Дыхание — это непрерывный обмен газов между организмом и окружающей его средой.
В организме постоянно совершаются окислительные процессы. Поступающий из окружающей среды кислород доставляется к клеткам, где он связывается с углеродом и водородом, которые отщепляются от высокомолекулярных органических веществ, включенных в цитоплазму. Конечные продукты превращений веществ, удаляемые из организма, — углекислый газ, вода и другие соединения содержат большую часть поступившего в организм кислорода. Меньшая часть кислорода входит в состав цитоплазмы клеток.
Кислород обеспечивает окислительные процессы, которые являются основными биохимическими процессами, освобождающими энергию. Поэтому жизнь организмов без достаточного снабжения их тканей кислородом невозможна. Чем выше организация-животного, тем оно труднее переносит кислородное голодание. Высокоорганизованные животные, и особенно человек, при прекращении окислительных процессов погибают через несколько минут.
Основным источником энергии в организме служит АТФ, которая в свою очередь образуется за счет энергии, выделяющейся в процессах окисления питательных веществ. Наиболее эффективным окислителем в нашем организме является кислород, который должен постоянно поступать во все органы и ткани. Одновременно необходимо постоянно освобождать организм от СO2 который является наиболее распространенным конечным продуктом окисления питательных веществ. Совокупность процессов, участвующих в обеспечении организма кислородом и выделении углекислого газа, называется дыханием.
Чаще всего дыхание разделяют на три этапа: 1) внешнее, или легочное, дыхание — процесс обмена газами O2 и CO2 между легкими и атмосферой; 2) транспортировка газов кровью; 3) тканевое дыхание — газообмен в тканях, в результате чего потребляется кислород, образуется АТФ и углекислый газ. Иногда выделяют еще один, самый начальный этап дыхания — вентиляцию, то есть движение газов между атмосферой и дыхательной поверхностью легких.
Строение органов дыхания
Воздухоносные пути, обеспечивающие поступление воздуха в легкие, начинаются носовой полостью, поделенной перегородкой на две половины. На боковых стенках этой полости расположены носовые раковины, делящие каждую половину носовой полости на верхний, средний и нижний носовые ходы. В нижний носовой ход через носослезный канал выделяется некоторое количество слезной жидкости. В слизистой оболочке носовой полости находится большое число кровеносных сосудов, а верхний слой этой оболочки образован клетками ресничного эпителия. Воздух попадает в носовую полость через ноздри и, проходя по ней, согревается, увлажняется, очищается ресничным эпителием от пылинок. Железы слизистой оболочки выделяют специальные бактерицидные вещества, а на поверхности слизистой находится большое число лейкоцитов, которые также уничтожают бактерии. Таким образом, в носовой полости воздух очищается от множества бактерий.
Пройдя через носовую полость, воздух через хоаны попадает в верхние отделы глотки, а затем в гортань. Гортань образована несколькими хрящами, самым крупным из которых является щитовидный. Специальный надгортанный хрящ прикрывает вход в гортань во время глотания пищи. Поперек гортани натянуты эластичные голосовые связки, образованные соединительной тканью. Между голосовыми связками находится голосовая щель. При напряжении голосовых связок выдыхаемый воздух заставляет их колебаться, вызывая звуковые колебания. Однако характеристики звуков, издаваемых человеком, особенно при членораздельной речи, зависят также от сокращения мышц глотки, ротовой полости и т. д.
Из гортани воздух попадает в трахею. Трахея образована 16-20 неполными хрящевыми кольцами, не позволяющими ее стенкам спадаться. Задняя стенка трахеи образована соединительной тканью и гладкомышечными волокнами. Приблизительно на уровне 5-го грудного позвонка трахея разветвляется на два бронха, также образованных хрящевыми кольцами. Бронхи многократно ветвятся на более мелкие трубочки, образуя бронхиальное дерево. Самые тонкие бронхиальные ветви называют бронхиолами. От них отходят тончайшие альвеолярные ходы, стенки которых образуют многочисленные выпячивания — альвеолы, или легочные пузырьки. Диаметр такого пузырька — 0,2-0,3 мм. Каждая альвеола оплетена густой сетью капилляров малого круга кровообращения. Через стенки этих альвеол и капилляров происходит газообмен между воздухом и кровью: в кровь из альвеолярного воздуха поступает кислород, а из крови в альвеолярный воздух — CO2. Стенки альвеол образованы одним слоем плоского эпителия с большим количеством эластичных волокон. Изнутри альвеолы покрыты особым поверхностно-активным веществом — сурфактантом, который не дает альвеолам спадаться при выдохе. В обоих легких человека насчитывается около 350 миллионов альвеол, а их общая поверхность составляет более 150 квадратных метров.
