Физиология дыхания

Дыхание – это совокупность процессов, обеспечивающих поступление во внутреннюю среду организма кислорода, его использование для окислительных процессов и удаление из организма углекислого газа.

Лёгкие (pulmones – лат., pneumon – греч.) расположены в плевральных мешках в грудной клетке. Правое лёгкое больше левого на 10%, но оно короче и шире, что вызвано тем, что находящаяся под ним печень, увеличивает поднятие купола диафрагмы. Функционально-анатомическим образованием лёгких является ацинус (гроздь), который состоит из:

• респираторных бронхиол;
• альвеолярных ходов;
• альвеолярных мешочков.

Ацинусов около 800 тыс., а альвеол 300-500 млн. Площадь дыхательной поверхности лёгких колеблется от 30 м² при спокойном вдохе, до 100 м² при глубоком.

В лёгкие кровь, с высоким содержанием углекислого газа (СО₂), поступает по легочной артерии при сокращении правого желудочка сердца, а от них, по легочной вене, оттекает уже насыщенная кислородом (О₂), в левое предсердие сердца.

Кровь с высоким содержанием О₂ называют оксигенизированной, а низким – дезоксигенизированной. Повышенное содержание в крови СО₂ называется гиперкапнией, а низкое – гипокапния.

Функции лёгких: внешнее дыхание и недыхательные функции. Внешнее дыхание – это поглощение из воздуха О₂ и выделение СО₂. К недыхательным функции лёгких относят:

• терморегуляцию и увлажнение вдыхаемого воздуха, а также его очищение от пыли и микроорганизмов;
• депонирование крови;
• поддержание свёртывающей системы крови (выработка тромбопластина и гепарина);
• участие в синтезе некоторых гормонов и биогенных аминов (норадреналин, серотонин, дофамин);
• участие в водно-солевом обмене (J-рецепторы, БАВ…);
• участие в поддержания иммунитета;
• способность лёгких к обонянию и голосообразованию.

Дыхание подразделяют на внешнее или лёгочное дыхание и внутреннее или тканевое, происходящее в клетках. И, как связующее звено этих двух видов дыхания, без которого не было бы смысла существования каждого из них в отдельности – это транспорт газов кровью, О₂ из атмосферы в легкие, из них в крови, а затем в клетки, а в обратном направлении – из клеток в крови, от туда в легкие и выделение с выдыхаемым воздухом в атмосферу СО_2.

Внешнее или лёгочное дыхание обеспечивается аппаратом внешнего дыхания, включая следующие 4 компонента:

· Воздухоносные пути, куда входят носоглотка, трахея и бронхи, а также альвеолы легких;

· Костно-мышечный каркас грудной клетки и плевра, как два составляющих процесса дыхания с изменением объёма легких;

· Малый круг кровообращения, так как в зависимости от количества крови, поступающего в легкие, будет зависеть его оксигенация. Оксигенация – это насыщение крови кислородом;

· Нейрогуморальный аппарат регуляции, как вездесущий аппарат регуляции процессов жизнедеятельности, осуществляемые с участием нервной и гуморальной систем.

Процесс внешнего дыхания складывается из 3-х составляющих. Это:

· Вентиляция, т.е. обмен газов между внешней средой и альвеолами;

· Диффузия газов – перенос газов через аэрогематический барьер, диффузия – это процесс перехода, в данном случае газа, из области с высокой концентрации, в область с более низкой его концентрацией до выравнивания концентраций газа по обе стороны;

· Перфузия - представляет процесс сменяемости в лёгочных капиллярах крови или степень кровоснабжения легочной ткани.

Изменение объёма грудной клетки обеспечивают дыхательные движения – вдох или инспирация и выдох или экспирация. Соответственно мышцы, участвующие в этих процессах называются инспираторные и экспираторные. При спокойном дыхании вдох всегда активен, т.е. обеспечивается работой мышц и для этого необходимо произвести определённые энергетические затраты в виде распада макроэргических фосфатных соединений, в частности аденозинтрифосфорной кислоты, а выдох – это пассивный процесс. Однако при физической нагрузке не только вдох, но и выдох становить активным процессом и для его осуществления также необходима энергия распада АТФ.

