Курс лекций по биологии

  Легкие состоят из альвеол, к которым прилегают капилляры. Общая площадь их взаимодействия составляет примерно 80–90 м². Между тканью легкого и капилляром существует аэрогематический барьер.

  Легкие  выполняют множество функций:

  1) удаляют углекислый газ и воду в виде паров (эксекреторная функция);

  2) нормализуют обмен воды в организме;

  3) являются депо крови второго порядка;

  4) принимают участие в липидном обмене в процессе образования сурфактанта;

  5) участвуют в образовании различных факторов свертывания крови;

  6) обеспечивают инактивацию различных веществ;

  7) принимают участие в синтезе гормонов и биологически активных веществ (серотонина, вазоактивного интестинального полипептида и т. д.).

  Грудная клетка вместе с мышцами образует мешок для легких. Существует группа инспираторных и экспираторных мышц. Инспираторные мышцы увеличивают размеры диафрагмы, приподнимают передний отдел ребер, расширяя переднезаднее и боковое отверстие, приводят к активному глубокому вдоху. Экспираторные мышцы уменьшают объем грудной клетки и опускают передний отдел ребер, вызывая выдох.

  Таким образом, дыхание – это активный процесс, который осуществляется только при участии всех задействованных  в процессе элементов.

3. Механизм вдоха и выдоха

  У взрослого человека частота дыхания  составляет примерно 16–18 дыхательных  движений в минуту. Она зависит  от интенсивности обменных процессов  и газового состава крови.

  Дыхательный цикл складывается из трех фаз:

  1) фазы вдоха (продолжается примерно 0,9–4,7 с);

  2) фазы выдоха (продолжается 1,2–6,0 с);

  3) дыхательной паузы (непостоянный компонент).

  Тип дыхания зависит  от мышц, поэтому  выделяют:

  1) грудной. Осуществляется при участии межреберных мышц и мышц 1—3-го дыхательного промежутка, при вдохе обеспечивается хорошая вентиляция верхнего отдела легких, характерен для женщин и детей до 10 лет;

  2) брюшной. Вдох происходит за счет сокращений диафрагмы, приводящих к увеличению в вертикальном размере и соответственно лучшей вентиляции нижнего отдела, присущ мужчинам;

  3) смешанный. Наблюдается при равномерной работе всех дыхательных мышц, сопровождается пропорциональным увеличением грудной клетки в трех направлениях, отмечается у тренированных людей.

  При спокойном состоянии дыхание  является активным процессом и состоит  из активного вдоха и пассивного выдоха.

  Активный  вдох начинается под влиянием импульсов, поступающих из дыхательного центра к инспираторным мышцам, вызывая их сокращение. Это приводит к увеличению размеров грудной клетки и соответственно легких. Внутриплевральное давление становится отрицательнее атмосферного и уменьшается на 1,5–3 мм рт. ст. В результате разности давлений воздух поступает в легкие. В конце фазы давления выравниваются.

  Пассивный выдох происходит после прекращения импульсов к мышцам, они расслабляются, и размеры грудной клетки уменьшаются.

  Если  поток импульсов из дыхательного центра направляется к экспираторным  мышцам, то происходит активный выдох. При этом внутрилегочное давление становится равным атмосферному.

  При увеличении частоты дыхания все  фазы укорачиваются.

  Отрицательное внутриплевральное давление – это разность давлений между париетальным и висцеральным листками плевры. Оно всегда ниже атмосферного. Факторы, его определяющие:

  1) неравномерный рост легких и грудной клетки;

  2) наличие эластической тяги легких.

  Интенсивность роста грудной клетки выше, чем  ткани легких. Это приводит к увеличению объемов плевральной полости, а  поскольку она герметична, то давление становится отрицательным.

  Эластическая  тяга легких – сила, с которой ткань стремится к спаданию. Она возникает за счет двух причин:

  1) из-за наличия поверхностного натяжения жидкости в альвеолах;

  2) из-за присутствия эластических волокон.

  Отрицательное внутриплевральное давление:

  1) приводит к расправлению легких;

  2) обеспечивает венозный возврат крови к грудной клетки;

  3) облегчает движение лимфы по сосудам;

  4) способствует легочному кровотоку, так как поддерживает сосуды в отрытом состоянии.

  Легочная  ткань даже при максимальном выдохе полностью не спадается. Это происходит из-за наличия сурфактанта, который понижает натяжение жидкости. Сурфактант – комплекс фосфолипидов (в основном фосфотидилхолина и глицерина) образуется альвеолоцитами второго типа под влиянием блуждающего нерва.

  Таким образом, в плевральной полости  создается отрицательное давление, благодаря которому осуществляются процессы вдоха и выдоха.

4. Понятие о паттерне дыхания

  Паттерн – совокупность временных и объемных характеристик дыхательного центра, таких как:

  1) частота дыхания;

  2) продолжительность дыхательного цикла;

  3) дыхательный объем;

  4) минутный объем;

  5) максимальная вентиляция легких, резервный объем вдоха и выдоха;

  6) жизненная емкость легких.

  О функционировании аппарата внешнего дыхания  можно судить по объему воздуха, поступающего в легкие в ходе одного дыхательного цикла. Объем воздуха, проникающего в легкие при максимальном вдохе, образует общую емкость легких. Она  составляет примерно 4,5–6 л и состоит  из жизненной емкости легких и  остаточного объема.

