет увеличения лактатного порога, причем чем выше физическая тренированность человека, тем меньше в работаю­щих мышцах продуцируется ионов Н⁺, которые инициируют высвобожде­ние СО₂ из бикарбонатного буфера. Соответственно у тренированных лю­дей меньше выражена хеморецепторная стимуляция дыхания при физиче­ской нагрузке.

После прекращения физической нагрузки в первые 20—30 с резко уменьшается вентиляция легких, что обусловлено прекращением двига­тельных команд со стороны коры головного мозга и двигательных центров ствола мозга. Быстрое начальное уменьшение вентиляции легких перехо­дит в стадию медленного восстановления исходных показателей частоты, глубины и объема легочной вентиляции. В эту стадию в мышцах снижают­ся потребление кислорода и продукция углекислого газа. Благодаря венти­ляции легких происходит нормализация содержания газов в артериальной крови до физиологических величин состояния покоя.

10.7. Дыхание человека при измененном барометрическом давлении воздуха

10.7.1. Дыхание человека при пониженном давлении воздуха

Снижение парциального давления кислорода в окружающем воздухе, что в естественных условиях имеет место при восхождении человека на высокие горы, вызывает недостаток О₂ в крови, что называется артериальной гипок-семией. Так, на высоте 3000 м над уровнем моря барометрическое давление воздуха уменьшается на '/₃> а на высоте 8500 м — на ²/₃- При подъеме чело­века на высоту до 3—3,5 км над уровнем моря артериальная кровь насы­щена кислородом в пределах нормы — на 90—95 % (табл. 10.3).

Поскольку насыщение артериальной крови кислородом при подъеме на высоту до 3000 м над уровнем моря составляет не менее 90 %, то в этих ус­ловиях незначительное снижение напряжения О₂ в артериальной крови че­ловека происходит за счет уменьшения содержания в крови физически растворенного кислорода. Это, тем не менее, обусловливает появление слабо выраженной гипоксемии и сопровождается незначительным увели­чением вентиляции легких. Восхождение человека на высокую гору всегда сопряжено с усиленной мышечной деятельностью, повышением темпера­туры тела, увеличением в плазме крови содержания катехоламинов. Эти факторы оказывают комплексное стимулирующее влияние на дыхание че­ловека при восхождении на горную высоту. В результате слабо выраженная артериальная гипоксемия при участии периферических хеморецепторов

508 • ФУНКЦИИ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ОРГАНИЗМА

Т аблица 10.3. Парциальное давление кислорода во вдыхаемом и альвеолярном воздухе и процент насыщения артериальной кровн кислородом на различной высоте над уровнем моря

Высота над	Барометриче-	Парциальное давление О2 (мм рт. ст)		Насыщение
уровнем	ское давление			артериальной
моря (м)	(мм рт. ст.)	вдыхаемый воздух	альвеолярный воздух	крови О2 (%)
0	760	159	105	95
1000	680	140	90	94
2000	600	125	70	92
3000	530	ПО	62	90
4000	460	98	50	85
5000	405	85	45	75
6000	355	74	40	70
7000	310	65	35	60
8000	270	56	30	50
9000	230	48	<25	>40

увеличивает степень гиперпноэ у человека, обусловленное работой мышц. Повышенное содержание катехоламинов в плазме крови повышает чувст­вительность периферических хеморецепторов к гипоксемии и, усиливая активность периферических хеморецепторов, ведет к росту параметров внешнего дыхания. Наконец, повышение температуры тела человека при восхождении на высокие горы в результате мышечной деятельности также повышает чувствительность периферических хеморецепторов к гипоксе­мии. Повышение температуры тела при физической работе может стиму­лировать дыхание через усиление скорости метаболизма в организме, через периферические хеморецепторы и нейроны дыхательного центра. При этом периферические хеморецепторы являются основными источниками стимуляции вентиляции легких у человека при гипоксии. Поэтому при восхождении человека на высокую гору до высоты 3—3,5 км над уровнем моря усиление вентиляции обусловлено активацией механизмов гумораль­ной и нервной регуляции дыхания в пределах физиологической нормы.

Начиная с высоты 3,5 км над уровнем моря в артериальной крови чело­века уменьшение напряжения О₂ в плазме крови происходит как за счет падения фракции физически растворенного О₂, так и за счет понижения насыщения гемоглобина кислородом. При снижении насыщения артери­альной крови кислородом до 80—85 % у человека появляются признаки недостаточности дыхания, которые проявляются головокружением, увели­чением частоты сердцебиений, слабостью, вплоть до потери способности мышечной деятельности, или обморочным состоянием. Явления дыхатель­ной недостаточности, как правило, возникают внезапно и исчезают при отдыхе, но могут вновь появиться при возобновлении восхождения на вы­сокую гору в результате мышечной деятельности. Указанный комплекс симптомов получил название горной болезни. При выраженной гипоксии (4000 м и выше над уровнем моря), когда напряжение кислорода в артери­альной крови достигает 50 мм рт. ст. и менее, возникает метаболический ацидоз ткани мозга в результате активации анаэробного гликолиза. Как следствие, уменьшается рН внеклеточной жидкости мозга. Повышение концентрации водородных ионов во внеклеточной жидкости мозга стиму­лирует центральные хеморецепторы, что обусловливает первоначальное су­щественное увеличение вентиляции легких. Однако выраженная гипоксия оказывает угнетающий эффект на вентиляцию легких двумя механизмами.