К инспираторным мышцам относят - наружные межрёберные и межхрящевые мышцы и диафрагма, подпирающая легкие, которая из своего куполообразного состояния переходит в выпрямленное или даже опущенное вниз на 1 – 2 см. При глубоком форсированном вдохе в нём принимают участие и другие, дополнительные или вспомогательные мышцы – это трапециевидные, передние лестничные, грудино-ключично-сосцевидные мышцы. Их сокращение приводит к том, что объём грудной клетки увеличивается во всех направлениях. Движение диафрагмы во время дыхания обуславливает до 80% вентиляции легких.

К экспираторным мышцам относят внутренние межрёберные мышцы и мышцы брюшной стенки.

Различают два типа дыхания. Это грудной и брюшной типы. Грудной тип в большей степени характерен для женщин, а брюшной тип – для мужчин.

В основе поступления воздуха в легкие во время вдоха лежит разница между атмосферным и плевральным давлением. Вдох обеспечивается изменениями транспульмонального и трансреспираторного давлении.

Транспульмональное давление – это давление, которое создаётся разницей между давлением в альвеолах и плевральной щели.

В плевральной щели, с момента рождения человека, имеется отрицательное давление. Оно равно –3 мм рт.ст. и удерживается на этом уровне до момента вдоха, а с началом вдоха давление начинает постепенно увеличиваться в отрицательную сторону, т.е. начинает всё больше снижаться и доходит до величины –9 мм рт.ст. Таким образом, разница давлений в плевральной щели перед вдохом и на его высоте составляет –6 мм рт.ст. Это и есть величина степени падения внутриплеврального давления.

На выдохе транспульмональное давление равно +4-10 мм рт.ст.,

Отрицательное давление в плевральной полости обусловлено эластической тягой легких, что зависит от двух факторов:

· Эластические волокна альвеол;

· Поверхностное натяжение альвеол.

Альвеолоцитами 2 типа выделяется вещество, синтезирующееся из плазмы крови и состоящий из фосфолипидов, триглицеридов, холестерина, белков и полисахаридов – сурфактант, которое обеспечивает легочной ткани высокую растяжимость (на вдохе) и снижает поверхностное натяжение в альвеололах до величин близких к нулю, предотвращает слипание альвеол (на выдохе).

Сообщение с внешней средой в результате нарушения герметичности грудной клетки и плевральной полости, что бывает чаще всего при разных ранениях, возникает сообщение плевральной щели с внешней средой – атмосферным воздухом. Такое состояние называется пневмотораксом. При этом выравниваются внутриплевральное и атмосферное давление, что приводит к спадению легкого и делает невозможным его вентиляцию даже при усиленных дыхательных движениях грудной клетки, диафрагмы и включения вспомогательных мышц. И как самым простым, элементарным способом оказания помощи человеку, получившим прободение плевральной полости, является прикрытие места прободения с целью восстановления, пусть даже в примитивной форме, но хоть какой целостности плевральной щели.

Трансреспираторное давление представляет собой разность давлений между внешней средой и в альвеолах. При вдохе в альвеолах падает давление и оно становиться меньше, чем в атмосфере, поэтому воздух из области более высокого давления устремляется в область с более низким давлением, в данном случае в легкие и в альвеолы.

Трансреспираторное давление на вдохе равно –4 мм рт.ст. (756 – 760 = –4 мм рт.ст.), а на выдохе +4 мм рт.ст. (764 – 760 = +4 мм рт.ст.).

Активный или форсированный выдох – это результат работы мышц выдоха (внутренние и наружные межрёберные мышцы, межхрящевые мышцы) при их сокращений происходит опускание рёбер и изменение объёма грудной клетки, транспульмональное давление становится положительной величиной. Оно способствует спадению легких.

Трансреспираторное давление равно 764 – 760 =+4 мм рт.ст.

Легочные объёмы – это показатели какого-нибудь одного из легочных процессов:

1. Дыхательный объём (ДО) = 500 мл

2. Резервный объём вдоха (РОвдоха), т.е. тот объём, который можно вдохнуть ещё после спокойного вдоха. Он равен 1500 – 2500 мл.

3. Резервный объём выдоха (РОвыдоха), т.е. тот объём воздуха, который человек может выдохнуть ещё дополнительно после спокойного выдоха. Он равен 1000 мл.

