Дыхание — процесс поступления в организм кислорода, доставки его к клеткам и выведения образовавшегося углекислого газа. Кислород нужен клеткам для окисления органических веществ: при этом выделяется энергия в виде АТФ (это клеточное дыхание — изучается в теме энергетического обмена). У человека дыхание состоит из трёх частей: внешнее дыхание (газообмен между воздухом и кровью в лёгких), транспорт газов кровью и тканевое дыхание. На экзамене спрашивают о строении дыхательных путей, газообмене, механизме дыхания, объёмах лёгких, регуляции дыхания и гигиене.
§1. Дыхательные пути
Воздух идёт к лёгким таким путём:
Носовая полость — разделена перегородкой на две половины, выстлана слизистой оболочкой. Здесь воздух согревается (много кровеносных сосудов), увлажняется, очищается от пыли и микробов волосками, слизью и мерцательным эпителием; в верхней части находятся обонятельные рецепторы. При дыхании ртом воздух такой обработки не проходит — поэтому это вредно.
Носоглотка и глотка — место пересечения дыхательного и пищеварительного путей.
Гортань — образована хрящами (самый крупный — щитовидный). Надгортанник при глотании закрывает вход в гортань, и пища не попадает в дыхательные пути. В гортани находятся голосовые связки: выдыхаемый воздух заставляет их колебаться и образуется голос. У мужчин связки длиннее — голос ниже.
Трахея — длина около 10–12 см, в стенке 16–20 хрящевых полуколец. Задняя стенка мягкая — она прилегает к пищеводу и не мешает прохождению пищи, а хрящи не дают трахее спадаться. Внутренняя поверхность выстлана мерцательным эпителием: реснички гонят пыль и слизь вверх.
Бронхи — трахея делится на два главных бронха, которые в лёгких ветвятся всё мельче, переходят в бронхиолы, а затем в альвеолы («бронхиальное дерево»).
Лёгкие — парный орган в грудной полости; правое лёгкое трёхдольное, левое двухдольное. Каждое лёгкое покрыто плеврой: между двумя её листками находится плевральная полость с тонким слоем жидкости, уменьшающей трение.
Альвеолы — лёгочные пузырьки: стенка из одного слоя плоского эпителия, оплетена густой сетью капилляров. В обоих лёгких около 700 млн альвеол общей площадью около 100 м² — огромная поверхность для газообмена.
§2. Газообмен
Газы переходят путём диффузии — из места с большей концентрацией (парциальным давлением) в место с меньшей; энергия на это не тратится.
В лёгких: в альвеолярном воздухе много O₂, в венозной крови мало — O₂ переходит из альвеол в кровь; CO₂ в крови много — он переходит из крови в альвеолы. В результате венозная кровь становится артериальной.
В тканях: O₂ артериальной крови переходит в клетки (там он постоянно расходуется), CO₂, образовавшийся в клетках, переходит в кровь — кровь становится венозной.
Транспорт газов:
O₂ переносится в основном в виде непрочного соединения с гемоглобином эритроцитов — оксигемоглобина; в тканях он легко распадается и отдаёт O₂.
CO₂ переносится в основном в плазме в виде гидрокарбонатов, частично в соединении с гемоглобином.
Угарный газ (CO) образует с гемоглобином очень прочное соединение — карбоксигемоглобин; гемоглобин перестаёт переносить O₂ — наступает отравление. Опасно при неправильном пользовании печью и газовыми приборами; пострадавшего нужно сразу вынести на свежий воздух.
Вдыхаемый воздух: O₂ около 21%, CO₂ 0,03%, азот около 79%. Выдыхаемый воздух: O₂ около 16%, CO₂ около 4%.
Азот в организме не изменяется; выдыхаемый воздух богат также водяным паром.
§3. Механизм дыхания
В самих лёгких мышц нет; они следуют за движениями грудной клетки. Причина — давление в плевральной полости ниже атмосферного (отрицательное), поэтому лёгкие всегда растянуты и как бы «прилипают» к грудной стенке.
Вдох — наружные межрёберные мышцы сокращаются и поднимают рёбра; диафрагма сокращается, её купол уплощается и опускается. Объём грудной клетки увеличивается, лёгкие растягиваются, давление в них становится ниже атмосферного — воздух входит в лёгкие. Это активный процесс.
Выдох — мышцы расслабляются, рёбра опускаются, диафрагма снова поднимается куполом, объём грудной клетки уменьшается, давление в лёгких растёт — воздух выходит. В покое это пассивный процесс; при усиленном дыхании участвуют внутренние межрёберные мышцы и мышцы живота.
