лекции биология / ДыхатСист

Дыхательная система.

Источником энергии в организме человека являются органические вещества. В клетках происходит их бескислородное окисление (гликолиз) и кислородное окисление (дыхание), которое сопровождается потреблением кислорода, выделением углекислого газа и энергии.

Дыхание – совокупность процессов газообмена между организмом и окружающей средой, которые обеспечивают поступление в организм кислорода, использование его в биологическом окислении органических веществ и удаление из организма углекислого газа, образованного в процессе обмена веществ.

Газообмен у животных и человека осуществляется путем диффузии. При диффузии молекулы перемещаются из области их высокой концентрации в область низкой концентрации за счет их собственной кинетической энергии. Однако молекулы могут диффундировать на расстояния до 1 мм. При переносе веществ на большие расстояния в организме животных используются различные системы вентиляции и транспорта газов.

Перенос кислорода из окружающей среды к клеткам, где он вступает в химические реакции, включает ряд стадий:

1. Вентиляцию легких (доставка кислорода в альвеолы);

2. Диффузию кислорода из альвеол в кровь легочных капилляров;

3. Перенос его кровью к капиллярам тканей;

4. Диффузию из капилляров в окружающие ткани.

Выделяют легочное (внешнее) дыхание (1 и 2 стадии), и тканевое дыхание (3 стадия). В результате биологического окисления в митохондриях клеток освобождается энергия для жизнедеятельности организма.

Обмен газов между кровью и воздухом осуществляется дыхательной системой, которая включает воздухоносные пути и легкие. Органы дыхания – носовая полость, глотка, гортань, трахея, бронхи и легкие – обеспечивают циркуляцию воздуха и газообмен.

Воздух через наружные отверстия (ноздри) поступает в полость носа. Носовая полость делится костно-хрящевой перегородкой на две половины. Ее внутреннюю поверхность образуют три извилистых носовых хода. По ним воздух, поступающий через ноздри, проходит в носоглотку.

Многочисленные железы, расположенные в слизистой оболочке, выделяют слизь, которая увлажняет вдыхаемый воздух. Обильное кровоснабжение слизистой оболочки согревает воздух. На влажной поверхности слизистой оболочки задерживаются находящиеся во вдыхаемом воздухе пылинки и микробы, которые обезвреживаются слизью и лейкоцитами.

Слизистая оболочка дыхательных путей выстлана мерцательным эпителием, клетки которого имеют на внешней поверхности тончайшие выросты – реснички, способные сокращаться. Сокращение ресничек совершается ритмически и направлено в сторону выхода из носовой полости. При этом слизь с прилипшими частицами и микробами выносятся наружу из носовой полости. В верхней части носовой полости находятся окончания обонятельного нерва, воспринимающего различные запахи.

Через носоглотку воздух проходит в гортань. Она служит для проведения воздуха из глотки в трахею и совместно с ротовой полостью является органом звукообразования и членораздельной речи. Гортань – полый орган, стенки которого образованы парными и непарными хрящами (щитовидный, перстневидный, два черпаловидных и надгортанник), соединяющийся связками, суставами, мышцами и подъязычной костью. Между передним и задним хрящами (от отростков черпаловидных хрящей и внутренней поверхности щитовидного хряща) натянуты голосовые связки, образующие голосовую щель. Одни из мышц гортани при сокращении суживают щель, а другие – расширяют.

Звук голоса возникает в результате колебания голосовых связок при вдыхании воздуха. Оттенки голоса, его тембр зависят от длины голосовых связок и от системы резонаторов, которую составляют полости гортани, глотки, рта, носа и его придаточных пазух. В воспроизведении членораздельной речи кроме голосовых связок, участвуют язык, губы, щеки, мягкое небо, надгортанник. На уровне 6 – 7 шейного позвонков гортань переходит в трахею.

Трахея, или дыхательное горло, является продолжением гортани и представляет собой трубку длиной 9 – 11 см и диаметром 15 – 18 мм. Трахея состоит из хрящевых полуколец, препятствующих спадению ее стенок, соединенных связками. Эти полукольца сзади объединены между собой соединительно-тканной перепонкой с переплетающимися гладкими мышечными волокнами и прилегают к пищеводу. Нижний конец трахеи делится на два главных бронха, которые затем многократно ветвятся, входят в правое и левое легкие, образуя в них «бронхиальное дерево». Стенка крупных бронхов содержит неполные хрящевые кольца, их просвет всегда открыт. Стенки малых бронхов хрящей не имеют и состоят из эластических и гладкомышечных волокон.

Самые тонкие, конечные бронхиальные веточки – бронхиолы – переходят в альвеолярные ходы, на стенках которых находятся многочисленные тонкостенные выпячивания, оплетенные густой сетью капилляров - легочные пузырьки – альвеолы. Их диаметр 0,15 – 0,25 мм, глубина 0,06 – 0,3 мм. Число альвеол достигает 700 млн., общая их поверхность до 120 м². Они заполнены воздухом. Между стенками альвеол и капилляров происходит газообмен.

