Физиология и функции дыхательной системы
Основная поза для дыхательных практик
Дыхание – сложный физиологический механизм, обеспечивающий обмен кислородом и углекислым газом между клетками и внешней средой. Кислород постоянно поглощается клетками и одновременно идет процесс удаления из организма углекислого газа, который образуется в результате биохимических реакций, протекающих в организме. Кислород участвует в реакциях окисления сложных органических соединений с их конечным распадом до углекислого газа и воды, в ходе чего образуется необходимая для жизни энергия.
Кроме жизненно необходимого газообмена, внешнее дыхание обеспечивает другие важные функции в организме, например способность к звукообразованию. В этом процессе участвуют мышцы гортани, дыхательные мышцы, голосовые связки и полость рта, а сам он возможен только при выдохе. Вторая важная «недыхательная» функция – обоняние.
Кислород в нашем организме содержится в небольшом количестве – 2,5–2,8 л, причем около 15 % этого объема находится в связанном состоянии.
В покое человек в минуту потребляет приблизительно 250 мл кислорода и удаляет около 200 мл углекислого газа. Таким образом, при остановке дыхания запаса кислорода в нашем организме хватает всего на несколько минут, затем наступает повреждение и гибель клеток, в первую очередь страдают клетки ЦНС. Для сравнения: без воды человек способен прожить 10–12 сут (в организме человека запас воды в зависимости от возраста составляет до 75 %), без еды – до 1,5 мес. При интенсивной физической нагрузке расход кислорода резко возрастает и может доходить до 6 л в минуту.
Функцию дыхания в организме человека осуществляет дыхательная система, в которую входят органы внешнего дыхания (верхние дыхательные пути, легкие и грудная клетка, включая ее костно-хрящевой каркас и нервно-мышечную систему), органы транспорта газов кровью (сосудистая система легких, сердце) и регуляторные центры, обеспечивающие автоматизм дыхательного процесса.
Грудная клетка образует стенки грудной полости, в которой расположены сердце, легкие, трахея и пищевод. Она состоит из 12 грудных позвонков, 12 пар ребер, грудины и соединений между ними. Передняя стенка грудной клетки короткая, она сформирована грудиной и реберными хрящами. Задняя стенка образована позвонками и ребрами, тела позвонков расположены в грудной полости. Ребра соединены между собой и с позвоночником подвижными суставами и принимают активное участие в дыхании. Промежутки между ребрами заполнены межреберными мышцами и связками. Изнутри грудная полость выстлана пристеночной, или париетальной, плеврой.
Мышечная система, обеспечивающая дыхание
Дыхательные мышцы подразделяют на осуществляющие вдох (инспираторные) и осуществляющие выдох (экспираторные). К основным инспираторным мышцам относят диафрагму, наружные межреберные и внутренние межхрящевые мышцы.
К вспомогательным инспираторным мышцам принадлежат лестничные, грудиноключично-сосцевидные, трапециевидные, большие и малые грудные.
К экспираторным мышцам относят внутренние межреберные, прямые, подреберные, поперечные, а также наружную и внутреннюю косые мышцы живота.
Поскольку грудобрюшная перегородка, диафрагма, имеет крайне важное значение в процессе дыхания, рассмотрим ее строение и функции более подробно. Эта обширная изогнутая (выпуклостью кверху) пластина полностью разграничивает брюшную и грудную полости. Диафрагма – главная дыхательная мышца и важнейший орган брюшного пресса. В ней выделяют сухожильный центр и три мышечные части с названиями по тем органам, от которых они начинаются, соответственно выделяют реберную, грудинную и поясничную области. При сокращении купол диафрагмы удаляется от стенок грудной клетки и уплощается, за счет чего увеличивается объем грудной полости и уменьшается объем брюшной полости. При одновременном сокращении диафрагмы с мышцами брюшного пресса повышается внутрибрюшное давление. Следует учесть, что к сухожильному центру диафрагмы крепятся париетальная плевра, перикард и брюшина, то есть перемещение диафрагмы смещает органы грудной и брюшной полости.
