Дыхание и его функции. Этапы дыхания

ДЫХАНИЕ

Дыхание и его функции. Этапы дыхания

Практически любой процесс, при котором окисление органических веществ ведёт к выделению химической энергии, называют дыханием.

Если для этого требуется О_2, то дыхание называют аэробным, а если же реакции идут в отсутствии О₂ – анаэробным дыханием.

Последовательность реакций, посредством которых клетки организма человека используют энергию связей органических молекул, называется внутренним, тканевым или клеточным дыханием.

Под дыханием высших животных и человека понимают совокупность процессов, обеспечивающих непрерывное поступление во внутреннюю среду кислорода, использование его в окислительных реакциях, а также удаление из организма образующихся в процессе метаболизма углекислого газа и частично воды.

Функцию дыхания у человека реализуют:

- внешнее или лёгочное дыхание (газообмен между наружной и внутренней средой организма);

- кровообращение (транспорт газов к тканям и от них);

- система крови (специфическая газотранспортная среда);

- внутреннее или тканевое дыхание (непосредственно процесс клеточного окисления);

- механизмы нейрогуморальной регуляции дыхания.

В связи с этим выделяют следующие основные этапы дыхания:

1. внешнее дыхание, обеспечивающее газообмен между легкими и внешней средой;

2. газообмен между альвеолярным воздухом и притекающей к легким венозной кровью;

3. транспорт газов кровью;

4. газообмен между артериальной кровью и тканями;

5. тканевое дыхание (рис.8.1.).

Результатом деятельности системы внешнего дыхания является обогащение крови О₂ и освобождение от избытка СО₂.

Основная функция дыхательной системы – обеспечение клеток организма необходимым количеством кислорода и выведение из организма углекислого газа.

Рис. 8.1. Этапы дыхания

Другие функции дыхательной системы:

· выделительная – через легкие происходит выделение летучих продуктов обмена (выделение летучих веществ, например: спиртов, эфиров, а так же пылевых и бактериальных частиц);

· терморегуляторная – дыхание способствует теплоотдаче;

· защитная – в ткани легких присутствует большое количество иммунных клеток.

· участие в водном и электролитном балансе;

· участие в депонировании крови;

· гомеостатическая (поддержание газового гомеостаза, а также химического посредством задержки и инактивации многих химических веществ).

Рис. 8.3. Механизм дыхательных движений.

(www.megabook.ru/ Article.asp?AID=594763)

Одностороннее атмосферное давление, действующее на легкие со стороны дыхательных путей, — главная движущая сила легких. Существуют и другие силы, обусловливающие увеличение объема легких при вдохе и уменьшение при выдохе. Увеличение объема грудной полости в момент вдоха приводит к увеличению объема легких, парциальное давление воздуха в них несколько снижается, и воздух из окружающей среды заходит в легкие.

При выдохе объем грудной клетки уменьшается за счет возврата диафрагмы в исходное состояние и расслабление межреберных мышц. Это приводит к увеличению давления внутри легких, которое превышает атмосферное. Так, попытка сделать сильный выдох, если воздухоносные пути закрыты, вызывает значительный рост давления в альвеолах. В нормальных условиях в результате плавного уменьшения легочного объема создается градиент давления, и воздух пассивно выходит из легких.

Атмосферное давление, действующее на легкие только со стороны воздухоносных путей, плотно прижимает их к грудной стенке. Атмосферное давление, действующее на нас снаружи, изолируется кожей и подкожной жировой тканью, поэтому оно не достигает легких с наружной поверхности тела. Грудная полость и плевральная полость, которые окружают легкие, герметичны и с атмосферой не сообщаются.

При нарушении герметичности грудной клетки (например, при ранениях) атмосферное давление начинает действовать не только на внутреннюю поверхность легких, но и на внешнюю. Это приводит к тому, что легкие спадаются (пневмоторакс) и акты вдоха и выдоха становятся невозможными. Двусторонний пневмоторакс, затрагивающий оба легких, если не применяется искусственное нагнетание воздуха в легкие, ведет к смерти.

Понятие о паттерне дыхания.Под паттерном дыхания понимают характер, рисунок, или «почерк», дыхания. Дыхательные кривые отличаются по длительности его фаз - вдоха и выдоха, величине дыхательно­го объема (рис.8.4).

Паттерн дыхания - это совокупность объемных и временных па­раметров, характеризующих структуру дыхательного цикла и легочную вен­тиляцию в целом.

