Механизм дыхания

Дыхательные движения. Легочное дыхание обеспечивает переход кислорода из альвеол в кровь легочных капилляров и удаление углекислого газа из крови в альвеолярный воздух. Внешнее дыхание осуществляется в результате ритмических дыхательных движений грудной клетки, обеспечивающих вдох и выдох.

Вдох является следствием сокращения наружных межреберных мышц, изменения положения ребер и диафрагмы. При сокращении наружных межреберных мышц грудная клетка увеличивается в объеме, расширяясь в двух направлениях — переднезаднем и боковых. Увеличение грудной клетки в верхне-нижнем направлении происходит за счет уплощения диафрагмы, вдающейся куполом в грудную полость. Вслед за грудной клеткой растягиваются легкие в силу эластичности своей ткани и отрицательного давления в плевральной полости. По мере увеличения объема легких давление в них падает, становится ниже атмосферного и в альвеолы извне поступает воздух через воздухоносные пути. Происходит вдох (рис. 53).

Выдох происходит после вдоха. Дыхательная мускулатура расслабляется, что приводит к опусканию грудной клетки, купол диафрагмы принимает прежнее положение, органы брюшной полости поднимаются, растянутая легочная ткань сжимается под давлением грудной клетки, объем которой уменьшается. Давление внутри легких становится выше атмосферного — происходит выдох. В глубоком выдохе участвуют определенные группы мышц. Прежде всего, это внутренние межреберные мышцы, оттягивающие ребра книзу, и мышцы живота, надавливающие на брюшные внутренние органы, которые поднимают купол диафрагмы, увеличивая его высоту. По времени вдох всегда короче выдоха.

Жизненная емкость легких. Л. Жизненная емкость легких — это максимальное количество воздуха, которое можно выдохнуть после самого глубокого вдоха. Она слагается из дыхательного, дополнительного и резервного объема воздуха. Количество воздуха, поступающего в легкие при спокойном вдохе и удаляющегося из них при спокойном выдохе, называется дыхательным объемом. У детей младшего школьного возраста дыхательный объем составляет в среднем 350 см³, а у взрослых — 500 см³. После спокойного вдоха можно сделать еще более глубокий вдох и набрать в легкие дополнительный объем воздуха. Резервный объем — это то количество воздуха, которое можно выдохнуть до отказа после спокойного выдоха. Даже после самого глубокого выдоха в легких всегда остается какое-то количество воздуха (около 1200 см³) — остаточный объем.

Жизненная емкость легких зависит от возраста, пола, типа дыхания (грудной, брюшной, смешанный), от развития костей и мускулатуры грудной клетки. У взрослых жизненная емкость легких составляет примерно 3500 см³, у детей младшего школьного возраста — 1440 см³. У девочек она обычно несколько ниже, чем у мальчиков. У тренированных людей жизненная емкость легких гораздо больше, чем у не тренированных. Например, у мужчин-спортсменов она может достигнуть 6000 см³.

Жизненная емкость легких принадлежит к числу показателей здоровья человека. Измерение жизненной емкости легких производят при помощи специального прибора — спирометра.

Частота дыхания. В детском возрасте дыхание не вполне ритмично. Подобное явление постепенно исчезает, и у детей младшего школьного возраста отмечается более четкий ритм вдохов и выдохов. Но дыхание все еще остается несколько поверхностным и частым. Чем моложе ребенок, тем больше у него частота дыхания. Это связано с тем, что у детей потребность организма в кислороде удовлетворяется не за счет глубины дыхания, а за счет его частоты. У новорожденных число дыхательных движений в 1 мин составляет 40—60, у пяти шестилетних детей — около 25, у детей младшего школьного возраста — 20—25, у взрослых — 16—18. В ран­нем возрасте частота дыхания у мальчиков больше, чем у де­вочек.

На частоту дыхания оказывает влияние повышенная возбудимость дыхательного центра детей, а также эмоциональные переживания (радость, огорчение, страх, боль, гнев). С возрастом возбудимость дыхательного центра ребенка уменьшается, дыхание становится более глубоким.

