Дихальна система: будова та робота

Дихальна система людини складається з дихальних шляхів (верхніх і нижніх) та легенів. Дихальна система відповідає за газообмін між організмом та навколишнім середовищем. Як побудована дихальна система і як вона працює?

Дихальна система людини повинна забезпечувати дихання - процес газообміну, а саме кисню та вуглекислого газу, між організмом та навколишнім середовищем. Кожна клітина нашого організму потребує кисню, щоб нормально функціонувати та виробляти енергію. Процес дихання поділяється на:

• зовнішнє дихання - надходження кисню до клітин
• внутрішнє дихання - внутрішньоклітинне

Зовнішнє дихання виникає внаслідок синхронізації дихальної системи з нервовими центрами і поділяється на ряд процесів:

• вентиляція легенів
• дифузія газів між альвеолярним повітрям і кров’ю
• транспортування газів через кров
• дифузія газів між кров’ю та клітинами

Щоб переглянути це відео, увімкніть JavaScript і подумайте про оновлення до веб-браузера, що підтримує відео

Будова дихальної системи

Дихальні шляхи складаються з:

• верхніх дихальних шляхів, тобто порожнини носа (наша порожнина) та горла (глотка)
• нижні дихальні шляхи: гортань (гортані), трахея (трахеї), бронх (бронхів) - права і ліва, які далі поділяються на менші гілки, а найменші стають бронхіолами (бронхіоли)

Кінцева частина дихальних шляхів веде до альвеол (альвеоли легеневі). Вдихуване повітря проходить через дихальні шляхи і очищається від пилу, бактерій та інших дрібних домішок, зволожується і зігрівається. З іншого боку, структура бронхів завдяки поєднанню хрящової тканини, еластичних та гладком’язових елементів дозволяє регулювати їх діаметр. Горло - це місце, де дихальна та травна системи перетинаються. З цієї причини при ковтанні дихання зупиняється, а дихальні шляхи закриваються через надгортанник.

• легені - парні органи, розташовані в грудній клітці.

В анатомічному та функціональному плані легені поділяються на частки (ліва легеня на дві частки, а права - на три), частки поділяються далі на сегменти, сегменти на часточки, а часточки - на скупчення.

Кожна легеня оточена двома шарами сполучної тканини - тім'яної плеври (pleura parietalis) та легенева плевра (pleura pulmonalis). Між ними знаходиться плевральна порожнина (cavum pleurae), а рідина в ній забезпечує адгезію легені, покритої легеневою плеврою, до тім’яної плеври, зрощеної з внутрішньою стінкою грудної клітки.У тому місці, де бронхи потрапляють в легені, є легеневі порожнини, в які, крім бронхів, потрапляють також артерії та легеневі вени.
Крім того, скелетно-поперечно-смугасті м’язи, кров, серцево-судинна система та нервові центри беруть участь у складному процесі дихання.

Вентиляція легенів

Суть вентиляції полягає у втягуванні атмосферного повітря в альвеоли. Оскільки повітря завжди перетікає від вищого тиску до нижчого, відповідні групи м’язів беруть участь у кожному вдиху та видиху, забезпечуючи всмоктування та рух тиску в грудях.

В кінці видиху тиск в альвеолах дорівнює атмосферному, але коли ви втягуєте повітря, діафрагма скорочується (діафрагма) та зовнішні міжреберні м’язи (musculi intercostales externi), завдяки якому об’єм грудної клітки збільшується і створюється вакуум, що засмоктує повітря.

Коли потреба у вентиляції зростає, активізуються додаткові м’язи вдиху: грудино-ключично-соскоподібні м’язи (musculi sternocleidomastoidei), грудні м’язи (musculi pectorales minores), передні зубчасті м’язи (musculi serrati anteriores), трапецієподібні м’язи (musculi trapezia), м’язи лопатки леватора (musculi levatores лопатки), більший і менший паралелограмні м’язи (musculi rhomboidei maiores et minores) та косі м’язи (мускулатура злилася).

Наступний крок - видих. Починається тоді, коли м’язи вдиху розслабляються на піку вдиху. Зазвичай це пасивний процес, оскільки сили, що створюються розтягнутими еластичними елементами в легеневій тканині, є достатніми для зменшення обсягу грудної клітки. Тиск в альвеолах піднімається вище атмосферного, і різниця тиску, що виникає в результаті, виводить повітря назовні.

Ситуація дещо інша при сильному видиху. Ми маємо справу з цим, коли ритм дихання повільний, коли видих вимагає подолання підвищеного респіраторного опору, наприклад, при деяких захворюваннях легенів, а також при фонаторній діяльності, особливо під час співу чи гри на духових інструментах. Стимулюються мотонейрони м’язів видиху, до яких належать: внутрішні міжреберні м’язи (musculi intercostales interni) та м’язи передньої черевної стінки, особливо прямі м’язи живота (musculi recti abdominis).