  Жизненная емкость легких – то количество воздуха, которое способен выдохнуть человек после глубокого вдоха. Она является одним из показателей физического развития организма и считается патологической, если составляет 70–80 % от должного объема. В течение жизни данная величина может меняться. Это зависит от ряда причин: возраста, роста, положения тела в пространстве, приема пищи, физической активности, наличия или отсутствия беременности.

  Жизненная емкость легких состоит из дыхательного и резервного объемов. Дыхательный объем – это то количество воздуха, которое человек вдыхает и выдыхает в спокойном состоянии. Его величина составляет 0,3–0,7 л. Он поддерживает на определенном уровне парциальное давление кислорода и углекислого газа в альвеолярном воздухе. Резервный объем вдоха – количество воздуха, которое может дополнительно вдохнуть человек после спокойного вдоха. Как правило, это 1,5–2,0 л. Он характеризует способность легочной ткани к дополнительному растяжению. Резервный объем выдоха – то количество воздуха, которое можно выдохнуть вслед за нормальным выдохом.

  Остаточный  объем – постоянный объем воздуха, находящийся в легких даже после  максимального выдоха. Составляет около 1,0–1,5 л.

  Важной  характеристикой дыхательного цикла  является частота дыхательных движений в минуту. В норме она составляет 16–20 движений в мин.

  Продолжительность дыхательного цикла подсчитывается при делении 60 с на величину частоты дыхания.

  Время входа и выдоха можно определить по спирограмме.

  Минутный  объем – количество воздуха, обменивающееся с окружающей средой при спокойном дыхании. Определяется произведением дыхательного объема на частоту дыхания и составляет 6–8 л.

  Максимальная  вентиляция легких – наибольшее количество воздуха, которое может поступить в легкие за 1 мин при усиленном дыхании. В среднем ее величина равняется 70—150 л.

  Показатели  дыхательного цикла являются важными  характеристиками, которые широко используются в медицине.

ЛЕКЦИЯ  № 14. Физиология дыхательного центра

1. Физиологическая характеристика дыхательного центра

  По  современным представлениям дыхательный центр – это совокупность нейронов, обеспечивающих смену процессов вдоха и выдоха и адаптацию системы к потребностям организма. Выделяют несколько уровней регуляции:

  1) спинальный;

  2) бульбарный;

  3) супрапонтиальный;

  4) корковый.

  Спинальный  уровень представлен мотонейронами передних рогов спинного мозга, аксоны которых иннервируют дыхательные мышцы. Этот компонент не имеет самостоятельного значения, так как подчиняется импульсам из вышележащих отделов.

  Нейроны ретикулярной формации продолговатого мозга и моста образуют бульбарный уровень. В продолговатом мозге выделяют следующие виды нервных клеток:

  1) ранние инспираторные (возбуждаются за 0,1–0,2 с до начала активного вдоха);

  2) полные инспираторные (активируются постепенно и посылают импульсы всю фазу вдоха);

  3) поздние инспираторные (начинают передавать возбуждение по мере угасания действия ранних);

  4) постинспираторные (возбуждаются после торможения инспираторных);

  5) экспираторные (обеспечивают начало активного выдоха);

  6) преинпираторные (начинают генерировать нервный импульс перед вдохом).

  Аксоны  этих нервных клеток могут направляться к мотонейронам спинного мозга (бульбарные волокна) или входить в состав дорсальных и вентральных ядер (протобульбарные волокна).

  Нейроны продолговатого мозга, входящие в состав дыхательного центра, обладают двумя  особенностями:

  1) имеют реципрокные отношения;

  2) могут самопроизвольно генерировать нервные импульсы.

  Пневмотоксический центр образован нервными клетками моста. Они способны регулировать активность нижележащих нейронов и приводят к смене процессов вдоха и выдоха. При нарушении целостности ЦНС в области ствола мозга понижается частота дыхания и увеличивается продолжительность фазы вдоха.

  Супрапонтиальный уровень представлен структурами мозжечка и среднего мозга, которые обеспечивают регуляцию двигательной активности и вегетативной функции.

  Корковый  компонент состоит из нейронов коры больших полушарий, влияющих на частоту и глубину дыхания. В основном они оказывают положительное влияние, особенно на моторные и орбитальные зоны. Кроме того, участие коры больших полушарий говорит о возможности самопроизвольно изменять частоту и глубину дыхания.

  Таким образом, в регуляции дыхательного процесса принимают различные структуры  коры больших полушарий, но ведущую  роль играет бульбарный отдел.

2. Гуморальная регуляция нейронов дыхательного центра

  Впервые гуморальные механизмы регуляции  были описаны в опыте Г. Фредерика  в 1860 г., а затем изучались отдельными учеными, в том числе И. П. Павловым и И. М. Сеченовым.

  Г. Фредерик провел опыт перекрестного  кровообращения, в котором соединил сонные артерии и яремные вены двух собак. В результате голова собаки № 1 получала кровь от туловища животного № 2, и наоборот. При пережатии трахеи у собаки № 1 произошло накопление углекислого газа, который поступил в туловище животного № 2 и вызвал у него повышение частоты и глубины дыхания – гиперпноэ. Такая кровь поступила в голову собаки под № 1 и вызвала понижение активности дыхательного центра вплоть до остановки дыхания гипопноэ и апопноэ. Опыт доказывает, что газовый состав крови напрямую влияет на интенсивность дыхания.