Строение воздухоносных путей
Дыхание – комплекс физиологических процессов, осуществляемый дыхательным аппаратом и системой кровообращения, обеспечивающий питание тканей организма кислородом и выведение из них углекислого газа.
Дыхательный аппарат человека состоит из легких, находящихся в полости грудной клетки; воздухоносных путей – полость носа, носоглотка, глотка, трахея, бронхи; грудной клетки и дыхательной мускулатуры. Трахея в нижней своей части делится на два бронха, каждый из которых входя в легкие, древовидно разветвляется. Конечные мельчайшие разветвления бронхов (бронхиолы) переходят в закрытые альвеолярные ходы, в стенках которых имеется большое количество шаровидных выпячиваний легочных пузырьков (альвеол). Каждая альвеола окружена густой сетью кровеносных капилляров. Общая поверхность всех легочных пузырьков очень велика, она в 50 раз превышает поверхность кожи человека и составляет более 100 м2 .
Обмен воздуха в легких происходит в результате дыхательных движений грудной клетки. При расширении полости грудной клетки, которое сопровождается понижением в ней давления, в легкие засасывается порция воздуха, происходит вдох. Затем полость грудной клетки уменьшается, и воздух из легких выталкивается, происходит выдох. Расширение полости грудной клетки осуществляется в результате деятельности дыхательной мускулатуры. В покое при вдохе расширяется специальная дыхательная мышца – диафрагма и наружные межреберные мышцы; при интенсивной физической работе включаются зубчатые, лестничные, грудино-ключично-сосцевидные и другие мышцы. Выдох в покое производится пассивно, при расслаблении мышц, осуществляющих вдох, грудная клетка под воздействием силы тяжести и атмосферного давления уменьшается.
При интенсивной физической работе в выдохе участвуют мышцы брюшного пресса, внутренние межреберные, зубчатые и другие мышцы. Систематические занятия физическими упражнениями и спортом укрепляют дыхательную мускулатуру и способствуют увеличению объема и подвижности (экскурсии) грудной клетки.
Различают: внешнее дыхание, при котором кислород из атмосферного воздуха переходит в кровь, а углекислый газ из крови – в атмосферный воздух; тканевое дыхание – потребление клетками кислорода и выделение ими углекислоты как результата биохимических реакций, связанных с образованием энергии для обеспечения процесса жизнедеятельности.
Внешнее дыхание осуществляется в альвеолах легких. Здесь через полупроницаемые стенки альвеол и капилляров (суммарной толщиной не более 4 мк.) происходит переход кислорода из воздуха, заполняющего полости альвеол (альвеолярный воздух), в кровяное русло капилляров, а углекислого газа из крови в полость альвеол. Молекулы кислорода и углекислого газа осуществляют этот переход за сотые доли секунды.
После переноса кислорода кровью к тканям осуществляется тканевое дыхание. Кислород переходит из крови в межтканевую жидкость и оттуда в клетки тканей, где используется для обеспечения процессов обмена веществ. Углекислый газ, интенсивно образующийся в клетках, переходит в межтканевую жидкость и затем в кровь. С помощью крови он транспортируется к легким, из которых выводится из организма.
Переход кислорода и углекислого газа через полупроницаемые стенки альвеол, капилляров и оболочек эритроцитов и клеток тканей происходит путем диффузии (перехода) и обусловлен разностью парциального давления каждого из этих газов.
Затраты энергии на физическую работу обеспечиваются биохимическими процессами, происходящими в мышцах в результате окислительных реакций, для которых постоянно необходим кислород.
Частота дыхания. Средняя частота дыхания в покое составляет 16-20 циклов в минуту. Один цикл состоит из вдоха, выдоха и дыхательной паузы. У женщин частота дыхания на 1-2 цикла больше. У спортсменов в покое частота дыхания снижается до 8-12 циклов в минуту за счет увеличения глубины дыхания, дыхательного объема. При физической работе частота дыхания увеличивается, например, у лыжников и бегунов – до 20 – 28, у пловцов – до 36 – 45 циклов в минуту. В спортивной практике наблюдаются случаи учащения дыхания до 75 циклов в минуту.
Дыхательный объем – количество воздуха, проходящего через легкие при одном дыхательном цикле. В покое дыхательный объем находится в пределах 350-800 мл. Величина дыхательного объема зависит от степени тренированности человека к физическим нагрузкам. При интенсивной физической работе дыхательный объем может увеличиваться до 2,5 л. и более.
Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) – максимальное количество воздуха, которое может выдохнуть человек после максимального вдоха. Средние величины ЖЕЛ составляют у мужчин 3800-4200 мл, у женщины 3000 – 3500 мл. Величина ЖЕЛ зависит от возраста, веса, роста, пола, состояния тренированности человека и от других факторов. У людей с недостаточным физическим развитием и имеющих заболевания эта величина меньше средней; у людей, занимающихся физической культурой, она выше, а у спортсменов она может достигать 7000 мл. и более у мужчин, 8000 мл. и более у женщин.