Частота дихання

Частота дихання дуже мінлива і залежить від багатьох різних факторів. Доросла людина, що відпочиває, повинна дихати 7-20 разів на хвилину. До факторів, що призводять до збільшення частоти дихання, технічно відомого як тахіпное, належать фізичні вправи, стан легенів та позалегеневі розлади дихання. З іншого боку, брадипное, тобто значне зменшення кількості вдихів, може бути наслідком неврологічних захворювань або центральних побічних ефектів наркотичних засобів. Діти в цьому відношенні відрізняються від дорослих: чим менший малюк, тим вища фізіологічна частота дихання.

Обсяги та місткість легенів

• TLC (загальна ємність легенів) - об’єм, який знаходиться в легені після найглибшого вдиху
• IC - здатність вдиху - втягується в легені під час найглибшого вдиху після спокійного видиху
• IRV (резервний об'єм вдиху) - резервний об'єм вдиху - втягується в легені під час максимального вдиху, виконаного у верхній частині вільного вдиху
• Телевізор (дихальний об'єм) - дихальний об'єм - вдих і видих при вільному вдиху та видиху
• FRC - функціональна залишкова ємність - залишається в легенях після повільного видиху
• ВЗВ (резервний об’єм видиху) - резервний об’єм видиху - видаляється з легенів під час максимального видиху після вільного вдиху
• RV (залишковий об’єм) - залишковий об’єм - завжди залишається в легенях під час максимального видиху
• VC (життєва ємність) - життєва ємність - видаляється з легенів після максимального вдиху в момент максимального видиху
• IVC (життєва ємність на вдиху) - життєва ємність при вдиху - втягується в легені після найглибшого видиху при максимальному вдиху; може бути трохи вище VC, оскільки при максимальному видиху з подальшим максимальним вдихом альвеолярні провідники закриваються перед тим, як повітря, що заповнює бульбашки, видаляється

При вільному вдиху дихальний об’єм становить 500 мл. Однак не весь цей обсяг досягає альвеол. Близько 150 мл заповнює дихальні шляхи, в яких немає умов для газообміну між повітрям і кров’ю, тобто порожнини носа, горла, гортані, трахеї, бронхів та бронхіол. Це називається анатомічний дихальний мертвий простір. Решта 350 мл змішують з повітрям, що становить залишкову функціональну здатність, одночасно нагріваючи і насичуючи водяною парою. В альвеолах, знову ж таки, не все повітря є газоподібним. У капілярах стінок деяких альвеол немає крові або недостатньо кровотоку, щоб використовувати все повітря для газообміну. Це фізіологічний мертвий простір дихальних шляхів і він невеликий у здорових людей. На жаль, він може значно збільшитися при хворобливих станах.

Середня частота дихання в стані спокою становить 16 на хвилину, а дихальний об’єм 500 мл, помноживши ці два значення, ми отримуємо легеневу вентиляцію. З цього випливає, що за хвилину вдихається і видихається приблизно 8 літрів повітря. Виконуючи швидкі та глибокі вдихи, значення може значно зрости, навіть з десятка до двадцяти разів.

Всі ці складні параметри: ємності та обсяги були введені не тільки для того, щоб заплутати нас, але і мають важливе застосування в діагностиці легеневих захворювань. Існує тест - спірометрія, який вимірює: VC, FEV1, FEV1 / VC, FVC, IC, TV, ERV та IRV. Це дуже важливо для діагностики та моніторингу таких захворювань, як астма та ХОЗЛ.

Дифузія газів між альвеолярним повітрям і кров’ю

Альвеоли - це основна структура, з якої складаються легені. Їх налічується близько 300-500 мільйонів, кожен діаметром від 0,15 до 0,6 мм, а їх загальна площа коливається від 50 до 90 м².

Стінки фолікулів побудовані тонким, плоским, одношаровим епітелієм. На додаток до клітин, що складають епітелій, фолікули містять ще два типи клітин: макрофаги (клітини кишечника), а також фолікулярні клітини типу II, які виробляють поверхнево-активну речовину. Це суміш білків, фосфоліпідів та вуглеводів, вироблених з жирних кислот крові. Зменшуючи поверхневий натяг, ПАР запобігає злипанню альвеол і зменшує сили, необхідні для розтягування легенів. Зовні бульбашки вкриті сіткою капілярів. Капіляри, потрапляючи в альвеоли, несуть кров, багату вуглекислим газом, воду, але з невеликою кількістю кисню. Навпаки, в альвеолярному повітрі парціальний тиск кисню високий, а вуглекислого газу низький. Дифузія газу відбувається за градієнтом молекулярного тиску газу, тому капілярні еритроцити затримують кисень з повітря і позбавляються від вуглекислого газу. Молекули газу повинні проходити через стінку альвеоли та стінку капіляра, а саме: шар рідини, що покриває поверхню альвеоли, альвеолярний епітелій, базальну мембрану та ендотелій капілярів.

Транспортування газів через кров

• транспорт кисню

Спочатку кисень фізично розчиняється в плазмі, але потім через оболонку дифундує в еритроцити, де зв’язується з гемоглобіном, утворюючи оксигемоглобін (оксигенований гемоглобін). Гемоглобін відіграє дуже важливу роль у транспорті кисню, оскільки кожна його молекула поєднується з 4 молекулами кисню, збільшуючи таким чином здатність крові транспортувати кисень до 70 разів. Кількість транспортованого кисню, розчиненого в плазмі, настільки мала, що не має значення для дихання. Завдяки системі кровообігу кров, насичена киснем, надходить до кожної клітини тіла.

