ФІЗІОЛОГІЯ ДИХАЛЬНОЇ СИСТЕМИ.
Диханням називається сукупність фізіологічних процесів, які забезпечуютьнадходження кисню в організм, використання його тканинами дляокислювально – відновних реакцій і виведення з організму вуглекислого
газу.
Дихальна функція здійснюється за допомогою зовнішнього (легеневого)дихання, переносу О2 до тканин і СО2 від них, а також газообміну міжтканинами і кров”ю.
Розрізняють грудний, черевний і змішаний типи дихання. Типи дихання
виробляються і змінюються під впливом зовнішнього і внутрішнього
середовища, особливо під впливом праці і спортивних вправ. Паталогічний подих виявляється звичайно у виді зміни глибини, частоти ритму і ритму дихання.
Система органів дихання
Функцію зовнішнього дихання виконує система повітронос- них дихальних шляхів (носова порожнина, носоглотка, гортань, трахея, бронхи та легені). У дихальних шляхах вдихуване повітря зігрівається, частково очищається і зволожується, оскільки до складу їх слизової оболонки входять клітини війчастого епітелію і секреторні клітини, що виділяють слиз. Рідкі виділення служать для зволоження вдихуваного повітря, а пил і дрібні частинки адсорбуються слизом і видаляються миготливими рухами війок. Особливо велику роль у здійсненні цих функцій відіграє носова порожнина.
З носоглотки повітря потрапляє в ротову частину глотки і далі в гортань. Гортань має вигляд лійки, стінки якої утворені кількома хрящамт’ Між хрящами по обидва боки гортані є слизові складки — голосові зв’язки, між якими утворюється голосова щілина. Коливання зв’язок під час проходження між ними повітря забезпечує утворення звуку. Його підсилюють ротова і носова порожнини, а також глотка. Звер. вхід у гортань прикривається надгортанником, який перешкоджає потраплянню їжі в гортань і дихальні шляхи. Нижній відділ гортані переходить у трахею, що розташована в грудній клітці, спереду від стравоходу, і має довжину 11 —12 см. На рівні п’ятого грудного хребця вона розгалужується на два головні бронхи: лівий і правий. Трахея складається з 18—20 хрящових напівкілець, з’єднаних між собою зв’язками. Задня стінка трахей без хрящових утворень прилягає до стравоходу, що сприяє проходженню їжі по ньому. Стінки бронхів складаються також із хрящових кілець. Разом з кровоносними судинами і нервами бронхи входять у легені. Правий бронх поділяється на три гілки, а лівий — на дві, відповідно до кількості часток легень. У кожній легені гілки багаторазово поділяються, утворюючи бронхіальне дерево. В дрібних бронхах зникають хрящові кільця, змінюється форма епітеліальних клітин. Кінцеві бронхіоли мають діаметр
Легені — парний орган. Зовні вкриті плеврою, яка складається з двох листків: внутрішнього і зовнішнього. Внутрішній листок зростається з повітроносною тканиною легень, а зовнішній — із стінками грудної порожнини. Між листками утворюється безповітряний простір — плевральна порожнйна. Поверхні обох оболонок дуже гладенькі і слизькі, постійно зволожуються, тому в нормі не відчувається їх тертя під час дихальних рухів. У плевральній порожнині тиск на 6—9 мм рт. ст. нижчий від атмосферного. Усе це сприяє рухам легень під час вдиху і видиху.
Шляхи надходження кисню, використання його в окислювальних процесах і механізм зворотного транспорту вуглекислого газу складають єдину систему дихання (транспорту газів). Розрізняють два види дихання: зовнішнє і тканинне (внутрішнє). Традиційно вважають, що клітинне (внутрішнє) дихання вивчає біохімія, а інші процеси – фізіологія.
Під системою дихання розуміють комплекс структур, які беруть участь у газообміні, і механізми їх регуляції. Завдання системи транспорту газів полягає у забезпеченні організму такою кількістю кисню, яка адекватна його енергетичним потребам. Сумарним показником активності дихальної системи є споживання кисню (СК) за 1 хв. У дорослої людини у стані спокою СК становить близько 3,5 мл (хв/кг). Підвищення функціонального стану будь–якого органа супроводжується зростанням СК. Особливо значно збільшується СК під час роботи м’язів. Виконання фізичної роботи потребує посилені функції всіх органів системі транспорту газів. З’являється задишка. Вона виникає і при багатьох захворюваннях, які порушують функцію системи дихання.
Основні етапи газопереносу.
