Что такое дыхание
Удивительно, насколько по-разному работает дыхание у разных живых существ! Животные, живущие в воде, дышат через тело и жабры. У насекомых воздух поступает к тканям через многочисленные трубки — трахеи, которыми густо покрыто тело.
Человеческое дыхание в целом — это нечто захватывающее! Это не просто поступление кислорода в организм и выделение углекислого газа, а сложный процесс, включающий в себя:
- Внешнее дыхание, т.е. обмен газами между окружающей средой и кровью.
- Транспорт газов через кровь.
- Окисление органических веществ с помощью полученного кислорода (тканевое дыхание). В результате этого процесса в клетках высвобождается энергия, которая позволяет организму жить.
Теперь прочитайте больше о внешнем и тканевом дыхании.
Внешнее дыхание. Функцию внешнего дыхания человека обеспечивает дыхательная система. 98% газообмена между внешней средой и кровью происходит в альвеолах; еще 2% кислорода поступает через кожу.
Альвеолы — это альвеолы, покрытые сетью капилляров. Они расположены гроздьями. Хотя они крошечные, площадь их поверхности примерно в 50 раз (!) больше, чем у человека.
Представьте себе эффект от этих многочисленных, крошечных пузырьков, наполненных воздухом! Более 700 миллионов альвеол (в каждом легком их около 375 миллионов) метаболизируют через свои дыхательные клетки кислород, поступающий к ним через дыхательные пути. Из альвеол этот газ попадает в клетки покрывающих их капилляров. Взамен сосуды отдают углекислый газ, который попадает в воздух внутри альвеол. Этот газообмен происходит пассивно, благодаря разнице в содержании кислорода в воздухе и крови.
Легкие, кроме того, легкие, потому что они заполнены воздухом. Если их поместить в воду, они не утонут.
Тканевое дыхание. Человек дышит не только через нос и рот, но и каждой живой клеткой своего тела. Клетка живет, поглощая кислород и выделяя углекислый газ.
Можно сказать, что единственной биологической функцией кислорода является окисление (сжигание, утилизация) жиров, белков, углеводов и образование «горящей» энергии, необходимой для жизнедеятельности организма.
Спортсмены хорошо знают, что клеточное дыхание бывает аэробным (воздушным) и анаэробным (анаэробным). В последнем случае окисление веществ происходит не с помощью кислорода, а с помощью других, резервных окисляемых соединений.
Человек живет до тех пор, пока дышит. Продолжительность жизни зависит от глубины и частоты дыхания. Если физиологические процессы поглощения кислорода нарушены, организм быстрее изнашивается и стареет.
В среднем человек может задержать дыхание менее чем на минуту. Хотя некоторые тренированные люди способны удерживать его до 5-6 минут, в частности, ныряльщики за жемчугом под водой. Мировой рекорд по задержке дыхания составляет более 22 минут! Остановка дыхания — это критическое состояние, которое может привести к смерти в течение 5 минут.
При рождении мы дышим правильно и глубоко. Диафрагма имеет большую амплитуду, а легкие наполняются с хорошим объемом. Однако с возрастом диафрагма становится жестче, дыхание становится частым и поверхностным, а объем легких уменьшается. Из-за недостатка кислорода мозг функционирует хуже, сердце бьется чаще и быстрее изнашивается.
При недостатке кислорода продукты распада клеток организма не сгорают в легких как положено, а в виде токсинов разносятся с кровью по всему телу, отравляя организм. Правильное дыхание — основа жизни и здоровья.
Эволюция дыхательной системы
Все живое на Земле существует благодаря теплу и солнечной энергии, достигающей поверхности нашей планеты. Все животные и люди приспособились получать энергию из органических веществ, синтезируемых растениями. Для того чтобы использовать энергию солнца, содержащуюся в молекулах органических веществ, ее необходимо высвободить путем окисления этих веществ. Кислород в воздухе, составляющий почти четверть атмосферы, является самым распространенным окислителем.
Одноклеточные простейшие, кишечнополостные, свободноживущие плоские черви и круглые черви дышат всей поверхностью тела. Специальные органы дыхания — перистые жабры встречаются у морских аннелид и у водных членистоногих. Органами дыхания членистоногих являются трахеиды, жабры и листовидные легкие, расположенные в углублениях покровов тела. Дыхательная система ланцетника представлена жаберными щелями, проникающими в переднюю стенку кишечника — глотку. У рыб под жаберными крышками находятся жабры, обильно пронизанные мелкими кровеносными сосудами. У наземных позвоночных органы дыхания — это легкие. Дыхание у позвоночных эволюционировало путем увеличения площади поверхности мембран легких, участвующих в газообмене, совершенствования транспортных систем для доставки кислорода к клеткам организма и развития систем, обеспечивающих вентиляцию органов дыхания.