Возрастные особенности легочной вентиляции. Смена воздуха в легких во время дыхания называется легочной вентиляцией. Количество воздуха, которое проходит через легкие в 1 мин, называется минутным объемом дыхания. Его можно определить, умножив дыхательный объем на число дыхательных движений в 1 мин. Чем больше жизненная емкость легких, тем они лучше вентилируются, тем больше кислорода получает организм. При физической работе и выполнении фи­зических упражнений частота дыхания может увеличиваться почти в два раза, следовательно, увеличивается и минутный объем легких. Минутный объем легких у детей гораздо больше, чем у взрослых, а, следовательно, больше и легочная вентиляция. У новорожденного на 1 кг массы тела легочная вентиляции составляет 400 см³, у дошкольников — 200 см³, у де­тей младшего школьного возраста — 160—170 см³, у юношей и девушек 17 лет — 110 см³.

Во время мышечной деятельности, как уже отмечалось выше, вентиляция легких увеличивается. Особенно велики ее показатели при беге на короткие и длинные дистанции (почти в 20 раз). Постоянное и долгое сидение за столом, партой, перед экраном телевизора значительно уменьшает легочную вентиляцию; организм не получает необходимого количества кислорода, что ведет к нарушению его жизнедеятельности. При этом задерживаются рост организма, развитие костей грудной клетки и ее мышц.

§ 26. ОБМЕН ГАЗОВ В ЛЕГКИХ И ТКАНЯХ

Газообмен в легких. В альвеолах легких совершается газообмен между атмосферным воздухом и кровью. Этот про­цесс подчиняется физическому закону диффузии газов.

Атмосферный воздух содержит около 79% азота, 21% кислорода и 0,03% углекислого газа. Концентрация углекислого газа в венозной крови гораздо выше, чем в воздухе. Вследствие диффузии углекислый газ проникает из крови в воздух альвеол. Такой процесс в легких происходит до тех пор, пока не наступит равновесие между содержанием углекислого газа в крови и альвеолярном воздухе.

Кислород проникает в кровь также путем диффузии. Во вдыхаемом воздухе его концентрация гораздо выше, чем в крови, текущей по капиллярам. Проникая в кровь, кислород соединяется с гемоглобином эритроцитов, превращая его в оксигемоглобин. Благодаря гемоглобину кровь может пере­носить очень большие количества кислорода в химически связанном виде. Кровь, насыщаясь кислородом, становится артериальной.

Таким образом, диффузия газов в альвеолах совершается благодаря разности между давлением газов в альвеолах и крови. Так как сумма поверхности всех альвеол очень велика, в легких кровь обогащается большим количеством кислорода и отдает в альвеолярный воздух почти весь углекислый газ, поступающий в кровь из тканей. В результате описанных про­цессов состав воздуха, выдыхаемого из легких, отличается от состава вдыхаемого воздуха. В выдыхаемом воздухе содержится 79% азота, около 16% кислорода и примерно 5% углекислого газа. В выдыхаемом воздухе значительно увеличива­ется содержание водяных паров.

Газообмен в тканях. Клетки организма непрерывно потреб­ляют кислород. Поэтому его содержание в них постоянно понижается. Вот почему кислорода в клетках всегда меньше, чем в омывающей их артериальной крови. Кроме того, чем больше в крови углекислого газа, тем слабее связь гемоглобина с кислородом. Эта непрочная связь легко разрушается, и кислород диффундирует в тканевую жидкость, а затем в клетки, где используется при окислительных процессах. Благодаря этим процессам энергия химических связей органи­ческих соединений освобождается. Она используется клетками на выполнение характерных для них жизненных отправлений.

Окислительные процессы в клетке — это цепь упорядочен­ных химических изменений органических веществ. Каждая ступень такого химического «конвейера» катализируется определенным ферментом. Понятно, что, чем интенсивнее функционируют клетки, тем более активно действуют в них

дыхательные ферменты. Вот почему на уровень газообмена в организме влияет большая или меньшая интенсивность ката­литического действия дыхательных ферментов в клетках.

Углекислый газ, образующийся в результате окислитель­ных процессов в клетках, не накапливается в них, поскольку он вследствие диффузии непрерывно удаляется в тканевую жидкость, а затем в кровь. Некоторое количество углекислого газа вступает в объединение с гемоглобином; большая часть его химически связывается некоторыми солями, содержащи­мися в крови.