10. Функции дыхательной системы • 509

В о-первых, гипоксия может прямо угнетать нейронную активность дыха­тельного центра и таким образом усугублять степень дыхательной недоста­точности у человека, восходящего на высокую гору. Во-вторых, гипоксия

I вызывает усиление кровотока в сосудах мозга под влиянием низкого на-

пряжения О₂ в крови. Этот механизм способствует повышению кислород­ного снабжения ткани мозга человека в условиях выраженной гипоксемии. Однако усиление мозгового кровотока повышает скорость газообмена СО₂ между межклеточной жидкостью мозга и кровью и вызывает снижение на­пряжения СО₂ в ткани мозга, а следовательно, уменьшение стимулирую­щего влияния центральных хеморецепторов на дыхательный центр и сни­жение вентиляции легких. Этот механизм вызывает нарастание степени артериальной гипоксемии, и в условиях пониженного парциального давле­ния О₂ в атмосферном воздухе у человека увеличивается дыхательная не­достаточность. При высокой степени развития горной болезни у человека ее проявления становятся опасными для жизни. Проявление крайней фи­зической слабости и угнетение функциональной активности ЦНС могут

• быть настолько велики, что пострадавший без посторонней помощи не в

состоянии принять меры защиты против грозящей ему смертельной опас­ности. Аналогичные явления дыхательной недостаточности могут возник­нуть у людей при воздушных полетах на большой высоте, если происходит разгерметизация летательного аппарата. При понижении барометрического

¹ давления до величин, вызывающих снижение насыщения артериальной

крови кислородом до 50—45 %, у человека под влиянием гипоксии насту-

^ пает смерть.

10.7.2. Дыхание человека при повышенном давлении воздуха

; Дыхание человека при повышенном давлении воздуха имеет место на зна-

> чительной глубине под водой при работе водолазов или при кессонных ра-

' ботах. Поскольку давление одной атмосферы соответствует давлению стол-

ба воды высотой 10 м, то в соответствии с глубиной погружения человека | под воду в скафандре водолаза или в кессоне поддерживается давление

I воздуха по этому расчету. Человек, находясь в атмосфере повышенного

I давления воздуха, не испытывает каких-либо дыхательных расстройств.

^! При повышенном давлении атмосферного воздуха человек может дышать в

! том случае, если в его дыхательные пути поступает воздух под таким же

1 давлением. При этом растворимость газов в жидкости прямо пропорцио-

нальна его парциальному давлению. Поэтому при дыхании воздухом на уровне моря в 1 мл крови содержится 0,011 мл физически растворенного азота. При давлении воздуха, которым дышит человек, например, 5 атмо­ сфер, в 1 мл крови будет содержаться в 5 раз больше физически растворен- ! ного азота. При переходе человека к дыханию при более низком давлении

воздуха (подъем кессона на поверхность или всплытие водолаза) кровь и ткани тела могут удержать только 0,011 мл 1Ч₂/мл крови. Остальное коли- ¹ чество азота переходит из раствора в газообразное состояние. Переход че-

_; ловека из зоны повышенного давления вдыхаемого воздуха к более низко-

I му его давлению должен происходить достаточно медленно, чтобы освобо-

\ вдающийся азот успел выделиться через легкие. Если азот, переходя в га-

■ зообразное состояние, не успевает полностью выделиться через легкие, что

имеет место при быстром подъеме кессона или нарушении режима всплы­ тия водолаза, пузырьки азота в крови могут закупорить мелкие сосуды тка- | ней организма. Это состояние называется газовая эмболия. В зависимости

I от локализации газовой эмболии (сосуды кожи, мышц, центральной нерв-

510 • ФУНКЦИИ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ОРГАНИЗМА

н ой системы, сердца и др.) у человека возникают различные расстройства (боли в суставах и мышцах, потеря сознания), которые в целом называют­ся «кессонной болезнью». Развитие кессонной болезни предотвращается определенной скоростью декомпрессии, т. е. скоростью перехода человека от дыхания при повышенном давлении воздуха к дыханию воздухом при нормальном атмосферном давлении на уровне моря. Например, переход человека от дыхания при одной добавленной атмосфере к дыханию атмо­сферным воздухом на уровне моря должен происходить 5 мин, от двух до­бавленных атмосфер — 30 мин, а от четырех — 60 мин. В случае возникно­вения кессонной болезни пострадавшего немедленно помещают в барока­меру, в которой быстро повышают давление воздуха, которое обеспечивает растворение мелких пузырьков азота в тканях организма. Это приводит к исчезновению проявлений у человека кессонной болезни. Последующая декомпрессия давления воздуха в барокамере производится по специаль­ным нормам времени под наблюдением медицинского персонала за по­страдавшим человеком.