Виды дыхания: грудное, брюшное, смешанное
Знаете ли вы, что, когда вы здоровы, разные люди дышат по-разному? Мужчины, женщины, пожилые люди…. Основные типы дыхания:
- Грудное дыхание (реберное дыхание, верхнее дыхание). Это характерно для женщин. При вдохе грудная клетка расширяется и поднимается за счет сокращения межреберных мышц. На выдохе она опускается.
- Абдоминальное (диафрагмальное, нижнее) дыхание. Чаще всего встречается у мужчин. При вдохе диафрагма сокращается, поэтому давление увеличивается, и легкие наполняются воздухом. На выдохе мышцы расслабляются.
- Смешанное дыхание. Это характерно для пожилых людей. Она задействует мышцы груди и диафрагмы.
Изменение типа дыхания у женщин на брюшной, а у мужчин на грудной может указывать на патологию.
Строение
Дыхательные пути
Различают верхние и нижние дыхательные пути (дыхательные пути). Символический переход между верхними и нижними дыхательными путями находится там, где пищеварительная и дыхательная системы встречаются в верхней части гортани.
Верхняя дыхательная система состоит из носовой полости (лат. cavitas nasi), носоглотки (лат. nasopharynx) и глотки (лат. mesopharynx). Нижняя дыхательная система состоит из гортани (лат. larynx), трахеи (др. греч. τραχεῖα (ἀρτηρία)), бронхов (лат. bronchiolus), бронхиол и альвеол.
Ротовая полость, при затруднении нормального дыхания через нос, хотя и может использоваться вспомогательно для дыхания, не является ни дыхательными путями, ни органом дыхания и эволюционно не приспособлена для основного дыхания.
Вдох и выдох осуществляются путем изменения размера грудной клетки с помощью дыхательных мышц и диафрагмы. За один вдох (в состоянии покоя) в легкие поступает 400-500 мл воздуха. Этот объем воздуха называется «дыхательным объемом» (ДО). Такое же количество воздуха выходит в атмосферу из легких во время спокойного выдоха. Максимальный глубокий вдох составляет около 2000 мл воздуха. После максимального выдоха в легких остается около 1500 мл воздуха, что называется «остаточным объемом легких». После спокойного выдоха в легких остается примерно 3000 мл. Этот объем воздуха называется «функциональной остаточной емкостью» (FRO) легких. Дыхание — одна из немногих функций организма, которую можно контролировать сознательно и бессознательно.
Типы дыхания: глубокое и поверхностное, частое и нечастое, верхнее, среднее (грудное) и нижнее (брюшное). Специфические типы дыхательных движений наблюдаются во время икоты и смеха. При частом и поверхностном дыхании возбудимость нервных центров повышается, а при глубоком дыхании, наоборот, снижается.
Органы дыхания
Органами дыхания являются: наружный нос, носовая полость с околоносовыми пазухами, глотка, гортань, трахея, бронхи, легкие.
Дыхательные пути обеспечивают связь между окружающей средой и главным органом дыхания — легкими. Легкие (лат. pulmones, греч. πνεύμων) расположены в грудной полости и окружены костями и мышцами грудной клетки. Легкие обеспечивают газообмен между атмосферным воздухом, поступающим в альвеолы (паренхиму легких), и кровью, текущей по легочным сосудам, что обеспечивает снабжение организма кислородом и удаление газообразных продуктов жизнедеятельности, включая углекислый газ. Благодаря функциональной остаточной емкости (ФОЕ) легких в альвеолярном воздухе поддерживается относительно постоянное соотношение кислорода и углекислого газа, так как ФОЕ в несколько раз больше приливного объема (ПО). Только 2/3 ДО достигает альвеол, что называется «альвеолярным вентиляционным объемом». Без внешнего дыхания человеческий организм обычно может прожить до 5 минут (так называемая клиническая смерть), затем наступает потеря сознания, необратимые изменения мозга и смерть мозга (биологическая смерть).
У человека два легких: правое легкое и левое легкое. Правое легкое разделено на 3 доли (верхнюю, среднюю и нижнюю) горизонтальной и косой трещинами, в то время как левое легкое разделено только на 2 доли (верхнюю и нижнюю) одной косой трещиной.
Функции дыхательной системы
Основные функции — дыхание, газообмен.