Стенки альвеол выстланы однослойным плоским эпителием, покрытым тонкой пленкой вещества, состоящего из белков, фосфолипидов и гликопротеидов – сурфактантом. Его основная функция – поддержание поверхностного натяжения стенки альвеолы, ее способности к растягиванию при вдохе и противодействие спадению при выдохе. Сурфактант обладает также бактерицидными свойствами.

Легкие занимают почти весь объем грудной полости и представляют собой парный упругий губчатый орган. В центральной части легкого располагаются ворота, куда входят бронх, легочная артерия, нервы, а выходят легочные вены. Правое легкое делится бороздами на три доли, левое – на две. Снаружи легкие покрыты плеврой, которая состоит из двух листков: внутреннего (висцерального), покрывающего легкое и наружного (париетального), выстилающего внутреннюю полость грудной клетки и срастающегося с ней. Между листками находится замкнутая плевральная полость с небольшим количеством серозной жидкости. Она играет роль смазки, снижая трение листков при дыхательных движениях легких. Давление в плевральной полости ниже атмосферного. Если атмосферное давление принять за 0, то при вдохе давление 9 мм.рт.ст, а при выдохе – 4 мм.рт.ст. Если при ранении давление в плевральной полости становится равным атмосферному, легкое перестает растягиваться при вдохе. Это явление называется пневмотораксом.

Средостение – это комплекс органов, расположенных между правым и левым листками медиастинальной (боковой) плевры (сердце, пищевод, дуга аорты, вилочковая железа, и пр). В месте перехода реберной плевры в диафрагмальную образуется реберно-диафрагмальный синус – запасное пространство легких при их расширении.

Газообмен в легких и тканях. Вдыхаемый атмосферный воздух содержит около 79% азота, 21 % кислорода, и 0,03% диоксида углерода. В основе газообмена лежит разность концентрации газов: концентрация кислорода в поступившем в альвеолы воздухе выше, чем в легочных капиллярах (его парциальное давление в альвеолах 100 мм рт.ст., а в капиллярах – 40 мм рт.ст.). Поэтому кислород из альвеол диффундирует через стенки кровеносных капилляров в кровь, проникает в эритроциты, где вступает в непрочное соединение с гемоглобином, образуя оксигемоглобин. При взаимодействии гемоглобина с кислородом концентрация свободного кислорода в плазме понижается, что способствует диффузии новых порций кислорода из альвеол и полному насыщению гемоглобина кислородом. Кислород в крови находится в растворенном состоянии менее 1%, и в соединении с гемоглобином – 99%.

Теоретически 1 г гемоглобина может связать 1,39 мл кислорода. Однако часть гемоглобина находится в неактивном состоянии и реально связывается 1,34 мл кислорода. Поскольку в 1 л крови содержится в среднем 150 г гемоглобина (158 г у мужчин и 140 г у женщин), то в указанном объеме (1 л) находится 0,2 л кислорода – кислородная емкость крови. При уменьшении парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе и снижении концентрации его в плазме крови количество оксигемоглобина падает.

Кровь, насыщенная кислородом, становится артериальной и через легочные вены поступает в правое предсердие. Обмен газов в тканях осуществляется по тому же принципу, что и в легких. Кислород из тканевых капилляров, где его концентрация высока, переходит в тканевую жидкость с более низкой концентрацией кислорода. Из тканевой жидкости он проникает в клетки и сразу же вступает в реакции окисления, поэтому в клетках практически нет свободного кислорода.

Диоксид углерода по тем же законам поступает из клеток, через тканевую жидкость в капилляры. Выделяющийся углекислый газ способствует диссоциации оксигемоглобина, и сам вступает в соединение с гемоглобином, образуя карбгемоглобин, который транспортируется в легкие и выделяется в атмосферу.

В оттекающей от органов венозной крови углекислый газ находится как в связанном (около 10%), так и в растворенном состоянии в виде угольной кислоты, которая в капиллярах легких легко распадается на воду и углекислый газ. Угольная кислота может также вступать в соединения с солями калия и натрия, превращаясь в гидрокарбонаты. В составе гидрокарбоната калия эритроцитов и гидрокарбоната натрия плазмы углекислый газ транспортируется к легким. Образование бикарбонатов обеспечивает буферность крови.

В легких, куда поступает венозная кровь, кислород снова насыщает кровь, а углекислый газ из зоны высокой концентрации (легочных капилляров) переходит в зону низкой концентрации (альвеол).

Для нормального газообмена воздух должен постоянно сменяться, что достигается ритмическими актами вдоха и выдоха за счет движений межреберных мышц и диафрагмы.

Вентиляция легких. Жизненная емкость легких состоит из дыхательного объема, резервного объема вдоха и резервного объема выдоха. Дыхательный объем – количество воздуха, поступающего в легкие при каждом спокойном вдохе и выходящего при спокойном выдохе. У взрослого человека в покое он равен примерно 500 см ³.