Можна виділити п’ять основних етапів газопереносу в системі дихання:
1) конвекційне надходження повітря в повітроносні шляхи і дифузія газів між повітроносними шляхами та альвеолами (зовнішнє дихання);
2) дифузія газів між альвеолами і кров’ю;
3) перенос газів кров’ю;
4) дифузія газів між капілярною кров’ю і тканинами;
5) внутрішнє або тканинне дихання.
Під зовнішнім диханням розуміють обмін газів між зовнішнім середовищем і альвеолами.
Механізм спокійного вдиху і видиху Перший етап дихання відбувається шляхом чергування вдихів (інспірацій) і видихів (експірацій). Під час вдиху порція повітря надходить у легені, а під час видиху виводиться з них. Повітря переміщується завдяки черговому збільшенню та зменшенню розмірів грудної порожнини.
Розміри грудної порожнини змінюються під час руху ребер і сплощення діафрагми. Ребра, утворюючи рухомі сполучення з тілами і поперечними відростками хребців, під час руху обертаються навколо осей, які проходять через місце фіксації. Причому верхні ребра обертаються майже впоперек і під час їх руху збільшуються, головним чином, передньо-задні розміри грудної порожнини. Вісь обертання нижніх ребер більш сагітальна і від їх рухів залежать переважно бічні розміри грудної порожнини. Амплітуда рухів залежить від сили скорочення м’язів. Але тут визначну роль відіграють рухомість сполучень передніх кінців ребер з грудиною, еластичність реберних хрящів.
М’язове забезпечення дихання. Усі м’язи, що виконують дихальні рухи скелетні. У стані спокою на 4/5 інспірацію здійснює діафрагма. Скорочення м’язів діафрагми, передаючись на сухожильний центр, призводить до сплощення її купола і збільшення вертикальних розмірів грудної порожнини. При цьому органи черевної порожнини відтісняються вниз, і при розслабленні м’язи черевної стінки розтягують її вперед і вбік.
Крім діафрагми основними дихальними м’язами є зовнішні і внутрішні міжреберні. При скороченні вони тягнуть обидва ребра одне до одного. Напрямок руху залежить від відношення важелів, місця прикладання зовнішніх сил і точки фіксації ребер. Точка прикріплення міжреберних м’язів до нижче розташованого ребра розміщена далі від центра обертання, ніж точка прикріплення до вище розташованого ребра (для міжреберних м’язів – це хребет, а для міжхрящових – грудина). Тому сумарна дія їх обумовлює загальне піднімання ребер і збільшення сагітального розміру та об’єму грудної клітки. Результат дії сил при скороченні внутрішніх міжреберних м’язів протилежний, тому ребра опускаються. Це призводить до зменшення сагітального розміру та об’єму грудної клітки. Тому внутрішні міжреберні м’язи є м’язами видиху.
Дихальні м’язи також дещо повертають ребра навколо їх поздовжньої осі, що призводить до збільшення поперечного розміру грудної клітки при вдиху і зменшення при видиху.
Механізм спокійного вдиху і видиху. Під час вдиху послідовність процесів така: по нервах імпульси надходять до інспіраторних м’язів, вони скорочуються і внаслідок цього збільшуються розміри грудної клітини у всіх площинах. Паралельно до збільшення розмірів грудної клітки зростає об’єм легень. При розтягненні легенів повітря, що в них є, розподіляється у більшому об’ємі. Це призводить до зменшення тиску в легенях. Через градієнт тиску, який виник при відкритих дихальних шляхах, повітря надходить у легені і тиск у них знову вирівнюється з атмосферним. У міру поглиблення вдиху в розтягнутих легенях зростає еластичний опір і для розтягування легенів потрібна більша сила (щоб подолати внутрішньоплевральний тиск). Енергія інспіраторних м’язів витрачається не тільки на подолання аеродинамічного опору повітря. Частина її йде на подолання еластичного і нееластичного опору тканин внутрішніх органів, черевної і грудної стінок, а частина – на подолання гравітаційних сил, які протидіють підніманню плечового пояса і грудної клітки. Тобто частина енергії переходить у потенціальну енергію.
Механізм спокійного видиху Після скорочення інспіраторних м’язів ця потенціальна енергія забезпечує пасивний видих. При цьому ребра і плечовий пояс опускаються, а діафрагма піднімається. Еластичний і поверхневий натяги розтягнутих перед цим легень вже не урівноважуються внутрішньоплевральним тиском, і легені починають спадатися. Тиск у легенях стає вищим від атмосферного, і повітря виходить через повітроносні шляхи. Якщо запасної потенціальної енергії недостатньо для видиху, то підключаються експіраторні м’язи.