Кроме того, дыхательная система участвует в таких важных функциях, как терморегуляция, вокализация, обоняние и увлажнение вдыхаемого воздуха. Легочная ткань также играет важную роль в таких процессах, как синтез гормонов, водно-солевой и липидный обмен. Обильно развитая сосудистая система легких накапливает кровь. Дыхательная система также обеспечивает механическую и иммунологическую защиту от факторов окружающей среды.
Газообмен в тканях и легких
Во время вдоха воздух, поступающий в легкие, смешивается с воздухом, который находился в дыхательных путях после выдоха. Это означает, что даже альвеолы не полностью разрушаются во время выдоха.
Во время выдоха только 15 процентов воздуха в легких заменяется новым воздухом. Свежий воздух смешивается с воздухом, который уже был внутри.
Газы движутся через легкие в соответствии с законами парциального давления.
Парциальное давление — это давление, оказываемое газом в общей смеси газов.
Парциальное давление кислорода в альвеолах составляет 100 мм рт. ст., а в венозной крови — 40 мм рт. ст. По этой причине кислород из альвеол попадает в кровоток. Парциальное давление углекислого газа в крови выше, чем в альвеолах — это объясняет тот факт, что углекислый газ выходит из крови и стремится в альвеолы.
99% всего кислорода в крови соединяется с гемоглобином. 1% — это доля растворенного кислорода в крови.
Углекислый газ транспортируется в большинстве случаев не в чистом виде, а в различных соединениях — так образуются углеводороды и карбгемоглобин.
Человек живет до тех пор, пока дышит. Глубина и частота дыхания определяют продолжительность жизни. Если физиологические процессы поглощения кислорода нарушены, организм быстрее изнашивается и стареет.
В среднем человек может задержать дыхание менее чем на минуту. Хотя некоторые тренированные люди способны удерживать его до 5-6 минут, в частности, ныряльщики за жемчугом под водой. Мировой рекорд по задержке дыхания составляет более 22 минут! Остановка дыхания — это критическое состояние, которое может привести к смерти в течение 5 минут.
При рождении мы дышим правильно и глубоко. Диафрагма имеет большую амплитуду, а легкие наполняются с хорошим объемом. Однако с возрастом диафрагма становится жестче, дыхание становится частым и поверхностным, а объем легких уменьшается. Из-за недостатка кислорода мозг функционирует хуже, сердце бьется чаще и быстрее изнашивается.
При недостатке кислорода продукты распада клеток организма не сгорают в легких как положено, а в виде токсинов разносятся с кровью по всему телу, отравляя организм. Правильное дыхание — основа жизни и здоровья.
В сложном процессе газообмен состоит из трех основных фаз: внешнего дыхания, переноса газов в крови и внутреннего дыхания, или тканевого дыхания. Внешнее дыхание объединяет все процессы в легких. Она осуществляется с помощью дыхательного аппарата, который включает в себя грудную клетку с мышцами, которые ее двигают, диафрагму и легкие с дыхательными путями.
Во время вдоха воздух в ваших легких меняет свой состав. Воздух в ваших легких отдает часть кислорода и обогащается углекислым газом. Содержание углекислого газа в венозной крови выше, чем в воздухе в альвеолах. Поэтому углекислый газ выходит из крови в альвеолы, и его содержание в крови ниже, чем в воздухе. Кислород сначала растворяется в плазме крови, затем связывается с гемоглобином, и новые порции кислорода поступают в плазму.
Перенос кислорода и углекислого газа из одной среды в другую происходит путем диффузии от более высокой концентрации к более низкой. Хотя диффузия происходит медленно, площадь контакта между кровью и воздухом в легких настолько велика, что полностью обеспечивает необходимый газообмен. Подсчитано, что полный газообмен между кровью и воздухом в альвеолах может происходить за время в три раза меньшее, чем время пребывания крови в капиллярах (т.е. в организме имеются значительные запасы кислорода).
Достигнув легких, венозная кровь отдает углекислый газ, обогащается кислородом и превращается в артериальную кровь. По большому кругу эта кровь распространяется по капиллярам во все ткани и отдает кислород клеткам организма, которые постоянно его потребляют. Здесь больше, чем в крови, углекислого газа, выделяемого клетками в результате их жизнедеятельности, который диффундирует из тканей в кровь. Таким образом, артериальная кровь, пройдя через капилляры большого круга кровообращения, становится венозной и направляется через правые отделы сердца в легкие, где снова насыщается кислородом и отдает углекислый газ.