4. Остаточный объём (ОО) – это тот объём воздуха, который остаётся в легких после максимального выдоха, т.е. как бы сильно человек не сделал выдох, в том числе и при сильном кашле, у него в легких всегда остаётся около 1000 – 1500 мл воздуха. Если человек умрёт естественным путём, то кусочек легких, вырезанный и брошенный в воду, будет находиться на поверхности воды. В случае же, если человек утонул или его утопили, то в его легких вода полностью вытеснит воздух и вырезанный кусочек таких легких пойдёт ко дну. Это часто, в спорных вопросах утонул ли человек, или был вначале убит, а потом брошен в воду, имитируя его утопление, используют в судмедэкспертизе в качестве теста.

Легочные ёмкости – это сумма разных лёгочных объёмов:

1. Общая емкость легких (ОЁЛ) равна арифметической сумме всех легочных объёмов, т.е дыхательного объёма (500 мл), резервного объёма вдоха (1500 – 2500 мл), резервного объёма выдоха (1000 мл) и остаточного объёма (1000 – 1500 мл), что в сумме составляет 4 – 6 литров.

2. Жизненная ёмкость легких (ЖЁЛ) включает в себя те показатели, которые постоянно участвую в процессе дыхания. Мы уже говорили о том, что остаточный объём – это тот объём воздуха, который постоянно остаётся в легких независимо от глубины нашего выдоха, т.е. в определённой степени остаточный объём можно игнорировать, как не участвующий в активном дыхании. И в этом случае естественно жизненная ёмкость легких будет включать в себя дыхательный объём (500 мл), резервный объём вдоха (1500 – 2500 мл) и резервный объём выдоха (1000 мл) и будет равен 3,5 – 5 литрам.

3. Функциональная остаточная емкость (ФОЁ) легких состоит из резервного объёма выдоха и остаточного объёма и равно 2-3 литра.

4. Ёмкость вдоха (ЁВ) включает в себя дыхательный объём и резервный объём вдоха, составляя 2-3 литра.

Динамические показатели вентиляции:

1. Частота дыхания (ЧД) – 12-16 раз в минуту. За сутки человек делает более 15 тыс. дыхательных движений.

2. Минутный объём дыхания равен величине дыхательного объёма на частоту дыхания, что в среднем составит 500 мл х 12-16 = 5-9 литров.

3. Объём анатомического мёртвого пространства (МП) – это то пространство, где не происходит газообмена. Его также называют вредным, неэффективным, бесполезным объемом и он, обычно, составляет около 2,2 мл/кг массы тела. Анатомическое мёртвое пространство начинается от ротовой полости, носоглотки до альвеол, составляя в среднем 140 – 150 мл. Воздух, находящийся в анатомическом мёртвом пространстве вымывается из легких при следующем выдо­хе. Вне лёгких (в глотке и ротовой полости) располагается примерно 45% анатомического мёртвого пространства. Анатомическое мертвое пространство уменьшается при запрокидывание головы, недостаточном отведении нижней челюсти, удаление легкого и наложение трахеостомы.

Альвеолярным мертвым пространством называют часть альвеол, которые плохо кровоснабжаются, а также те альвеолы, в которых перфузия слишком интенсивная. Как в одном, так и во втором случае не происходит насыщения кислородом крови и, эта часть лёгких не участвует в оксигенации, т.е. является бесполезным для дыхания пространством.

Физиологическим или функциональным мертвым пространством называют сумму анатомического и альвеолярно­го мертвых пространств.

4. Дыхательный альвеолярный объём (ДАО) соответственно будет рано 500 мл–140 мл=360 мл.

5. Коэффициент вентиляции альвеол (КВА) равен ДАО делённому на функциональную остаточную ёмкость, т.е. дыхательный объём 500 мл минус 140 мл анатомического мёртвого пространства 360 мл / на остаточный объём в 1000 мл и резервный объём выдоха, который равен 1500 – 2500 мл. 360 мл/2500 мл равно 1/7. т.е. при каждом вдохе обновляется одна седьмая часть воздуха.

6. Минутная альвеолярная вентиляция (МВЛ) равен ДО-МП (360 мл) умноженная на частоту дыханий, т.е. на 12-16, что составит 3,5-4,5 литра.

Итак, как мы с вами уже говорили в начале лекции одним из составляющих внешнего дыхания, являющимся продолжением процесса вентиляции является диффузия, которой называют процесс перемещения через полупроницаемую мембрану из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией, т.е. благодаря разности парциальных давлений или парциального напряжения. В легких диффузия кислорода и углекислого газа происходит через альвеоло-капиллярную мембрану по градиентам концентрации между альвеолами и капиллярным руслом.