Рис. 8.4. Структура дыхательного цикла.

Vt - дыхательный объем; Тт - общая продолжительность дыхательного цикла;

Ti - продолжительность инспираторной фазы;

Те - продолжительность экспираторной фазы.

Параметры паттерна дыхания:

- количество дыхательных цик­лов в 1 минуту (частота дыхания - ЧД);

- длительность отдельного дыхатель­ного цикла (Т_т) - величина, обратная частоте дыхания;

- длительность вдоха и выдоха - инспираторной и экспираторной фаз (Т_I и Т_е);

- дыхательный объем (ДО) или глубина дыхания (ГД);

- легочная вентиляция (ЛВ), обычно обозна­чаемая как минутный объем дыхания (МОД). Он может быть рассчи­тан как произведение частоты дыхания (ЧД) на величину дыхательного объ­ема: МОД=ДОхЧД

Индивидуально паттерн дыхания различается весьма существенно. Так, по количеству дыхательных циклов в одну минуту, которое считается нормальным в диапазоне от 12 до 16 дыхательных циклов, выделяют:

- тахипноический тип дыхания - тип с относительно частым и неглубоким дыханием, когда частота дыхания выше 20 циклов в минуту;

- брадипноический тип дыхания - тип с медленным и глубоким дыханием, когда частота дыхания ниже 8 циклов в минуту;

- нормопноический тип дыхания - промежуточный тип.

Для количественной оценки лёгочной вентиляции, важно знать, какие объёмы воздуха могут находиться в лёгких в зависимости от фазы и глубины дыхания (рис.8.5).

Рис. 8.5. Основные дыхательные объёмы и ёмкости.

Статические объёмы легких

1. Дыхательный объём (ДО) (400-500 мл) – объём воздуха, вдыхаемый и выдыхаемый при каждом дыхательном цикле.

2. Резервный объём вдоха (дополнительный воздух: 1900-3300 мл) – тот объём, который можно вдохнуть при максимальном вдохе после обычного вдоха.

3. Резервный объём выдоха (резервный воздух: 700-1000 мл)

4. Остаточный объём (1200 мл)

Ёмкости легких

1. Общая ёмкость лёгких (ОЕЛ) – количество воздуха находящееся в лёгких после максимального вдоха (4200-6000 мл)

2. Жизненная ёмкость лёгких (ЖЕЛ) (сумма первых 3-х дыхательных объёмов) – количество воздуха, которое выходит из лёгких при максимально глубоком выдохе, после максимально глубокого вдоха (3300-4800 мл).

3. Ёмкость вдоха (сумма первых 2-х объёмов) (3000 мл).

4. Функциональная остаточная ёмкость (ФОЕ) – сумма 2-х последних объёмов (2400 мл).

Таблица 8.1.

Содержание и парциальное давление (напряжение) кислорода и углекислого газа в различных средах

Среда	Кислород	Углекислый газ
%	мм рт. ст.	мл/л	%	мм рт. ст.	мл/л
Вдыхаемый воздух	20,93		209,3	0,03	0,2	0,3
Выдыхаемый воздух	16,0		160,0	4,5
Альвеолярный воздух	14,0		140,0	5,5
Артериальная кровь	-	100-96	200,0	-		560-540
Венозная кровь	-		140-160	-
Ткань	-	10-15	-	-		-
Около митохондрий	-	01-1	-	-		-

Альвеолярный воздух осуществляет газообмен с притекающей к легким венозной кровью, являясь как бы внутренней газовой средой организма. Состав альвеолярного воздуха отличается постоянством, мало изменяясь при обычном дыхании. При спокойном дыхании в альвеолы с каждым вдохом взрослого человека поступает 350 мл воздуха, и альвеолярный воздух обновляется лишь на 1/7 своего объема (коэффициент вентиляции). При спокойном дыхании давление в альвеолах ниже атмосферного.

Решающим фактором, обусловливающим непрерывность газообмена, является постоянство газового состава альвеолярного воздуха.

Учитывая свойство газов диффундировать из области большего парциального давления в область с меньшим парциальным давлением, несложно понять направленность диффузии О₂ и СО₂ на том или ином уровне дыхания (рис.8.6).

Рис.8.6. Газообмен в легких.