В организме дыхание происходит с помощью дополнительных механизмов. Жидкие центры, составляющие кровь (ее плазму), характеризуются низкой растворимостью газов в них. Поэтому, чтобы человек мог существовать, он должен иметь сердце в 25 раз сильнее, легкие в 20 раз сильнее и перекачивать более 100 литров жидкости (вместо пяти литров крови) за одну минуту. Природа нашла способ преодолеть эту трудность, приспособив для переноса кислорода особое вещество — гемоглобин. Благодаря гемоглобину кровь способна связывать кислород в 70 раз, а углекислый газ в 20 раз больше, чем жидкая часть крови — ее плазма.
Альвеола — это тонкостенная альвеола, заполненная воздухом, диаметром 0,2 мм. Альвеолярная стенка образована одним слоем сквамозных эпителиальных клеток, на внешней поверхности которых разветвляется сеть капилляров. Таким образом, газообмен происходит через очень тонкую мембрану, образованную двумя слоями клеток: стенкой капилляра и стенкой альвеолы.
Транспорт кислорода в организме
| Кислородный путь | Функция |
| Верхние дыхательные пути | |
| Носовая полость | Увлажняет, согревает, дезинфицирует воздух, удаляет частицы пыли |
| Горло | Передает нагретый и очищенный воздух к горлу |
| Горло | Переносит воздух из глотки в трахею. Защита дыхательных путей от заглатывания хрящом надгортанника. Производство звука с помощью вибрации голосовых связок, движений языка, губ, челюсти. |
| Трахея | Свободный поток воздуха. |
| Бронхи | Свободный поток воздуха. |
| Легкие | Дыхательная система. Дыхательные движения контролируются центральной нервной системой и гуморальным фактором в крови — CO2 |
| Альвеолы | Увеличение площади дыхательной поверхности, газообмен между кровью и легкими. |
| Кровеносная система | |
| Легочные капилляры. | Транспортировка венозной крови из легочных артерий в легкие. Благодаря законам диффузии, O2 течет из областей с более высокой концентрацией (альвеолы) в области с более низкой концентрацией (капилляры), в то время как CO2 диффундирует в противоположном направлении. |
| Легочная вена | Переносит O2 из легких к сердцу. Попадая в кровь, кислород сначала растворяется в плазме, а затем соединяется с гемоглобином, превращая кровь в артериальную. |
| Сердце | Проталкивает артериальную кровь через систему. |
| Артерии | Доставляют кислород ко всем органам и тканям. Легочные артерии Подают венозную кровь к легким. |
| Капилляры тела | Осуществляют газообмен между кровью и тканевой жидкостью. O2 переходит в тканевую жидкость, а CO2 диффундирует в кровь. Кровь становится венозной. |
| Клетка | |
| Митохондрии | Клеточное дыхание — усвоение O2, содержащегося в воздухе. Органические вещества окисляются (диссимилируются) O2 и дыхательными ферментами, конечными продуктами являются H2O, CO2 и энергия, которая используется для синтеза АТФ. H2O и CO2 выделяются в тканевую жидкость, из которой они диффундируют в кровь. |
Важность дыхания.
Дыхание — это совокупность физиологических процессов, обеспечивающих газообмен между организмом и внешней средой (внешнее дыхание) и окислительные процессы в клетках, приводящие к высвобождению энергии (внутреннее дыхание). Обмен газов между кровью и атмосферным воздухом (газообмен) происходит через органы дыхания.
Питательные вещества являются источником энергии в организме. Основным процессом, высвобождающим энергию этих веществ, является окисление. Это сопровождается связыванием кислорода и образованием углекислого газа. Учитывая, что человеческий организм не имеет запасов кислорода, постоянное снабжение кислородом крайне важно. Если кислород не поступает к клеткам, клетки погибают. С другой стороны, углекислый газ, образующийся при окислении веществ, должен быть удален из организма, так как накопление значительного количества углекислого газа опасно для жизни. Поглощение кислорода из воздуха и выделение углекислого газа происходит через дыхательную систему.
Биологическое значение дыхания заключается в следующем:
- снабжение организма кислородом;
- удаление углекислого газа из организма;
- окисление органических соединений с выделением энергии, необходимой для жизни человека;
- Удаление конечных продуктов метаболизма (водяной пар, аммиак, сероводород и т.д.).
Дыхание и физические нагрузки
Дыхание во время физических упражнений имеет тенденцию к увеличению. Метаболизм ускоряется; мышцам требуется больше кислорода.
Патологии дыхания
Наиболее распространенной дисфункцией дыхательной системы является дыхательная недостаточность. Это проявляется в виде отклонений в составе газов, наполняющих артериальную кровь. Напряжение кислорода уменьшается, а напряжение углекислого газа увеличивается.