Кислородный запрос – количество кислорода, необходимое организму в 1 минуту для окислительных процессов в покое и для обеспечения работы различной интенсивности. Кислородный запрос соответствует величине расхода энергии на выполняемую работу. В покое для обеспечения процессов жизнедеятельности организму требуется 250-300 мл. кислорода. При интенсивной физической работе кислородный запрос может увеличиваться в 20 и более раз. Например, при беге на 5 км. Величина кислородного запроса у спортсменов достигает 5-6 л.
Кислородный долг – количество кислорода, необходимое для окисления продуктов при обмене веществ, накопившихся при физической работе. При длительной интенсивной работе возникает суммарный кислородный долг, который ликвидируется после окончания работы. Величина максимально возможного суммарного кислородного долга имеет предел (потолок). У нетренированных людей он находится в пределах 10 л. у тренированных может достигать 20 л. и более.
Кислородный долг возникает в том случае, когда кислородный запрос человека выше потолка потребления кислорода. Например, при беге на 5000метров кислородный запрос у спортсмена при пробеге этой дистанции за 14 минут равен 7 л. в минуту, а потолок потребления у данного спортсмена – 5,3 л. следовательно, в организме каждую минуту возникает кислородный долг равный 1,7л.
Когда в клетки тканей поступает меньше кислорода, чем нужно для полного обеспечения потребности в энергии, наступает кислородное голодание, или гипоксия. Гипоксия может наступать по различным причинам. Внешними причинами могут являться загрязнение воздуха, подъем на высоту (в горы, полет на самолете) и др. В этих случаях падает парциальное давление кислорода в атмосферном и альвеолярном воздухе и снижается количество кислорода, поступающего в кровь для доставки к тканям. Если на уровне моря парциальное давление кислорода в атмосферном воздухе равно 159 мм рт. ст., то на высоте 3000 м. оно снижается до 110 мм, а на высоте 5000 ад. – до 75-80 мм рт. ст.
Внутренние причины гипоксии зависят от состояния дыхательного аппарата и сердечно-сосудистой системы организма человека, проницаемости стенок альвеол и капилляров, количества эритроцитов в крови и процентного содержания в них гемоглобина, от степени проницаемости оболочек клеток тканей и их способности усваивать доставляемый кислород. Гипоксия по внутренним причинам возникает при гиподинамии и умственном переутомлении, а также при различных болезнях; при этом она связана с нарушением процессов дыхания, снижением доставки кислорода к тканям и с недостаточным усвоением кислорода в различных органах и тканях. Гипоксия тканей, возникающая от подобных причин, нарушает биохимические реакции обмена веществ и другие процессы, что может послужить причиной многих болезней.
При интенсивной мышечной работе наступает двигательная гипоксия. Чтобы как можно полнее обеспечить себя кислородом в условиях гипоксии, организм мобилизует мощные компенсаторные физиологические механизмы. Они работают на различных участках, по которым кислород следует из окружающей атмосферы в клетки тканей. Например, при подъеме в горы увеличиваются частота и глубина дыхания, количество эритроцитов в крови, процент содержания в них гемоглобина, учащается работа сердца. Если при этом выполнять физические упражнения, то повышенное потребление кислорода мышцами и внутренними органами вызывает дополнительную тренировку физиологических механизмов, обеспечивающих кислородный обмен и устойчивость к недостатку кислорода. Подобное сочетание может быть широко использовано для улучшения функций различных органов и тканей у лиц разного возраста, а также для повышения уровня тренированности спортсменов.
Увеличенный поток крови, соответствующей увеличенным, энергетическим затратам, является обязательным условием двигательной работы любых органов. Если кровообращение какого-либо органа будет нарушено, то этот орган уже не сможет в полной мере выполнять свою функцию. Протекающая к тканям артериальная кровь отдает клеткам не весь содержащийся в ней кислород. Если в покое в артериальной крови имеется на каждые 100 мл крови 18-20 мл кислорода, то в оттекающей от тканей венозной крови его величина 12-14 мл. Разность количества кислорода в артериальной и венозной крови называется артериально-венозной разностью по кислороду (АВРО2). В покое она находится в пределах 6 мл кислорода на 100 мл крови. При мышечной работе ткани усваивают из артериальной крови значительно больше кислорода, и АВРО2 может достигать 15-17мл на 100 мл крови.
Здоровая ткань характеризуется удивительно точным соответствием сосудистой реакции функциональному состоянию ткани, ее кислородному запросу. Так, при предельных нагрузках количество протекающей через ткань крови увеличивается в 10 раз.
Большую роль в регуляции кислородного обмена как в органах и тканях, так и в организме в целом имеет углекислота. Между концентрацией в крови углекислого газа и доставкой кислорода тканям существуют строго определенные соотношения. Изменение содержания углекислого газа в крови оказывает влияние на центральные и периферические регуляторные механизмы, обеспечивающие улучшение снабжения организма кислородом, и служит мощным регулятором в борьбе с гипоксией.
Систематическая тренировка средствами физической культуры и спорта не только стимулирует развитие сердечно-сосудистой и дыхательной систем, но и способствует значительному повышению уровня потребления кислорода организмом в целом. В этом заключается фундамент активности, здоровья и устойчивости к действиям неблагоприятных факторов внешней и внутренней среды.