• транспорт вуглекислого газу

Вуглекислий газ з тканин потрапляє в капіляри і транспортується в легені:

• приблизно 6% фізично розчиняється у плазмі та цитоплазмі еритроцитів
• приблизно 6% зв’язано з вільними аміногрупами білків плазми та гемоглобіну (у вигляді карбаматів)
• більшість, тобто близько 88%, як іони HCO3 - пов'язані бікарбонатною буферною системою плазми та еритроцитів

Дифузія газів між кров’ю та клітинами

Знову молекули газу в тканинах проходять по градієнту тиску: кисень, що виділяється з гемоглобіну, дифундує в тканини, тоді як вуглекислий газ дифундує в зворотному напрямку - від клітин до плазми. Через різницю в потребі кисню в різних тканинах існують також різниці в напрузі кисню. У тканинах з інтенсивним метаболізмом напруга кисню низька, тому вони споживають більше кисню, тоді як стікаюча венозна кров містить менше кисню і більше вуглекислого газу. Артеріовенозна різниця вмісту кисню є параметром, що визначає ступінь споживання кисню тканинами. Кожна тканина забезпечена артеріальною кров’ю з однаковим вмістом кисню, тоді як венозна кров може містити більшу чи меншу її кількість.

Внутрішнє дихання

Дихання на клітинному рівні - це багатоступеневий біохімічний процес, що включає окислення органічних сполук, в яких виробляється біологічно корисна енергія. Це фундаментальний процес, який відбувається навіть тоді, коли інші метаболічні процеси зупинені (анаеробні альтернативні процеси неефективні та мають обмежене значення).

Ключову роль відіграють мітохондрії - клітинні органели, які отримують дифузійні всередині клітини молекули кисню. На зовнішній мембрані мітохондрій знаходяться всі ферменти циклу Кребса (або циклу трикарбонових кислот), тоді як на внутрішній мембрані - ферменти дихального ланцюга.

У циклі Кребса метаболіти цукру, білка та жиру окислюються до вуглекислого газу та води із виділенням вільних атомів водню або вільних електронів. Далі в дихальному ланцюзі - останній етап внутрішньоклітинного дихання - шляхом перенесення електронів і протонів на наступні конвеєри синтезуються високоенергетичні сполуки фосфору. Найважливішим з них є АТФ, тобто аденозин-5'-трифосфат, універсальний носій хімічної енергії, що використовується в клітинному метаболізмі. Його споживають численні ферменти в таких процесах, як біосинтез, рух та поділ клітин. Переробка АТФ в живих організмах відбувається безперервно, і за підрахунками кожен день людина перетворює кількість АТФ, порівнянну з вагою свого тіла.

Регулювання дихання

У розширеному ядрі є дихальний центр, який регулює частоту і глибину дихання. Він складається з двох центрів з протилежними функціями, побудованих двома типами нейронів. Обидва вони розташовані в межах ретикулярної формації. В одиночному ядрі і в передній частині задньо-неоднозначного блукаючого нерва знаходиться центр вдиху, який посилає нервові імпульси до спинного мозку, до рухових нейронів м’язів вдиху. Навпаки, у неоднозначному ядрі блукаючого нерва та в задній частині задньо-неоднозначного блукаючого нерва є центр видиху, який стимулює рухові нейрони м’язів видиху.

Нейрони центру вдиху кілька разів на хвилину посилають залп нервових імпульсів, які проходять вздовж гілки, що спускається до рухових нейронів спинного мозку і одночасно з гілкою аксона, що піднімається до нейронів ретикулярної формації мосту. Існує пневмотаксичний центр, який інгібує центр вдиху протягом 1-2 секунд, а потім знову стимулює центр вдиху. Завдяки послідовним періодам стимуляції та гальмування центру вдиху забезпечується ритмічність вдихів.
Центр вдиху регулюється нервовими імпульсами, що виникають у:

• хеморецептори шийного та аортального клубочків, які реагують на збільшення концентрації вуглекислого газу, концентрації іонів водню або значного зниження артеріальної концентрації кисню; імпульси від згустків аорти проходять через язикоглотковий і блукаючий нерви. а ефект полягає в прискоренні та поглибленні інгаляцій
• інтерорецептори легеневої тканини та грудні пропріорецептори;
• між гладкими м’язами бронхів є інфляційні механорецептори, вони стимулюються розтягуванням легеневої тканини, що спрацьовує видих; потім зменшуючи розтягнення легеневої тканини під час видиху, активує інші механорецептори, на цей раз дефляційні, що викликають вдих; Це явище називають рефлексами Герінга-Брейєра;
• Положення вдиху або видиху грудної клітки подразнює відповідні пропріорецептори та змінює частоту та глибину вдихів: чим глибше вдих, тим глибший видих, що слідує за ним;
• центри верхніх рівнів мозку: кора головного мозку, лімбічна система, центр терморегуляції в гіпоталамусі