Каковы типы респираторных заболеваний:
- Нарушения альвеолярной вентиляции. Это может быть гиповентиляция (снижение давления кислорода в альвеолярном воздухе и крови, вытекающей из альвеол, вследствие недостаточного газообмена) или гипервентиляция (объем вентиляции превышает потребности организма в газообмене).
- Нарушение вентиляционно-перфузионных отношений. Проявляется нарушением альвеолярной вентиляции и аномалиями легочного кровотока.
- Нарушения диффузии, т.е. прохождения газов через альвеолярно-капиллярную мембрану. В основном это касается кислорода, так как его диффузионная способность в 20 раз меньше, чем у углекислого газа.
Недостаточное поглощение кислорода может быть вызвано привычками и образом жизни:
- Неправильное дыхание;
- Курение;
- Пребывание в душных и непроветриваемых помещениях;
- Несколько выездов на свежий воздух;
- Дыхательная недостаточность (ДН) — это патологическое состояние, характеризующееся одним из двух типов нарушений:
- Система внешнего дыхания не способна обеспечить нормальную концентрацию газов в крови;
- Нормальный газовый состав крови обеспечивается за счет усиленной работы дыхательной системы;
- Асфиксия (от ан. asphyxia (от греч. ἀ- «без» и σφύξις «пульс», буквально «отсутствие пульса», в русском языке возможно ударение на второй или третий слог) — удушье, вызванное кислородным голоданием и избытком углекислого газа в крови и тканях. Это может быть вызвано, например, давлением на дыхательные пути извне (удушье), закрытием их просвета из-за отека, перепадом давления в искусственной атмосфере (или в системе респираторной поддержки) и так далее. В литературе механическая асфиксия определяется как «кислородное голодание в результате физического вмешательства в дыхание, сопровождающееся острыми нарушениями центральной нервной и сердечно-сосудистой систем…». или как «дыхательная недостаточность вследствие механических причин, приводящая к нарушению или полному прекращению доставки кислорода в организм и накоплению углекислого газа в организме». Первая помощь при асфиксии включает восстановление функции внешнего дыхания, традиционно с помощью принудительной подачи воздуха в легкие пациента. Этот метод, известный как «рот в рот» и «рот в нос», обычно используется для оказания немедленной помощи до прибытия врача;
- Респираторная гипоксия.
Особенности дыхания у детей
Дыхание детей отличается от дыхания взрослых. У детей меньше органы-мишени, что делает их восприимчивыми к заболеваниям.
Физиологические характеристики дыхательной системы у детей:
- Узкие носовые отверстия и затрудненное ротовое дыхание из-за относительно большого языка. Аномалии носоглотки часто встречаются в возрасте 10-14 лет.
- Гортань более длинная и узкая, чем у взрослого, характеризуется нежностью и образованием новых кровеносных сосудов. Это вызывает отек нёба (нижней части гортани).
- Узкие долевые бронхи.
- Плохое развитие эластичной легочной ткани, что приводит к быстрому образованию эмфиземы.
- Склонность к обструкции дыхательных путей (обструкция дыхательных путей).
- Склонность к ателектазу (коллапс легких из-за альвеолярной недостаточности/нехватки воздуха).
- Склонность к воспалительным процессам.
- Мягкая грудная клетка, слабая мускулатура.
- Распространенность диафрагмального дыхания.
- Дыхательная аритмия.
Особенности дыхания в пожилом возрасте
У пожилых людей легочная вентиляция становится менее эффективной.
- Эффективность использования кислорода снижается вдвое.
- Эластичность легких и снижение отрицательного внутригрудного давления.
- Снижается максимальная вентиляция легких.
- Мертвое пространство (участки дыхательных путей и альвеол, где газообмен не происходит) увеличивается, а альвеолярная вентиляция уменьшается.
- Распределение вдыхаемого воздуха становится неравномерным.
- Появляются участки, где в альвеолах нет воздуха.
- Нарушения бронхиальной проходимости.
- Появление различных компенсаторных реакций для приспособления к нарушению дыхания. Например, частота дыхания увеличивается с усилием, а не с глубиной.
Приборы для исследования параметров дыхания
- Капнограф — прибор, который измеряет и графически отображает количество углекислого газа в воздухе, выдыхаемом пациентом в течение определенного периода времени.
- Пневмограф — устройство для измерения и графического отображения частоты, амплитуды и формы дыхательных движений за определенный период времени.
- Спирограф — устройство для измерения и графического представления динамических характеристик дыхания.
- Спирометр — прибор для измерения ЖЕЛ (жизненной емкости легких).
- Пикфлоуметр .