Альвеолы, отходящие от одной бронхиолы, называются ацинусом. Из многих ацинусов слагаются дольки, из долек — сегменты, сегменты собраны в доли, а доли образуют левое и правое легкое. В левом легком две доли, образованные разветвлениями левого бронха, а в правом легком — три доли, образованные разветвлениями правого бронха. В каждое легкое входит одна легочная артерия, а выходят из него две легочные вены.
Снаружи легкие покрыты внутренним плевральным листком (легочной плеврой), наружный плевральный листок выстилает изнутри стенки грудной полости (пристенная плевра). Между двумя листками плевры остается небольшое пространство — плевральная полость. В ней находится плевральная жидкость, которая снижает трение между листками плевры при дыхательных движениях. Давление в плевральной полости несколько ниже атмосферного и составляет около 751 мм рт. ст. Воздух в плевральной полости отсутствует.
Обмен газов в легких и тканях
При вдохе легкие заполняются воздухом, который содержит 79% азота, 21% кислородаги-0,03% углекислого газа. В альвеолах происходит переход кислорода из альвеолярного воздуха в кровь, а углекислого газа — из крови в альвеолярный воздух. Это происходит за счет различного парциального давления этих газов в воздухе и жидкости. Парциальным давлением газа называется та часть общего давления, которая приходится на долю этого газа в газовой смеси. Чем больше содержание газа в смеси, тем выше его парциальное давление. Так как давление атмосферного воздуха равно 760 мм рт. ст., то при указанных концентрациях газов во вдыхаемом воздухе парциальное давление кислорода составляет около 159 мм рт. ст. (21% от 760), азота — около 600 мм рт. ст. (79% от 760), углекислого газа — около 0,2 мм рт. ст. (0,03% от 760). В альвеолах воздух насыщается водяными парами, давление которых равно 47 мм рт. ст., поэтому давление газов в альвеолярном воздухе не 760, а 713 мм рт. ст. Соответственно парциальное давление всех газов в альвеолярном воздухе ниже, чем в атмосферном. Так, парциальное давление O2 в альвеолярном воздухе примерно равно 100 мм рт. ст., а парциальное давление СO2 — 38 мм рт. ст. В то же время в венозной крови, находящейся в капиллярах малого круга, парциальное давление O2 составляет 40 мм рт. ст., а СO2 — 46 мм рт. ст. Поэтому кислород путем диффузии поступает через стенки альвеол и капилляров из альвеолярного воздуха в кровь, а СO2 — наоборот, из капиллярной крови в альвеолярный воздух.
В тканях наблюдается обратная картина. Парциальное давление кислорода в клетках очень мало, в тканевой жидкости — около 30 мм рт. ст., а в артериальной крови — около 100 мм рт. ст.
Поэтому кислород из капилляров большого круга переходит в тканевую жидкость и далее в клетки. Для СO2 наблюдается обратная картина, то есть СO2 диффундирует из тканей в тканевую жидкость, а из нее — в кровь.
Эволюция типов дыхания
У одноклеточных организмов имеется диффузное дыхание — непосредственное проникновение газов через оболочку клетки. У низших многоклеточных, например у червей, низших насекомых, обмен газами происходит через клетки поверхности тела (кожное дыхание). Кожное дыхание играет большую роль и у низших позвоночных (рыб, амфибий, пресмыкающихся), у которых есть специальные органы дыхания. Эти органы развиваются в зависимости от среды обитания. Органами водного дыхания являются жабры, имеющие разнообразное строение (жаберное дыхание), а органами воздушного дыхания — трахеи и легкие (трахейное, легочное дыхание). У всех рыб жаберное дыхание, а у некоторых рыб, кроме жаберного, есть еще кожное и кишечное дыхание. Из кишечной трубки развивается плавательный пузырь, клетки которого активно поглощают кислород (секреция газа). Например, в плавательном пузыре щуки 35% кислорода, а морского окуня до 88%. Кроме того, плавательный пузырь участвует в координации движений.
