Принципы и механизмы физиологии дыхания человека

Непрерывный и сложный процесс, происходящий при вдохе-выдохе, обеспечивает поступление кислорода в организм и выведение углекислого газа. Благодаря слаженной работе лёгких и сердца, поддерживается постоянство газообменной функции. Физиология дыхания человека изучает совокупность обменных процессов в альвеолах, ритмы и способы лёгочной вентиляции.

Функции воздухоносных путей

Дыхательные пути представляют собой трубки, по которым циркулирует воздух. Они делятся на верхние – ротовая я носовая полость, носоглотка, придаточные пазухи, и нижние – гортань, трахея, разветвление бронхов.

В области гортани есть голосовая щель, которая смыкается при выдохе и расширяется при вдохе. Трахея и крупные бронхи всегда находятся в открытом состоянии.

Физиология дыхательных путей подразумевает множество функций и механизмов, которые бесперебойно насыщают организм кислородом:

• Обеспечение регулярной циркуляции воздуха в лёгкие и обратно (кондуктивная функция).
• Очищение атмосферного воздуха от инородных частиц – пыли, аллергенов, вредных химических соединений, патогенных микрорганизмов. Это происходит за счёт работы ресничек мерцательного эпителия. Более эффективно при носовом дыхании.
• Согревание воздуха по ходу дыхательных путей, обеспечивается хорошо развитой кровеносной сеткой. При вдохе воздух в носу прогревается до 35-36°C. Здесь также происходит регуляция температуры. Если вдыхаемый воздух горячий, он охлаждается до 37°C.
• Увлажнение воздуха за счёт экссудата, продуцируемого слизистой, слёзных и бронхиальных желез. Влажность 100% в дыхательных путях – залог правильной функциональности мерцательного эпителия.
• Терморегуляция организма (продукция тепла, испарение, конвекция).
• Генерация звуков. В передней части голосовой щели расположены голосовые связки, в задней части просвет щели выполняет функцию проводника воздуха. Во время вдоха связки колеблются и воспроизводятся звуки разной тональности и силы.
• Обонятельная функция.
• Дыхательные пути способны изменять объём воздуха, который поступает в лёгкие. При повышении тонуса гладких мышц бронхов просвет сужается, при расслаблении увеличивается.

Значение лёгких в функции дыхания

Основная функция лёгких – участие в газообмене. Орган также регулирует pH за счёт выделения углекислого газа, поддерживает водно-солевой баланса организма.

Лёгкие – это депо крови. Единственный орган, в который поступает весь минутный объём крови. Лёгкие являются фильтром, регулирующий состав химических компонентов в жидкой среде, их метаболизм.

Орган синтезирует биологически активные вещества, которые влияют на процесс свёртывания крови. Образует защитный барьер от негативного воздействия факторов окружающей среды.

Регуляция внешнего дыхания

Значимость регуляции просвета бронхов и внешнего дыхания сводится к таким принципам:

• обеспечение ритмичности дыхания (оно должно быть автономным, с правильной последовательностью вдохов и выдохов);
• согласованность ритмичности в соответствии с внешними обстоятельствами (в состоянии покоя дыхание поверхностное и замедленное, при физических или эмоциональных нагрузках – глубокое и учащённое), это принцип саморегуляции дыхания;
• произвольное управление дыханием, согласование дыхательного акта с речью.

Нейрогуморальная регуляция

При управлении дыхательной функцией доминируют нервные механизмы. В их основе лежит рефлекс – ответная реакция центральной нервной системы на внешние или внутренние раздражители. Его основой является рефлекторная дуга, которая включает пять механизмов. Сообщающее звено, по которому импульсы идут от ЦНС к периферии – дыхательные мышцы.

Основные рефлексы:

• Геринга-Брейера – поддерживает ритмичность дыхания, проявляется в состоянии общего наркоза, глубокого сна, в бессознательном состоянии, у новорождённых, когда отключены некоторые механизмы дыхательного центра продолговатого мозга.
• Парадоксальный эффект Хеда – при нестабильной вентиляции часто альвеол увеличивается в объёме. Это возбуждает специальные рецепторы, которые вызывают расширение лёгких, а затем глубокий вдох.
• Регуляторные – обеспечивают стабильность акта вдоха-выдоха.
• Защитные – чихание, кашель. Рецепторы реагируют на едкие химические соединения, инородные тела.

Природа дыхательной активности и деятельности центра в головном мозге регулируется целым комплексом механизмов – взаимодействие нейронов продолговатого мозга, количественное содержание углекислого газа в крови, влияние пневмотаксического центра (совокупность нейронов ствола головного мозга).

