Поглинання живим організмом О2 і виділення СО2 і становить сутність дихання. Біологічне окислення відбувається за допомогою ферментів мітохондрій. Тому в поняття дихання включають всі процеси, пов'язані з доставкою О2 з навколишнього середовища всередину клітини і з виділенням СО2 з клітки в навколишнє середовище.
розрізняють дихання внутрішнє (клітинне, тканинне) і зовнішнє (легеневе), виділяючи в якості сполучної ланки транспорт газів кров'ю або іншими рідинами тіла. Але по суті справи, всі ланки газотранспортної системи організму, включаючи регуляторні механізми, покликані забезпечувати концентрацію кисню в клітинах, необхідну для підтримки активності ферментів дихального ланцюга.
Перенесення газів між клітиною і зовнішнім середовищем складається з двох процесів: дифузії і конвекції. Дифузією називають рух частинок речовини, що приводить до вирівнювання його концетрации в середовищі. Молекули газу в силу дифузії переміщаються з області більшого тиску в область, де його парціальний тиск нижче. Конвекція - перенесення О2 і СО2 з потоком газової суміші і / або рідини.
Дихальний акт і вентиляція легенів
Респіраторна система ссавців має особливості, що відрізняють її від систем дихання інших класів хребетних.
1. Легеневий газообмін здійснюється шляхом зворотно-поступальної вентиляції альвеол, заповнених газовою сумішшю щодо постійного складу.
2. Головну роль в вентиляції легенів грає инспираторная м'яз діафрагми, що забезпечує автономію функції дихання.
3. Центральний дихальний механізм представлений поруч популяцій нейронів стовбура мозку і схильний до модулирующим впливам верхніх нервових структур.
Дихальні м'язи. М'язи, які здійснюють дихальний акт, підрозділяють на струс і експіраторние, що сприяють відповідно збільшення і зменшення обсягу грудної порожнини, а також допоміжні, які включаються при форсованому диханні.
Основний инспираторной м'язом служить диафрагмальная. Діафрагма працює синергічно з іншим інспіратори - зовнішніми міжреберних м'язів. В цьому плані діафрагму розглядають як систему двох м'язів: реберної і поперекової частин, з'єднаних сухожильних центром. Перша функціонально пов'язана з міжреберних м'язів паралельно, друга - послідовно. Маючи будова м'язових волокон, що нагадують міокард, і моносинаптічеськие зв'язок з інспіраторно нейронами задньої дихальної групи довгастого мозку, діафрагма відрізняється особливою автономністю і не бере участі в інших функціях.
Скорочення зовнішніх і внутрішніх міжреберних м'язів допомагають діафрагмі виконувати инспираторную функцію.
Задні ділянки внутрішніх міжреберних м'язів при своєму скороченні сприяють видиху. До експіраторним відносяться і м'язи черевної стінки: їх функція полягає в підвищенні внутрішньочеревного тиску, завдяки чому купол діафрагми впячивается в грудну порожнину і зменшує її обсяг.
До допоміжних респіраторним м'язам відносять ряд м'язів шиї, грудей і спини, скорочення яких викликає переміщення ребер, полегшуючи дію інспіраторів, або експіраторов.
Дихальний акт. Під час вдиху, внаслідок збільшення обсягу грудної порожнини негативний тиск в плевральній щілини зростає. Тому легкі розтягуються ще більше. Збільшення легеневого обсягу веде до падіння внутрішньоальвеолярного тиску, що і служить причиною надходження в них через дихальні шляхи атмосферного повітря.
Як тільки инспираторная мускулатура розслабляється, зросла в ході вдиху еластична тяга легень повертає їх в початковий стан. При цьому через зменшення обсягу легень тиск в них стає позитивним, повітря з альвеол спрямовується через повітроносні шляхи назовні. Таким чином, видих відбувається пасивно, за рахунок вивільнення потенційної енергії розтягнутих під час инспираторной фази легких.
Дихальний цикл включає дві фази: вдих (інспірації) і видих (експірації). Зазвичай вдих дещо коротший видиху. Співвідношення компонентів дихального циклу (тривалість фаз, глибина дихання, динаміка тиску і потоків в повітроносних шляхах) характеризує так званий патерн дихання.