Парциальное давление кислорода в воздухе, заполняющем альвеолы легких, около 106 мм рт. ст., а его напряжение в плазме венозной крови, притекающей к легким, около 40 мм рт.ст. Вследствие разности давлений кислород из альвеол направляется в плазму крови и далее в эритроциты, где его напряжение практически равно нулю. Там он связывается с гемоглобином эритроцитов.

Парциальное давление углекислого газа в альвеолярном воздухе составляет 40 мм рт.ст., а его напряжение в притекающей к легким венозной крови — 46 мм рт.ст. Вследствие разности давлений углекислый газ переходит в альвеолы.

В артериальной крови, притекающей к тканям, напряжение кислорода выше, чем в тканях, а напряжение углекислого газа наоборот значительно ниже. Оно составляет 60 мм рт.ст. в ткани и 40 мм рт.ст. в плазме крови. В эритроцитах напряжение углекислого газа практически равно нулю. Вследствие этого кислород переходит из крови в ткани и включается в цикл метаболических процессов, а углекислый газ, в избытке содержащийся в тканях, переходит в кровь и переносится затем в легкие.

Процесс газообмена происходит непрерывно до тех пор, пока существует разность парциальных давлений и напряжений газов в каждой из сред, участвующих в газообмене.

Величина газообмена является показателем интенсивности окислительных процессов, протекающих в тканях. Для оценки интенсивности газообмена определяют количество кислорода, использованного организмом за определенное время, и количество углекислого газа, выделенного организмом за это же время. Об уровне газообмена можно судить и по величине минутной вентиляции легких. При спокойном дыхании через легкие проходит около 8000 мл воздуха в 1 мин. При физических или эмоциональных напряжениях, различных заболеваниях, сопровождающихся усилением окислительных процессов в тканях, легочная вентиляция возрастает. Газообмен между тканями и кровью, кровью и легкими, легкими и внешней средой может в значительной степени нарушаться при различных заболеваниях легких, сердечно-сосудистой системы, крови. Следствием таких нарушений газообмена может явиться гипоксия — кислородное голодание тканей.

Газообмен в организме осуществляется двумя основными механизма­ми:

1. Конвективный, представляет собой механическое пе­редвижение молекул О₂ и СО₂ с током воздуха или крови. Таким образом, осуществляется перенос газов в воздухе или крови на большое расстояние.

2. Диффузия. Механизм газообмена между разными средами организма. Диффузия осуществляется из области с высоким парциальным давлением газов в область низкого их давления, причём на работу по переносу молекул затрачивается их собственная кинетическая энергия

В организме кислород и углекислый газ транспортируются кровью.

Кислород, поступающий из альвеолярного воздуха в кровь, связывается с гемоглобином эритроцитов, образуя так называемый оксигемоглобин, и в таком виде доставляется к тканям.

Количество кислорода, связанного гемоглобином в 100 мл крови, носит название кислородная ёмкость крови.

Известно, что каждый грамм гемоглобина связывает 1,34-1,35 мл О_2. Следовательно, КЕК здорового мужчины, у которого в 100 мл крови содержится 15 г Hb, составляет 20,4 объёмных процента (табл.8.2).

Таблица 8.2. Количество гемоглобина и кислородная емкость крови

Гемоглобин у мужчин у женщин	14-15 гр% Нb (на 100 мл крови) 13,5-14,5 гр% Нb (на 100 мл крови)
Кислородная ёмкость крови КЕК) в покое   при мышечной работе	20 об % О2 (1 гр. Нb связывает 1,34-1,35 мл О2) увеличение на 5-10 %

В тканевых капиллярах кислород отщепляется и переходит в ткани, где включается в окислительные процессы. Свободный гемоглобин связывает водород и превращается в так называемый восстановленный гемоглобин. Углекислый газ, образующийся в тканях, переходит в кровь и поступает в эритроциты. Затем часть углекислого газа соединяется с восстановленным гемоглобином, образуя так называемый карбогемоглобин, и в таком виде углекислый газ и доставляется к легким. Однако большая часть углекислого газа в эритроцитах при участии фермента карбоангидразы превращается в бикарбонаты, которые переходят в плазму и транспортируются к легким. В легочных капиллярах бикарбонаты при помощи специального фермента карбоангидразы распадаются и выделяется углекислый газ. Отщепляется углекислый газ и от гемоглобина. Углекислый газ переходит в альвеолярный воздух и с выдыхаемым воздухом удаляется во внешнюю среду.