Виды дыхания и состав вдыхаемого воздуха

Дыхание человека бывает трех видов:

• внешнее (лёгочное);
• транспортировка газов кровью;
• внутреннее (тканевое).

Внешнее дыхание – это поступление воздуха из окружающей среды в бронхи и лёгкие во время вдоха. Газообмен происходит в два этапа. Сначала вдыхаемый воздух меняется местами с содержимым альвеол. Затем из альвеол, насыщенный кислородом газ проникает в капилляры лёгких.

Во внешнем дыхании участвуют такие органы:

• верхние и нижние дыхательные пути – носовые ходы, гортань, трахея, бронхи;
• лёгкие;
• листки плевры;
• диафрагма;
• скелет и мышечная система грудной клетки.

Транспорт газов от лёгких к тканям осуществляется по кровеносному руслу. В сосудах создаётся специальное напряжение – парциальное давление на всём пути следования газов (кислорода из лёгких в ткани, и углекислого газа из клеток в лёгкие).

Внутреннее дыхание проходит в два этапа. Первый – кислородный обмен между гемоглобином и тканями. Второй этап дыхания – выделение в кровь углекислого газа из клеток.

Состав воздуха на разных этапах дыхания

В дыхательную систему из окружающей среды попадает атмосферный воздух. Его примерный состав:

• азот – 80%;
• кислород – 16%;
• углекислый газ – 4%.

Альвеолярный воздух имеет свои отличия. Здесь резко снижается уровень кислорода и повышается объём углекислого газа.

Процентное содержание составляющих воздуха в альвеолах:

• азот – 80%;
• кислород – 14%;
• углекислый газ – 6%.

Типы дыханий

Существует три основных типа дыхания – грудной, брюшной и смешанный. Физиологической нормой является смешанное дыхание, когда в процессе в равной степени участвуют диафрагма и брюшная полость.

Грудное дыхание может встречаться у беременных женщин, когда стремительно увеличивающаяся матка ограничивает движение брюшной стенки и диафрагмы. Брюшное дыхание наблюдается у мужчин, которые занимаются тяжёлой физической работой (грузчики). У них работа рёбер и грудной клетки блокируется грузом, который они переносят со стороны живота или на спине.

Объёмы и ёмкости лёгких

Объём лёгких напрямую указывает на резервные возможности мышц грудной клетки. Этот показатель имеет важное диагностическое давление при выявлении тяжёлых патологий дыхательной системы.

Лёгочные объёмы:

• Дыхательный объём (ДО) – воздух, который человек вдыхает в спокойном состоянии. В среднем ДО составляет 400-500 см3. Функции: бесперебойная вентиляция, активное участие в газообмене, поддержания постоянства альвеолярного наполнения.
• Резервный объём вдоха (РО вд.) – количество воздуха при максимальном наполнении лёгких (вдохе) после обычного выдоха. Он равен 1500-3000 см3. По этим показателям можно определить степень дополнительного (резервного) растяжения лёгких.
• Резервный объём выдоха (РО выд.) – объём воздуха, который человек способен выдохнуть максимально после обычного вдоха. В среднем этот показатель равен 1500-2000м3. Говорит о степени постоянного растяжения лёгких.
• Остаточный Объём (ОО) – количество воздуха, которое остаётся в грудной клетке после того, как человек максимально выдохнет. Он равен 100-1500 м3.

Из описанных выше объёмов выделяют лёгочные ёмкости:

• Общая ёмкость лёгких (ОЕЛ) – это весь воздух в лёгких, который остаётся после глубокого вдоха (5000-6000 см3). Отражает вместимость органа.
• Жизненная ёмкость лёгких (ЖЕЛ) – это цифра, отображающая объём газов, которые человек выдыхает после глубокого вдоха. У мужчин показатель равен 4500-5000 см3, у женщин – 3500-4000 см3. По цифрам можно определить степень развитости костного и мышечного аппарата грудной клетки, её подвижность, растяжимость и эластичность лёгочной паренхимы. Параметр определяет потенциальные возможности вентиляции дыхательных путей. Он непостоянный, и меняется в зависимости от возраста человека. При регулярных тренировках ЖЕЛ возрастает.
• Функционально-остаточная ёмкость лёгких (ФОЕЛ) – объём газов, которые остаются в лёгких после физиологического выдоха в спокойном состоянии. Показатель равен 2500-300 см3.

Физиология дыхательной системы и акт вдоха-выдоха происходит непроизвольно. Это неощутимая для организма функция. Человек является единственным живым организмом на планете, который способен осознанно управлять своим дыханием (задерживать при погружении на глубину, во время диагностических процедур). В некоторых ситуациях это оказывает положительный эффект на здоровье, например, при лечебной дыхательной гимнастике.

Источник