Завдяки рефлекторним механізмам саморегуляції організм обирає оптимальний патерн дихання - такий, при якому витрати енергії на кожен літр вентильованого повітря найменші. Тому робота, виконувана респіраторними м'язами в спокої, відносно невелика і складає у людини всього 2-3% від загальних енерговитрат. Однак при форсованому диханні вона різко зростає за рахунок збільшення опору надлишково розтягуваних легких і виникнення турбулентних потоків в повітроносних шляхах, досягаючи 10% від сумарної витрати енергії.
Обсяг повітря, що вдихається за кожен дихальний цикл, - глибина дихання, або дихальний обсяг, - становить при спокійному диханні відносно невелику частину загальної ємності легень. При збільшенні легеневої вентиляції цей обсяг зростає за рахунок додаткового повітря (резервного обсягу). що надходить в легені при вдиху і изгоняемого при видиху. Якщо зафіксувати різницю між максимально глибоким вдихом і максимальним видихом, виходить величина життєвої ємності легень, в яку не входить залишковий обсяг, що видаляється тільки при повному спадении легких. Ту частину загальної ємності легень, яка залишається заповненою після звичайного видиху, називають функціональної залишкової ємністю. У неї входить залишковий обсяг плюс резервний обсяг видиху.
Вентиляція легенів і внутрілегочний обсяг газов.Легочной вентиляцією називають обсяг повітря, що вдихається за одиницю часу.
Таким чином, вентиляція - це твір дихального обсягу на частоту дихальних циклів. В легеневій газообмене бере участь частина повітря, яка досягає альвеол.
Приблизно 1/3 дихального обсягу спокою припадає на вентиляцію мертвого простору, заповненого повітрям, який лише переміщається в просвіті повітроносних шляхів при вдиху і видиху. Отже, альвеолярна вентиляція являє собою легеневу вентиляцію за вирахуванням вентиляції мертвого простору. Саме вона забезпечує обмін газів у легенях.
У повітроносних шляхах відбувається конвективний і дифузний перенесення газів. У трахеї, бронхах і бронхіолах перенесення газів відбувається виключно шляхом конвекції. В респіраторних бронхіолах і альвеолярних ходах до цього процесу приєднується дифузний обмін, обумовлений градієнтом парціальних тисків дихальних газів: молекули О2 переміщаються в напрямку альвеол, де Ро2 нижче, ніж у вдихуваному повітрі, а молекули СО2 - в зворотному напрямку.
Відбувається в повітроносних шляхах перенесення газів спрямований на підтримання сталості парціального тиску О2 і СО2 в легеневих альвеолах, де йде безперервний обмін газів з кров'ю. Газова суміш, що заповнює альвеоли (альвеолярний газ), служить свого роду внутрішньою атмосферою. Сталість складу альвеолярного газу забезпечується альвеолярної вентиляцією і є необхідною умовою нормального протікання газообміну.
Повітря, що видихається є сумішшю альвеолярного газу і повітря мертвого простору, тому середній його склад займає проміжне положення між складом вдихуваного повітря і альвеолярного газу.
При підвищенні в організмі енерговитрат збільшуються споживання О2 і продукція СО2; регуляторні механізми підвищують альвеолярну вентиляцію шляхом відповідного збільшення глибини і / або частоти дихання - розвивається гіперпное, при якому склад альвеолярного газу залишається нормальним. Якщо ж зростання вентиляції перевищує потребу організму в газообміні (гіпервентиляція), вимивання СО2 з альвеол відшкодовується надходженням його з тканин, альвеолярне Рсо2 падає (гіпокапнія). При недостатній вентиляції альвеол (гіповентиляції) в них накопичується надлишок СО2 (гіперкапнія). а при різкому відставанні вентиляції від газообміну, знижується Ро2 (гіпоксія).
Співвідношення вентиляції і перфузії легень. Для нормального процесу обміну газів в легеневих альвеолах необхідно, щоб їх вентиляція повітрям перебувала в певному співвідношенні з перфузією їх капілярів кров'ю. Іншими словами, хвилинному об'єму дихання повинен відповідати хвилинний обсяг крові. У звичайних умовах вентиляційно-перфузійні коефіцієнт у людини становить 0,8-0,9.
Легеневий кровотік в цілому залежить від величини серцевого викиду, тому він керується загальними регуляторними механізмами серцево-судинної системи. Звідси тісний взаємозв'язок між регуляцією дихання і кровообігу.