Усиление газообмена при мышечной работе. Понятие о кислородном долге
В состоянии покоя человек вдыхает и выдыхает около 500 мл воздуха. Этот объем воздуха называется дыхательным. Дополнительно человек может вдохнуть еще около 1500 мл, а после спокойного выдоха может выдохнуть сверх того около 1500 мл резервного воздуха. Если сделать максимальный вдох, а затем через мундштук в специальный газомер максимальный выдох, то в него поступит дыхательный, дополнительный и резервный воздух - в среднем 3500 мл. Этот воздух составляет жизненную емкость легких. После максимального выдоха в легких всегда остается остаточный воздух (около 1500 мл). Соотношение объемов воздуха при дыхании представлено на рисунке 22.
Рис. 22. Соотношение объемов воздуха, находящегося в легких
Таким образом, при спокойном дыхании грудная полость не расширяется и не спадается до минимума, а в случае необходимости объем дыхательных движений может увеличиться в сторону вдоха и выдоха, благодаря чему значительно вырастает объем воздуха, входящего в легкие.
Обмен воздуха между альвеолами легких и внешней средой осуществляется в результате ритмичных дыхательных движений грудной клетки. При вдохе объем грудной клетки и легких увеличивается, давление в них понижается и воздух через воздухоносные пути входит в легочные альвеолы. При выдохе объем грудной клетки уменьшается, давление в легких повышается и воздух выходит из них наружу.
В альвеолах происходит обмен газов. Кислород переходит из альвеолярного воздуха в кровь, а углекислый газ выделяется из крови в альвеолярный воздух. Состав воздуха в альвеолах непрерывно обновляется. Во время вдоха сюда поступает воздух с большим содержанием кислорода (О2), а во время выдоха удаляется воздух, содержащий в большом количестве углекислый газ (CO2). Этим самым поддерживается определенная концентрация CO2 и O2 в альвеолярном воздухе и в крови.
Во время мышечной работы усиленное потребление кислорода приводит к увеличению легочной вентиляции за счет углубления и учащения дыхания. В спокойном состоянии взрослый человек делает 10-20 дыханий в минуту, при этом легочная вентиляция - количество воздуха, пропускаемого легкими, составляет от 4 до 7 л. При выполнении работ повышенной тяжести легочная вентиляция может достичь нескольких десятков литров (90-120) воздуха в минуту, а частота дыханий увеличиться до 50 и более. Возрастает также коэффициент использования кислорода, который определяется как отношение потребления кислорода (в литрах) к легочной вентиляции (в литрах). В состоянии покоя он равен 3-3,5%, во время работы он выше - до 5%. Количество кислорода, потребляемого человеком в покое, составляет 150-300 мл в минуту. При выполнении некоторых работ оно может возрасти в 10-15 раз и достичь 1-3 л в минуту, максимально - 5 л.
Усиление легочной вентиляции при выполнении работы обеспечивается по-разному. Иногда наблюдается, особенно у нетренированных людей, неуравновешенность дыхания, его задержка при физическом напряжении. Лишь в результате повторения работы дыхание становится отрегулированным. Исследования показали, что у тренированных людей физиологический эффект достигается благодаря установлению с самого начала работы умеренного глубокого дыхания. В отличие от этого у нетренированных людей частота дыхания по мере нарастания работы увеличивается, а глубина его уменьшается. Редкое, но более глубокое дыхание значительно эффективнее, так как альвеолы вентилируются в данном случае лучше.
Регуляция дыхания во время мышечной работы осуществляется из центральной нервной системы по двум направлениям:
а) в результате безусловной рефлекторной саморегуляции, в которой в качестве наиболее сильного химического стимулятора дыхательной деятельности выступает углекислый газ. Накопление CO2 в крови при одновременном уменьшении O2 приводит к раздражению хеморецепторов, расположенных в аорте и полых венах. Раздражение их передается в центральную нервную систему, ответом является усиление дыхательной деятельности;
б) путем образования условных рефлексов на основе безусловных. На производстве обстановка цеха, его вид и специфические звуки вызывают углубление и учащение дыхания, если человек в этом помещении подвергается действию GO2 повышенной концентрации. При мышечной работе дыхание стимулируется в значительной мере условно-рефлекторным воздействием, при этом сама мышечная работа превращается в условный сигнал усиления дыхания.