Здійснення форсованого дихання.
Для виконання глибокого вдиху потрібне інтенсивніше розширення грудної клітки. Природно, що чим глибший вдих, тим більше м’язів повинно скорочуватися: підключаються м’язи, які піднімають ребра, грудну клітку. Легені розтягуються з більшими швидкістю і силою, що призводить до збільшення об’єму і швидкості надходження повітря в дихальні шляхи.
До допоміжних інспіраторних м’язів належать усі м’язи, що прикріплюються одним кінцем до ребер грудини, а іншим – до черепа, плечового пояса або до вищележачого хребця. Це – великі і малі грудні, драбинчасті, грудиноключичнососкові, трапецієвидні, м’язи, що піднімають лопатку. Найважливішими допоміжними експіраторними м’язами є м’язи живота, що стискають органи черевної порожнини, а отже, посилюють піднімання діафрагми. Крім цього, м’язи живота, як і м’язи, що згинають хребет, сприяють опусканню ребер.
“Дихальні шляхи” В альвеоли повітря надходить через повітроносні шляхи. Дихальні шляхи починаються верхнім відділом: носовими ходами, ротовою порожниною і гортанню. Розміщена за гортанню трахея ділиться на два бронхи, кожний з яких послідовно і багаторазово розподіляється дихотомічно. Всього нараховується близько 20–25 генерацій бронхів
Дихальні шляхи ділять на кондуктивну (провідну), транзиторну (перехідну) і дихальну зони. До першої зони належать від 1-ї до 16-ї генерації бронхів, до другої – наступні. Із загального об’єму легень провідна зона займає 3 % (близько 150 мл), транзиторна – близько 30 % (1500 мл).
Починаючи з 17–го поділу, на стінках бронхів з’являються поодинокі альвеоли. Далі, аж до 23-ї генерації, кількість альвеол збільшується. В зв’язку з цим 17–23-тя генерації називаються дихальними бронхіолами; 23-тя генерація бронхіол переходить альвеолярні мішечки.
Зміни тиску в плевральній порожнині в різні фази дихання Грудна клітка зсередини покрита парієтальним листком плеври. Вісцеральний листок плеври укриває легені з зовнішнього боку. Між ними міститься плевральна щілина, заповнена рідиною, яка виконує роль “мастила”.
Еластичні елементи легень і сили поверхневого натягу зумовлюють виникнення міжплевральної напруги. Сумарна величина цих сил може бути визначена шляхом уведення канюлі манометра між листками плеври. Цей показник має назву внутрішньоплеврального тиску. Величина його на
Зміни тиску в альвеолах при диханні Перед черговим вдиханням повітря в легенях перебуває під тиском, який дорівнює атмосферному, а міжплевральний тиск нижчий від атмосферного на
Функції дихальних шляхів Повітроносні шляхи майже не беруть участі в газообміні. Але ці шляхи виконують ряд інших важливих функцій, спрямованих на “кондиціонування“ повітря. Можна виділити три основних механізми забезпечення кондиціонування.
1. Зігрівання. Під час проходження через повітроносні шляхи повітря зігрівається завдяки тісному контакту з широкою мережею кровоносних капілярів підслизового шару.
2. Зволоження. Незалежно від вологості атмосфери повітря легенів насичене до 100 % парою води.
Повітря, проходячи через повітроносні шляхи, під час видиху встигає частково повернути слизовим оболонкам як тепло, так і воду. У такий спосіб у повітроносних шляхах здійснюється регенерація повітря. Вираженість цих процесів багато в чому залежить від стану навколишнього середовища й глибини дихання. При форсованому диханні організм людини може втрачати до 10 % тепла і до 200 мл/год води.
3. Очищення повітря. Часточки, що за розміром більші від 10 мкм, затримуються на волосинках та вологих слизових оболонках носових ходів. Ті ж часточки, які минули ці перешкоди, осідають на стінках трахеї, бронхів, укритих війчастим епітелієм. Вії здійснюють коливальні рухи: вони повільно рухаються відповідно до напрямку видиху й швидко повертаються в попереднє положення. Завдяки цьому слиз разом із часточками поступово рухається У напрямку гортані, де відхаркується або проковтується. Середня швидкість руху слизу – близько 1 см/хв. Дрібні часточки, які потрапили до альвеол, можуть бути поглинуті макрофагами сполучної тканини. Після цього вони залишаються на місці (вугільний пил зберігається в тканинах легенів протягом кількох років) або через лімфу та кров відносяться від легенів. Аналогічна ситуація спостерігається і з мікроорганізмами.