Парциальное давление – это часть общего давления смеси газов, приходящиеся на отдельный газ, так, если бы он занимал весь объём смеси.

Английский естествоиспытатель химик и физик Джон Дальтон, стремясь понять, почему газы в атмосфере, состоящий на 78,62% из азота, на 20,84% из кислорода, на 0,04% из СО₂ и на 0,5% из водяных паров, составляют смесь воздуха с определенными физическими свойствами, а не располагаются друг под другом слоями соответственно своей плотности, установил и сформулировал закон парциальных давлений газов, обнаружив зависимость растворимости газов от их парциального давления. Выведенный Дальтоном закон, гласит, что давление газа равно давлению смеси умноженную на концентрацию этого газа в процентах, деленное на сто процентов.

Для кислорода парциальное давление определяется следующим образом: атмосферное давление равно 760 мм рт.ст., в котором содержание кислорода составляет 20,9%, т.е. произведя простое арифметическое уравнение можно высчитать, что на долю кислорода из общего 760 мм рт.ст. приходится 159 мм рт.ст. однако необходимо уточнить, что такие раскладки приемлемы для сухого воздуха.

Немецкий физиолог Адольф Фик показал, что объём газа, проходящий через ткань в единицу времени зависит от площади ткани, диффузионного коэффициента газа, т.е. способности газа проходить ту или иную ткань и градиента парциального давления газа до и после прохождения ткани. И естественно, зависит и от толщины самой ткани. Ясно, что чем она тоньше, тем легче через него будет проходить газ, а чем толще, тем труднее.

ЗАКОН ФИКА

S ^. Dk ^. (P₁ - P₂)

Q_ГАЗА= ------------------------

T

• где: Q_газа - объем газа, проходящего через ткань в единицу времени,

• S- площадь ткани (площадь контакта альвеол и капилляров – 120 м²),

• DK-диффузионный коэффициент газа,

• (Р₁-Р₂) - градиент парциального давления газа;

• Т - толщина барьера ткани

Рассчитав на основании закона Фика содержание кислорода и создаваемое им парциальное давление в альвеолярном воздухе и в венозной крови, было показано, что в альвеолярном воздухе оно равно 100 мм рт.ст., в венозной крови – 40 мм рт.ст., т.е. разница в содержании кислорода между ними составляет 60 мм рт.ст.

Для углекислого газа парциальное давление в венозной крови равно 46 мм рт.ст., т.е. то количество СО₂, а его давление в альвеолярном воздухе равно 40 мм рт.ст. В этом случае разница напряжения давления, создаваемое СО₂ на выходе из крови в альвеолы составляет 6 мм рт.ст.

При этом диффузионная способность (Дк) для кислорода составляет 25 мл/мин на 1 мм рт.ст., а для углекислого газа – около 600 мл/мин на 1 мм рт.ст. Из этого соотношения видно, что диффузионный коэффициент прохождения через биологические ткани для кислорода, по сравнению с СО₂ в 25 раз меньше. Это позволяет СО₂ быстрее и легче преодолевать тканевые барьеры.

Однако эта разница давлений кислорода и СО₂ в альвеолярном воздухе и в венозной крови для того, чтобы успешна она из них – кислород, поступила в кровь, а другая – СО_2, преодолела препятствия на своем пути они должны пройти аэрогематический барьер, который состоит из следующих слоёв:

1. Сурфактанта, выстилающий поверхность альвеол.

2. Клетки эпителия альвеол – алвеолоциты I типа.

3. Интерстиций.

4. Базальная мембрана капилляра.

5. Эндотелий кровеносного капилляра. Это всё вместе и есть аэрогематический барьер.

6. Плазма крови.

7. Мембрана эритроцита.

Преодолев все это кислород может связаться с гемоглобином. При этом длина этого диффузионного пути равна около 0,3-1 мкм.

Перфизия (кровообращение).

Вентилляционно-перфузионное отношение в разных зонах легких различна. Так, если разделить легкие на верхушечную часть, среднюю и основание, то кровоток наиболее лучше будет у основания легких, а вентиляция, наоборот, в верхушках. Соответственно, вентиляционно-перфузионный коэффициент будет больше в верхушках легких и наименьший у основания легких, а парциальное давление кислорода в крови, оттекающей от верхушек будет максимальной 120 мм рт.ст. и меньше всего у основания – 92 мм рт.ст.

Различия вентиляции и кровотока в зависимости от положения тела…

Дата добавления: 2013-12-14