Дыхание

Дыхание — совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода, использование его в биологическом окислении и удаление из организма углекислого газа.

Различают внешнее дыхание (транспорт газов кровью) и тканевое (биологическое окисление органических ве ществ). Под внешним, или лёгочным, дыханием понимаются процессы, обеспечивающие обмен газов между окружающим воздухом и кровью с помощью органов дыхания, состоящих из воздухоносных путей и газообменного аппарата лёгких. Воздухоносные пути (носовая полость, носоглотка, гортань, трахея и бронхи) не только проводят воздух, но и выполняют важную функцию речеобразования.

Вдыхаемый воздух, проходя через носовую полость, согревается, увлажняется, очищается от взвешенных частиц (задерживается около 50% вдыхаемой пыли и бактерий). Дальнейшая очистка воздуха от инородных частиц и микроорганизмов, а также самих дыхательных путей на всём их протяжении осуществляется благодаря наличию и движению бронхиального секрета и механизма кашля. Перемещение бронхиального секрета со скоростью 4—8 мм в мин осуществляется реснитчатым эпителием, покрывающим внутреннюю поверхность бронхов.

Газообмен между вдыхаемым воздухом и кровью осуществляется в лёгких — парных дыхательных органах, расположенных в замкнутых плевральных полостях грудной клетки. По форме они напоминают две половины усечённого конуса, каждый состоит из 10 бронхолёгочных сегментов.

Газообменный аппарат лёгких составляют альвеолы, располагающиеся на стенках дыхательных бронхиол (конечных разветвлений бронхов) и альвеолярных ходов. В каждом лёгком человека имеется около 350 млн альвеол и примерно 14 млн альвеолярных ходов. Диаметр альвеол во время вдоха и выдоха изменяется в среднем от 150 до 300 мкм. Площадь газообмена лёгких — контакта капиллярной сети с альвеолами — составляет около 90 м2.

Газообмен между альвеолярным воздухом и кровью лёгочных капилляров происходит путём диффузии кислорода и углекислого газа в силу разности парциальных давлений газа по обе стороны альвеоло-капиллярной мембраны. Время прохождения крови через капилляры 0,35—1,7 с (в среднем 0,8 с). Этого времени при большой поверхности контакта и малой толщине альвеоло-капиллярной мембраны (от 0,1 до 4,0 мкм) вполне достаточно для газообмена между альвеолярным воздухом и кровью.

В основе внешнего дыхания лежит дыхательный акт, осуществляемый за счёт сокращения дыхательных мышц. При спокойном дыхании в акте вдоха участвуют диафрагма и наружные межрёберные мышцы, при глубоком напряжённом вдохе дополнительно участвуют многие мышцы туловища и шеи. Увеличение объёма грудной клетки при вдохе происходит за счёт опускания диафрагмы, поднятия рёбер и расширения межрёберных промежутков.

Выдох происходит в основном пассивно, вследствие тяжести грудной клетки и эластичной тяги лёгких, а также активного сокращения внутренних межрёберных мышц и мышц брюшного пресса. Усиленный выдох производится активно, главным образом вследствие сокращения задних зубчатых мышц, нижней части подвздошно-рёберных, прямых мышц живота, поперечной мышцы груди, подрёберных и квадратных мышц поясницы. Уменьшение объёма грудной клетки осуществляется перемещением диафрагмы кверху, опусканием рёбер и сужением межрёберных промежутков.

Диафрагма и мышцы брюшного пресса могут работать не только как антагонисты (при дыхании), но сокращаться одновременно и повышать внутрибрюшное давление, что наблюдается при опорожнении кишечника, мочевого пузыря, кашле, чихании и др.

Основную функцию саморегуляции дыхания выполняет дыхательный центр — нервное образование, расположенное в продолговатом мозгу и обеспечивающее скоординированную ритмическую деятельность дыхательных мышц в соответствии с газообменными потребностями организма. Он реагирует на изменение ряда основных показателей крови (содержание углекислоты, кислорода и водородных ионов) и посредством управления дыхательной мускулатурой поддерживает необходимый организму их баланс.

Состав альвеолярного воздуха также поддерживается на относительно постоянном уровне дыхательным центром.

Основными показателями, характеризующими функцию внешнего дыхания, являются глубина (дыхательный объём) и частота дыхания, минутный объём, жизненная ёмкость лёгких (см. схему) и составляющие её компоненты (дыхательный и резервные объёмы вдоха и выдоха) и максимальная вентиляция лёгких.

Глубина дыхания колеблется в пределах 400—800 мл. У мужчин она больше, чем у женщин, в положении стоя — больше, чем сидя. В объёме вдоха различают объём воздуха, заполняющий воздухоносные пути и не участвующий в газообмене (мёртвое пространство — около 150 мл), объём воздуха, заполняющий альвеолярное пространство (450 мл) и участвующий в газообмене.

Частота дыхания у взрослого человека в покое колеблется от 11 до 18 раз в минуту. Она зависит от возраста, пола, профессии. У хорошо тренированных взрослых людей частота дыхания может снижаться до 7—9 раз в минуту. Чем реже дыхание, тем меньше доля вентиляции мёртвого пространства и выше эффективность вентиляции.