Повітроносні шляхи виконують захисну функцію й рефлекторним шляхом: при чханні та кашлі разом із струменем повітря виводиться подразник. Чхальний рефлекс зароджується в рецепторах слизової оболонки носа, а кашльовий – у слизовій оболонці глотки, трахеї, бронхів.
Регуляція просвіту бронхів. Гладкі м’язи бронхіол іннервуються волокнами вегетативної нервової системи. Прямий вплив симпатичної системи незначний, зате катехоламіни, що містяться в крові, особливо адреналін, діючи на b-адренорецептори, зумовлюють розслаблення цих м’язів.
Ацетилхолін, що виділяється волокнами блукаючого нерва, звужує бронхіоли. Тому введення атропіну сульфату може спричинити розширення бронхіол. За участю парасимпатичних нервів реалізується ряд рефлексів, які починаються у дихальних шляхах у разі подразнення їх рецепторів димом, отруйними газами, інфекцією тощо. Деякі речовини, що зумовлюють алергічні реакції, також можуть звужувати бронхіоли.
Призначення легеневої вентиляції складається в підтримці відносної
сталості рівня парціального тиску О2 і СО2 в альвеолярному повітрі. При атмосферному тиску 760 мм .рт.ст р О2 у ньому дорівнює 159 мм .рт.ст. і р СО2 – 0,2 мм .рт.ст., а в альвеолярному повітрі – 102 мм .рт.ст. і 40
мм.рт.ст., відповідно. Характер легеневої вентиляції визначається
градієнтом парціального тиску цих газів у різних відділах дихальних
шляхів.
Один з фізіологічних параметрів оцінки стану апарату дихання – хвилинна
вентиляція легень – кількість повітря, що проходить через легені
протягом 1 хв. Величина хвилинної вентиляції легень різко зростає при
фізичних і емоційних напругах, що порозумівається посиленням окисних
процесів у тканинах при цих станах.
Характеристика легеневих об’ємів і ємкостей.
Газообмін у легенях відбувається між повітрям альвеол і кров’ю, яка їх омиває. У свою чергу при диханні повітря альвеол повинне обмінюватися із зовнішнім повітрям. Але якими б глибокими не були дихальні рухи, повного обміну альвеолярного повітря на атмосферне ніколи не буває. Альвеолярна вентиляція визначається глибиною і частотою дихальних рухів, а також відношенням об’єму провідних шляхів і альвеол. Прийнято визначати показники, що характеризують зовнішнє дихання, – статичні і динамічні. Більшість із них багато в чому залежить від об’єму грудної порожнини і рухомості грудної клітки. До статичних належать такі показники.
1. Дихальний об’єм (ДО) – кількість повітря, що надходить у легені за один спокійний вдих (0,3–
2. Резервний об’єм вдиху (РОвд) – максимальна кількість повітря, яку людина може вдихнути після нормального вдиху (1,5–
3. Резервний об’єм видиху (РОвид) – максимальна кількість повітря, яку людина може видихнути після спокійного вдиху (1–
4. Життєва ємкість легенів (ЖЄЛ) – найбільша кількість повітря, яке людина може видихнути після максимально глибокого вдиху. Цей сумарний показник легко визначити, знаючи попередні величини: ЖЄЛ = ДО + РОвд + РОвид.(жін. 33,5; чол.
ЖЄЛ залежить від віку, статі, росту, маси тіла і фізичного розвитку людини. Заняття деякими видами спорту, зокрема греблею, плаванням тощо, підвищують ЖЄЛ.
5. Після максимально глибокого видиху в легенях залишається повітря, яке називається залишковим об’ємом (1 –
6. Загальна ємкість легенів (ЗЄЛ) – кількість повітря, яке міститься в легенях на висоті максимуму вдиху: ЗЄЛ = ЖЕЛ + ЗО; ( 4,5-
7. Об’єм дихальних шляхів (“мертвий простір” (МП) дорівнює в середньому 140-150 мл.
8. Функціональна залишкова ємкість (ФЗЄ) – кількість повітря, яка залишається в легенях у кінці видиху: ФЗЄ = РОвид + 30 · (2,5-
“Альвеолярна вентиляція” Вентиляція легень залежить від співвідношення обновлюваного за кожний дихальний цикл об’єму повітря і об’єму повітря, що міститься в легенях. Так, якщо при спокійному диханні в легені надходить близько 500 мл повітря, то цей об’єм додається до ЗО і РОвид, який дорівнює приблизно 2000 мл. Але частина повітря, що вдихається, не доходить до альвеол і залишається в дихальних шляхах.