У водных позвоночных бывают как наружные, так и внутренние жабры. У беспозвоночных органами воздушного дыхания нередко являются преобразованные жабры. У большинства насекомых существует трахейная система, состоящая из сложнейшей сети тончайших ветвей трахеи, через которые ткани снабжаются кислородом. У рептилий и амфибий газообмен осуществляется на 2/3 через кожу и на 1/3 — через легкие (легочное дыхание).
У птиц органы дыхания имеют особенное устройство. У них, как и у рептилий, нет диафрагмы. Трахея делится на 2 бронха, проходящие сквозь легкие в воздушные мешки. Легкие невелики и сращены с ребрами. Воздух из легких поступает через пронизывающие их разветвления бронхов, бронхиол и воздушные капилляры в воздушные мешки. Небольшие воздушные мешки расположены в грудной, а большие — в брюшной полости. У всех воздушных мешков имеются отростки, некоторые из них проникают в трубчатые длинные кости конечностей. При вдохе происходит значительное увеличение объема грудной клетки в вертикальном направлении за счет увеличения угла между частями ребер. Газообмен осуществляется в легких и в воздушных капиллярах (обильно снабженных кровеносными капиллярами), через которые воздух проходит во время вдоха и выдоха дважды (в воздушные мешки и обратно).
Воздушные мешки — огромный резервуар воздуха — способствуют поддержанию тела птицы в полете, а также охлаждению тела и сохранению жизни при длительном отсутствии дыхания. У водоплавающих птиц они уменьшают плотность тела, вследствие чего птицы мало погружаются в воду.
Легочное дыхание
У млекопитающих и человека газообмен почти полностью совершается в легких, а через кожу и пищеварительный канал только 1-2%, но у некоторых животных, например у лошади, во время работы кожное дыхание возрастает до 8%.
Филогенетическое развитие органов дыхания сопровождалось развитием специальной дыхательной мускулатуры, своими сокращениями обеспечивая постоянную смену воздуха или воды, соприкасающихся с дыхательной поверхностью. На древнейших этапах эволюции эта смена осуществлялась движениями всего тела.
Дыхание разделяется на внешнее и внутреннее.
Внешнее, или легочное, дыхание – обмен газами, который совершается через поверхность легких между кровью и воздухом, находящимся в легких.
Внутреннее, или тканевое, дыхание – обмен газами между тканями и кровью.
Дыхательное движение
В акте дыхания легкие играют пассивную роль. Они не могут расширяться и сжиматься активно, так как в них нет мускулатуры. Поступление воздуха в легкие при вдохе и удалении его при выдохе происходит благодаря сокращению и расслаблению дыхательных мышц, которые играют в акте дыхания активную роль.
Сокращения дыхательных мышц могут вызываться произвольно благодаря импульсам, поступающим из нейронов больших полушарий головного мозга. Однако в обычных условиях жизни дыхательные движения происходят без участия сознания. Они совершаются и в глубоком сне и в других случаях, когда деятельность больших полушарий отсутствует. Частота дыхательных движений у разных животных неодинакова.
У новорожденных детей частота дыхания в покое 40-60 в минуту. С возрастом частота дыхания постепенно уменьшается. Перед периодом полового созревания частота дыхания у девочек становится больше, чем у мальчиков, и в дальнейшем это отношение сохраняется в течение всей жизни.
В спокойном состоянии взрослый человек делает от 12 до 24 дыхательных движений, в среднем 16-20 дыхательных движений в минуту, лошадь — 10-15, корова 10-30, свинья — 8-18.
При стоянии частота дыхательных движений больше, чем при сидении или лежаний. Мышечная работа, эмоции, повышение окружающей температуры и пищеварение учащают и углубляют дыхание. Во время сна дыхание более редкое (приблизительно на 1/5).
Глубина дыхания падает с увеличением его частоты.
На частоту и глубину дыхания влияет обмен веществ. При высоком обмене веществ у высокопродуктивных коров частота дыхания 30, а у среднепродуктивных, у которых обмен веществ меньше, — 15-20 в минуту.
Запись дыхательных движений грудной клетки обозначается как пневмограмма.