Следует знать, что более эффективно, чем углекислый газ с гемоглобином, связывается окись углерода известная как угарный газ. Образующийся в этом случае так называемый карбоксигемоглобин не способен связывать кислород.

Наконец, последним этапом дыхания является тканевое дыхание или окислительно-восстановительные реакции, протекающие в клетках организма. Существо этих реакций заключается в том, что сложные органические вещества окисляются при участии специальных ферментов кислородом до конечных продуктов в виде аммиака, воды и двуокиси углерода. Освобождающаяся при этом энергия выделяется частично в виде тепла, однако основная ее часть идет на образование известных всем молекул АТФ, которые являются источником энергии, необходимой для жизнедеятельности организма.

В тканевых капиллярах кислород отщепляется и переходит в ткани, где включается в окислительные процессы. Свободный гемоглобин связывает водород и превращается в так называемый восстановленный гемоглобин.

Вопросы для самоконтроля

ОБМЕН ЭНЕРГИИ

Рис. 9.2. Изменение основного обмена с возрастом

Основной обмен в организме регулируется нервной системой и гормонами. Роль нервной системы подтверждена опытами с введе­нием животному кураре. Этот яд парализует окончания двигатель­ных нервов в мышцах. В результате в них уменьшается интенсив­ность окислительных процессов, что ведет к снижению основного обмена.

На основной обмен влияют гормоны щитовидной железы и ги­пофиза. При усилении функции щитовидной железы величина его повышается, при ослаблении понижается.

Спортивная тренировка, экономизируя окислительные процессы в организме, в большинстве случаев ведет к снижению основного обмена. Наиболее ярко это проявляется у спортсменов-стайеров.

Энерготраты в состоянии относительного покоя превышают ве­личину основного обмена. Это обусловлено влиянием на обмен пи­щеварительных процессов, терморегуляцией и энерготратами на поддержание позы тела.

Увеличение расхода энергии после приема пищи обусловлено работой гладких мышц пищеварительных органов и деятельностью пищеварительных желез. Процессы всасывания питательных ве­ществ и их усвоение также требуют дополнительных энергетиче­ских трат. Повышение обмена энергии под влиянием приема пищи зависит от ее состава и количества. Наиболее резкие сдвиги вызывает переваривание белковой пищи. Расход энергии при этом возрастает на 20—30%. Переваривание жира сопровождается увели­чением энерготрат на 7%, углеводов — на 4—5%. Повышение энер­гетического обмена под влиянием приема пищи может продолжать­ся 5—6 час и более.

Поддержание постоянства температуры тела (вне зоны комфор­та) требует значительных энерготрат. Например, при низкой тем­пературе окружающей среды окислительные процессы могут в 3— 4 раза превышать уровень основного обмена.

Поддержание позы тела обусловлено повышением тонуса опреде­ленных мышечных групп. Это ведет к увеличению энерготрат. Они особенно нарастают при необходимости сохранять неудобную или непривычную для человека позу.

Энерготраты в состоянии относительного покоя могут быть рез­ко увеличенными в связи с восстановительными процессами после выполнения работы. Это обусловлено химическими реакциями в мышцах, главным образом окислением молочной кислоты.

Уровень энергетического обмена в состоянии относительного по­коя может изменяться под влиянием условнорефлекторных раздражителей. Любой из них после нескольких сочетаний с безусловно-рефлекторными изменениями обмена веществ может стать сигналом, вызывающим такие же сдвиги обмена. Например, производствен­ный шум вызывает увеличение расхода энергии даже у рабочих, находящихся в другом помещении и не занятых работой. Расход энергии еще больше увеличивается в помещении цеха при наблюде­нии за работой своей бригады. У спортсменов расход энергии повы­шается в предстартовом периоде. Такое условнорефлекторное повышение обмена веществ имеет большое значение для подготовки к предстоящей деятельности.

На основании многочисленных экспериментальных исследований основного обмена у здоровых людей разного пола, веса тела, роста и возраста статистическим путем были составлены таблицы, по которым можно рассчитать величину основного обмена, которая должна быть у данного человека в соответствии с его полом, возрастом, весом тела и ростом. Затем у этого же человека одним из методов калориметрии определяют величину истинного основного обмена и сравнивают эти величины.

Величина основного обмена зависит от многих факторов, но особенно сильно она изменяется при некоторых эндокринных заболеваниях. Например, резкое повышение величины основного обмена наблюдается при гиперфункции щитовидной железы, а при гипофункции этой железы, он понижен. К снижению величины основного обмена приводит недостаточность функции гипофиза и половых желез.