У зв’язку з наявністю МП альвеолярна вентиляція відрізняється від легеневої: із 500 мл повітря до альвеол не доходить 150 мл. Тобто за кожний дихальний цикл до альвеол надходить близько 350 мл повітря, що складає приблизно 1/7 всього повітря, що міститься в альвеолах. Природно, що чим глибше дихання, тим інтенсивніша альвеолярна вентиляція, оскільки з одного боку, при глибшому видиху в легенях залишається менше повітря, а з другого – при форсованому диханні істотно збільшується ДО.
Характеристика динамічних показників.
1. Частота дихальних рухів (ЧДР).
2. Хвилинний об’єм дихання (ХОД) – кількість повітря, що надходить у легені за 1 хв: ХОД = ДО · ЧДР.
3. Альвеолярна вентиляція (АВ) характеризує вентиляцію альвеол: АВ = (ДО – МП) · ЧДР.
4. Максимальна вентиляція легень (МВЛ) – кількість повітря, яке людина вдихає і видихає при максимальній глибині і частоті дихання.
5. Резерв дихання – різниця між МВЛ і ХОД.
6. Коефіцієнт легеневої вентиляції (КЛВ) – та частина повітря, яка обмінюється в легенях під час кожного вдиху: КЛВ = (ДО – МП) : ФЗЄ.
7. Коефіцієнт альвеолярної вентиляція (легеневий кровотік) (АВ ЛК = 4л : 5л = 0,8). Для нормального газообміну повинно бути адекватне співвідношення вентиляції альвеол і кровообігу у капілярах, котрі обплітають альвеоли. Але ці умови не завжди виконуються. Окремі ділянки легень вентилюються і перфузуються не завжди однаково. Одні альвеоли погано або зовсім не вентилюються при збереженні кровообігу, інші ж, навпаки, добре вентилюються, але не перфузуються. За рахунок цього об’єм ділянок легенів, у яких не відбуваються газообмінні процеси, збільшується. Тому, крім анатомічного, вводиться термін “фізіологічний мертвий простір“ (ФМП). Під ним розуміється сума анатомічного і альвеолярного МП (об’єм альвеол, що не вентилюються). Якщо у нормі ФМП мало відрізняється від “анатомічного мертвого простору” (АМП), то при патології він значно впливає на газообмін.
Поняття про парціальний тиск газів. Згідно із законом Дальтона, парціальний тиск кожного газу в суміші пропорційний його об’єму. Позаяк у легенях поряд із киснем, вуглекислим газом і азотом міститься ще й пара води, то для визначення парціального тиску кожного газу потрібно визначити тиск “сухої“ газової суміші. Якщо людина перебуває в “сухому“ повітрі, то парціальний тиск кожного газу слід розраховувати, виходячи із загального тиску. Для урахування вологості треба внести відповідні поправки на пару Н2О.
Аналіз видихуваного повітря свідчить, що різні порції його істотно відрізняються щодо процентного співвідношення О2 і CO2. За складом перші порції повітря ближчі до атмосферного, оскільки це повітря МП. Останні порції повітря наближаються за своїм складом до альвеолярного. Тому його доцільно називати альвеолярною сумішшю газів, розуміючи під поняттям “повітря“ атмосферне повітря.
Як відбувається газообмін між вдихуваним і альвеолярним повітрям? Зовнішнє повітря надходить до альвеол під час активного вдиху.
При дифузії рушійною силою газообміну є різниця парціального тиску в дихальних шляхах і альвеолах. За рахунок цього О2 дифундує до альвеол, а у протилежному напрямку рухається СО2 . Значно змінюються умови газообміну між атмосферним повітрям та альвеолярною сумішшю і тоді, коли знижується амплітуда дихання.
Швидкість дифузії газів значна і достатня для газообміну. Це є однією з умов підтримання постійного газового складу альвеолярної суміші незалежно від фаз дихання (“вдих“–“видих“). У нормі цей рівень підтримується за рахунок відповідної глибини і частоти дихальних рухів. Форсування, як і припинення дихання, порушує цю сталість. Це впливає, на газообмін між альвеолами і кров’ю, внаслідок чого змінюється газовий склад крові, що тече від легенів. У свою чергу градієнт парціальних тисків між повітрям бронхів і альвеол забезпечує постійний рівень газообміну незалежно від фаз дихання.
Особливості дифузії кисню і вуглекислого газу через легеневу мембрану. Газообмін у легенях людини відбувається на площі 50-