Если грудная клетка повреждена и воздух попал в плевральную полость (пневмоторакс), лёгкое спадается и не участвует в дыхании.
§4. Объёмы лёгких
Дыхательный объём — воздух, входящий в лёгкие при спокойном вдохе и выдохе: около 500 мл.
Дополнительный объём (резервный объём вдоха) — воздух, который можно вдохнуть после спокойного вдоха: около 1500 мл.
Резервный объём (резервный объём выдоха) — воздух, который можно выдохнуть после спокойного выдоха: около 1500 мл.
Остаточный объём — воздух, остающийся в лёгких даже после самого глубокого выдоха: около 1000–1500 мл; выдохнуть его нельзя.
ЖЕЛ измеряют спирометром; у спортсменов она может достигать 5000–6000 мл. В покое взрослый человек делает около 16–18 дыхательных движений в минуту.
§5. Регуляция дыхания
Дыхательный центр находится в продолговатом мозге; от него нервные импульсы идут к дыхательным мышцам и ритмично их сокращают.
Гуморальная регуляция: увеличение содержания CO₂ в крови возбуждает дыхательный центр — дыхание становится глубже и чаще. Поэтому произвольно надолго задержать дыхание нельзя: CO₂ накапливается, и центр вызывает вдох.
Нервная регуляция: рецепторы растяжения в лёгких ограничивают глубину вдоха; кора больших полушарий позволяет произвольно изменять дыхание (речь, пение, задержка дыхания).
Защитные рефлексы: чихание — при раздражении слизистой носа, кашель — при раздражении гортани, трахеи и бронхов.
При физической работе в мышцах образуется много CO₂ — дыхание автоматически учащается.
Курение: смолы и вредные вещества табачного дыма повреждают мерцательный эпителий, ведут к хроническому бронхиту и раку лёгких; угарный газ связывает гемоглобин.
Первая помощь при остановке дыхания: освободить дыхательные пути и проводить искусственное дыхание («рот в рот» или «рот в нос»), при остановке сердца — вместе с непрямым массажем сердца.
Пример
В покое человек делает 16 вдохов в минуту по 500 мл. Сколько воздуха проходит через лёгкие за час и сколько O₂ из него поглощается?
За минуту: 16 × 500 = 8000 мл = 8 л.
За час: 8 × 60 = 480 л.
Доля поглощаемого O₂: 21% − 16% = 5%.
O₂: 480 × 0,05 = 24 л.
Ответ: 480 л воздуха, из него поглощается около 24 л O₂.
Пример
Дыхательный объём 500 мл, дополнительный 1600 мл, резервный 1400 мл, остаточный 1200 мл. Найдите ЖЕЛ и общую ёмкость лёгких.
ЖЕЛ = дыхательный + дополнительный + резервный объём.
500 + 1600 + 1400 = 3500 мл.
Общая ёмкость = ЖЕЛ + остаточный объём = 3500 + 1200 = 4700 мл.
Ответ: ЖЕЛ 3500 мл, общая ёмкость 4700 мл.
Пример
За час через лёгкие прошло 480 л воздуха. Сколько CO₂ выводится с выдыхаемым воздухом?
В выдыхаемом воздухе CO₂ около 4%, во вдыхаемом 0,03% — разница около 4%.
480 × 0,04 ≈ 19,2 л.
Ответ: около 19 л CO₂ в час.
Проверьте себя
Каким способом идёт газообмен в альвеолах?
Где находится дыхательный центр?
Увеличение какого газа в крови возбуждает дыхательный центр?
Почему хрящи трахеи имеют форму полуколец?
Какое соединение образует угарный газ с гемоглобином?
Чему равна ЖЕЛ, если дыхательный объём 500 мл, дополнительный 1500 мл, резервный 1500 мл?
При вдохе диафрагма сокращается или расслабляется?
Каков минутный объём дыхания при 18 вдохах по 500 мл?
Типичные ошибки
Считать газообмен активным транспортом — это диффузия.
Писать, что дыхательный центр в мозжечке или среднем мозге, — он в продолговатом мозге.
Говорить, что при вдохе диафрагма расслабляется, — она сокращается.
Включать остаточный объём в ЖЕЛ.
Думать, что в лёгких есть мышцы и они расширяются сами.
Писать, что дыхательный центр в основном возбуждает недостаток O₂, — главный раздражитель — избыток CO₂.