МЫШЕЧНАЯ РАБОТА существенно изменяет интенсивность обмена, он может иногда увеличиваться в 20 раз по сравнению с уровнем ос­новного обмена (ОО).

При этом увеличивается и ПОТРЕБЛЕНИЕ КИСЛОРОДА - объем утилизируемого организмом кислорода в единицу времени.

Если в условиях покоя в условиях покоя потребление кислорода равно 0,2 - 0,4 л/мин, то при работе оно увеличивается в несколь­ко раз, и при критических мощностях может достигать своего макси­мума - достигая индивидуального "кислородного потолка" - т.н. максимального потребления кислорода (МПК).

МПК - это наибольшее количество кислорода, которое организм в состоянии утилизировать во время интенсивной мышечной работы.

Величина МПК характеризует аэробную мощность - способность расходовать энергию на мышечную работу за счет аэробных процес­сов. Уровень МПК у данного лица зависит от его физического разви­тия, обусловленного как врожденными факторами, так и условиями жизни. МПК увеличивается под влиянием систематической физической тренировки и уменьшается при "сидячем" образе жизни. Поскольку МПК зависит от размеров (массы) тела, для различных сопоставлений удобно относить результаты измерений этого показателя к массе те­ла и выражать их в миллилитрах потребления кислорода в минуту на 1 кг массы тела.

В практике, в процессе тренировки иногда важно знать на ка­ком аэробном уровне производится та или иная работа, допустим в % от МПК. Для этого можно использовать определенную взаимосвязь уровня аэробной производительности и частоты сердечных сокраще­ний. Зная уровень ЧСС, можно приблизительно предсказать и уровень развертывания аробного механизма (табл. 9.1).

Потребление кислорода при физической нагрузке не отражает общего расхода энергии. При начале работы, а на нее требуется оп­ределенное количество энергии, потребление кислорода не сразу удовлетворяет эту потребность. Со временем устанавливается стаци­онарное состояние, при котором потребность в кислороде удовлетво­ряется его притоком.

Таблица 9.1

Таблица 9.2

Вопросы для самоконтроля

ДЫХАНИЕ

Дыхание и его функции. Этапы дыхания

Практически любой процесс, при котором окисление органических веществ ведёт к выделению химической энергии, называют дыханием.

Если для этого требуется О_2, то дыхание называют аэробным, а если же реакции идут в отсутствии О₂ – анаэробным дыханием.

Последовательность реакций, посредством которых клетки организма человека используют энергию связей органических молекул, называется внутренним, тканевым или клеточным дыханием.

Под дыханием высших животных и человека понимают совокупность процессов, обеспечивающих непрерывное поступление во внутреннюю среду кислорода, использование его в окислительных реакциях, а также удаление из организма образующихся в процессе метаболизма углекислого газа и частично воды.

Функцию дыхания у человека реализуют:

- внешнее или лёгочное дыхание (газообмен между наружной и внутренней средой организма);

- кровообращение (транспорт газов к тканям и от них);

- система крови (специфическая газотранспортная среда);

- внутреннее или тканевое дыхание (непосредственно процесс клеточного окисления);

- механизмы нейрогуморальной регуляции дыхания.

В связи с этим выделяют следующие основные этапы дыхания:

1. внешнее дыхание, обеспечивающее газообмен между легкими и внешней средой;

2. газообмен между альвеолярным воздухом и притекающей к легким венозной кровью;

3. транспорт газов кровью;

4. газообмен между артериальной кровью и тканями;

5. тканевое дыхание (рис.8.1.).

Результатом деятельности системы внешнего дыхания является обогащение крови О₂ и освобождение от избытка СО₂.

Основная функция дыхательной системы – обеспечение клеток организма необходимым количеством кислорода и выведение из организма углекислого газа.

Рис. 8.1. Этапы дыхания

Другие функции дыхательной системы:

· выделительная – через легкие происходит выделение летучих продуктов обмена (выделение летучих веществ, например: спиртов, эфиров, а так же пылевых и бактериальных частиц);

· терморегуляторная – дыхание способствует теплоотдаче;

· защитная – в ткани легких присутствует большое количество иммунных клеток.

· участие в водном и электролитном балансе;

· участие в депонировании крови;

· гомеостатическая (поддержание газового гомеостаза, а также химического посредством задержки и инактивации многих химических веществ).