Количество воздуха, которое вентилируется через лёгкие в 1 мин, составляет минутный объём дыхания (МОД). Он определяется произведением дыхательного объёма на частоту дыхания. МОД зависит от потребности организма в кислороде и эффективности дыхания.

У взрослых в покое МОД составляет в среднем около 6 л. Жизненная ёмкость лёгких (ЖЕЛ, максимальное количество воздуха, которое человек может выдохнуть после максимального вдоха) составляет сумму дыхательного объёма (около 500 мл), резервного объёма вдоха (максимальное количество воздуха, которое дополнительно можно вдохнуть после обычного вдоха, около 1800 мл) и резервного объёма выдоха (максимальное количество воздуха, которое можно выдохнуть после обычного выдоха, около 1700 мл). ЖЕЛ у мужчин в среднем около 4000 мл, у женщин — 3500 мл.

Остаточный объём (около 1500 мл) — это количество воздуха, остающееся в лёгких после максимального выдоха. Остаточный объём и ЖЕЛ составляют общую ёмкость лёгких (ОЕЛ). Показателем резервов аппарата внешнего дыхания является максимальная вентиляция лёгких (МВЛ) — максимальное количество воздуха, которое может быть провентилировано лёгкими при глубоком и частом дыхании за одну минуту. У взрослых мужчин МВЛ колеблется от 75 до 170 л, у женщин — от 65 до 150 л.

Возможности внешнего дыхания существенно изменяются с возрастом. ЖЕЛ и максимальная вентиляция лёгких нарастают с возрастом и достигают максимума (100%) в 18—20 лет. Затем с годами постепенно снижаются и к 51—53 годам составляют 81% и 74%, к 71—73 годам 60% и 50%, а к 80 годам до 41%. Специальными методами дыхательной гимнастики можно задержать эти неблагоприятные возрастные изменения.

Важная роль в газообмене организма принадлежит крови. Она обеспечивает транспорт кислорода и углекислоты в противоположных направлениях. Связывание кислорода в лёгких осуществляется гемоглобином эритроцитов. При нормальном содержании гемоглобина (160 г/л) каждый литр крови может связывать и транспортировать около 200 мл кислорода. Потребление его в тканях изменяется в широком диапазоне: от 25% в покое до 80% при интенсивной мышечной работе, т. е. в пределах артериовенозной разницы.

Перенос углекислого газа тесно связан с транспортом кислорода эритроцитами крови. Однако в связи с тем, что диффузионная способность углекислого газа более чем в 21 раз превышает таковую для кислорода, проблемы удаления его из организма в обычных условиях практически не существует. Нагрузка на аппарат внешнего дыхания при мышечной работе растёт не только за счёт нарастающего количества крови, притекающей к лёгким, но и в результате снижения содержания в ней кислорода (больше кислорода извлекается из крови). Дыхание при этом становится глубоким и частым.

Одновременно нарастает разность парциального давления кислорода между притекающей к лёгким кровью и альвеолярным воздухом, увеличивается площадь газообмена и уменьшается расстояние диффузии. Всё это свидетельствует о том, что насыщение крови кислородом в лёгких облегчается и не ограничивает физическую работоспособность организма.

Насыщение крови кислородом в лёгких определяется и отношением вентиляции к кровотоку. В покое это отношение около единицы, т. е. минутный объём альвеолярной вентиляции и минутный объём кровотока приблизительно равны и каждый составляет около 5 л. Однако это отношение в различных участках лёгких изменяется в зависимости от положения тела. В положении стоя на верхушке лёгких оно равно 3—4, у основания около 0,5. При болезненных состояниях отношение вентиляции к кровотоку в различных участках лёгких может измениться от нуля (закупорка бронха, очаг пневмонии) до бесконечности (закупорка ветвей лёгочной артерии).

Экономичность работы аппарата внешнего дыхания определяется отношением минутного объёма (альвеолярной вентиляции) к потребляемому организмом кислороду в минуту. Чем меньше это отношение, тем выше экономичность не только аппарата дыхания, но и кровообращения. Посредством управления внешним дыханием имеется реальная возможность повысить его эффективность. Формирование экономного дыхания достигается дыхательной гимнастикой.

Тканевое дыхание — совокупность кислородных окислительно-восстановительных процессов в органах и тканях организма, в результате которых освобождается энергия, используемая организмом для осуществления физиологических функций (см. Энергетический обмен). Энергозатраты организма (прежде всего мышечная работа) определяют активность тканевого дыхания, о которой можно судить по потребляемому организмом кислороду и выделяемому углекислому газу.
Потребление кислорода, как показатель активности тканевого дыхания, может изменяться в широком диапазоне: от 250 мл в минуту в покое до 6000 мл при выполнении максимальной нагрузки хорошо тренированными спортсменами. При выполнении нагрузок максимальной мощности транспорт кислорода отстаёт от потребностей биологического окисления и включается бескислородный неэкономный путь энергообразования, образуются кислородная задолженность, которая проявляется чувством недостатка воздуха (одышкой).
Кислородный долг и ощущение недостатка воздуха ликвидируются после уменьшения или прекращения нагрузки, т. е. когда транспорт кровью кислорода приходит в соответствие с потребностями тканевого дыхания.
В процессе физической тренировки и использования дыхательной гимнастики имеется возможность управлять не только внешним, но и совершенствовать тканевое дыхание для более полного извлечения кислорода из крови.