Легочная вентиляция – количество воздуха, проходящего за одну минуту через легкие, или произведение дыхательного объема на число дыхательных движений (14 – 15 раз/ мин). В покое у взрослого человека она составляет около 7 л воздуха в минуту.

После спокойного выдоха можно при максимальном напряжении выдохнуть еще 1500 см ³ воздуха – это резервный объем выдоха.

Т.о., наибольшее количество воздуха, которое человек может выдохнуть после самого глубокого вдоха – около 3500 – 4500 см³ и составляет жизненную емкость легких. Она больше у спортсменов (пловцов, гребцов) и может достигать 8л, чем у нетренированных людей и зависит от степени развития грудной клетки, пола, возраста. С возрастом жизненная емкость легких уменьшается вследствие снижения эластичности легких и подвижности грудной клетки. Под влиянием курения ЖЕЛ снижается.

ЖЕЛ составляют три легочных объема:

1. Дыхательный объем – то количество воздуха, которое вдыхается и выдыхается при каждом обычном спокойном вдохе (400 – 500 мл).

2. Резервный объем вдоха – то количество воздуха, которое можно вдохнуть при максимальном вдохе после обычного вдохе (1900 – 3200 мл).

3. Резервный объем выхода – количество воздуха, которое можно выдохнуть при максимальном выдохе после обычного выдоха (700 – 1000мл).

Легкие не спадаются даже после максимального выдоха, т. к. в них остается еще 1000 - 1500 см ³ воздуха – остаточный объем.

При спокойном дыхании после выдоха в легких остается резервный объем выдоха и остаточный объем воздуха. Сумму этих объемов называют функциональной остаточной емкостью

Дыхательным мертвым пространством называется тот объем дыхательных путей, в котором не происходит процесса газообмена между воздухом и кровью. У человека среднего возраста объем дыхательного мертвого пространства составляет 140 – 150 мл, или 1/3 дыхательного объема при спокойном дыхании. В альвеолах к концу спокойного выдоха находится около 3000 мл воздуха (функциональная остаточная емкость), поэтому при каждом спокойном вдохе обновляется 1/7 – 1/10 альвеолярного воздуха.

Показателями вентиляции легких являются:

• Минутный объем дыхания, определяемый как произведение дыхательного объема на число дыханий в минуту. В покое 6 – 8 л/мин, при физической нагрузке – от 30 до 100 – 250 л/мин.

• Частота дыхательных движений в покое, 12 – 16 в минуту.

Дыхательные движения – т.е. попеременное увеличение и уменьшение объема грудной клетки, обусловленное ритмическими сокращениями дыхательных мышц, осуществляют вдох и выдох -–поступление и удаление из легких воздуха – вентиляцию легких.

При вдохе межреберные мышцы приподнимают ребра, а диафрагма, сокращаясь, становится менее выпуклой. В результате объем грудной клетки увеличивается, легкие расширяются, давление воздуха в них становится ниже атмосферного, и воздух устремляется в легкие – происходит спокойный вдох. При глубоком вдохе, кроме межреберных мышц и диафрагмы, одновременно сокращаются мышцы груди и плечевого пояса. При выдохе межреберные мышцы и диафрагма расслабляются, ребра опускаются, выпуклость диафрагмы увеличивается. В результате объем грудной клетки уменьшается, легкие сжимаются, давление в них становится выше атмосферного, и воздух устремляется из легких, – происходит спокойный выдох. Глубокий выдох обусловлен сокращением межреберных выдыхательных мышц и брюшных мышц.

Нервная и гуморальная регуляция дыхания. Согласованность, координация, ритмичность сокращений и расслаблений дыхательных мышц обусловлены поступающими к ним по нервам импульсами от дыхательного центра продолговатого мозга (центра вдоха= инспираторного и выдоха= экспираторного). К дыхательному центру также относится группа клеток верхней части варолиева моста. Это так называемый центр пневмотаксиса. Дыхательному центрау свойственная автоматия.

Нервные механизмы саморегуляции дыхания проявляются в том, что вдох рефлекторно вызывает выдох, а выдох – вдох. Это происходит потому, что во время вдоха, при растяжении легочной ткани в рецепторах, находящихся в ней, возникает возбуждение, которое передается продолговатому мозгу и вызывает торможение центра дыхания. Сокращение дыхательных мышц прекращается, они расслабляются, и происходит выдох. При выдохе поток импульсов от рецепторов прекращается, дыхательный центр растормаживается, и наступает вдох.

Гуморальная регуляция дыхания состоит в том, что повышение концентрации углекислого газа в крови возбуждает дыхательный центр – частота и глубина дыхания увеличиваются. Низкое содержание углекислого газа в крови вызывает торможение дыхательного центра, – частота и глубина дыхания уменьшаются.

В регуляции дыхания принимают участие и оказывают влияние на его параметры величины pH и концентрации кислорода, действующие на хеморецепторы, находящиеся в нервных ганглиях стенок сосудов, в частности, в стенке дуги аорты. Импульсы от этих ганглиев поступают в дыхательные центры по волокнам блуждающего нерва.

4