Диафрагма в дыхательной системе
К дыхательным путям относят путь, который воздух проходит от носа до альвеол. Их делят на воздухоносные пути, расположенные вне грудной полости (это носовые ходы, глотка, гортань и трахея) и внутригрудные дыхательные пути (трахея, главные и долевые бронхи).
Воздухоносные пути
Мы рассмотрим основную функцию аппарата дыхания – внешнее дыхание, при котором происходит газообмен в легких, то есть поступление кислорода к дыхательной поверхности легких и удаление углекислого газа. В процессе внешнего дыхания принимают участие собственно аппарат дыхания, включающий воздухоносные пути (нос, глотка, гортань, трахея), легкие и инспираторные (дыхательные) мышцы, расширяющие грудную клетку во всех направлениях.
Подсчитано, что в среднем суточная вентиляция легких составляет около 19 000–20 000 л воздуха, а за год через легкие человека проходит более 7 млн л воздуха!
Легочная вентиляция обеспечивает газообмен в легких и снабжается благодаря чередованию вдоха (инспирации) и выдоха (экспирации). Вдох – это активный процесс за счет инспираторных (дыхательных) мышц, основные из которых – диафрагма, наружные косые межреберные мышцы и внутренние межхрящевые мышцы. Диафрагма – это мышечно-сухожильное образование, разграничивающее брюшную и грудную полости, при ее сокращении увеличивается объем грудной клетки. При спокойном дыхании диафрагма смещается вниз на 2–3 см, а при глубоком форсированном экскурсия диафрагмы может достигать 10 см!
Внутригрудные дыхательные пути
Процесс дыхания условно можно разделить на три этапа:
• внешнее, или легочное, дыхание;
• транспорт газов кровью (транспортировка кислорода кровью к тканям и клеткам, одновременно удаление из тканей углекислого газа);
• тканевое (клеточное) дыхание, которое осуществляется непосредственно в клетках в специальных органеллах.
При вдохе за счет расширения грудной клетки пассивно увеличивается объем легких, давление в них становится ниже атмосферного, что дает возможность проникать в них воздуху. Во время вдоха воздух первоначально проходит через нос, глотку и затем поступает в гортань. Носовое дыхание у человека очень важно, так как при прохождении воздуха через нос происходит увлажнение и согревание воздуха. Кроме того, эпителий, выстилающий полость носа, способен задерживать мелкие инородные тела, поступающие с воздухом. Таким образом, воздухоносные пути также выполняют очистительную функцию.
Гортань, вид спереди
Гортань находится в передней области шеи, сверху она соединена с подъязычной костью, снизу переходит в трахею. Спереди и с боков располагаются правая и левая доли щитовидной железы. Гортань участвует в акте дыхания, защите нижних дыхательных путей и голосообразовании, состоит из 3 парных и 3 непарных хрящей. Из этих образований в процессе дыхания важную роль выполняет надгортанник, который предохраняет дыхательные пути от попадания инородных тел и пищи. В гортани условно выделяют три отдела. В среднем отделе расположены голосовые связки, которые образуют самое узкое место гортани – голосовую щель. Голосовые связки играют основную роль в процессе звукообразования, а голосовая щель – при дыхательной практике.
Голосовые связки
Из гортани воздух поступает в трахею. Трахея начинается на уровне 6-го шейного позвонка; на уровне 5-го грудного позвонка она делится на 2 главных бронха. Сама трахея и главные бронхи состоят из незамкнутых хрящевых полуколец, что обеспечивает их постоянную форму и не дает им спадаться. Правый бронх шире и короче левого, расположен вертикально и служит продолжением трахеи. Он делится на 3 долевых бронха, так как правое легкое разделяется на 3 доли; левый бронх – на 2 долевых бронха (левое легкое состоит из 2 долей). Затем долевые бронхи делятся дихотомически (надвое) на бронхи и бронхиолы более мелких размеров, заканчиваясь дыхательными бронхиолами, на конце которых расположены альвеолярные мешочки, состоящие из альвеол – образований, в которых, собственно, и происходит газообмен. В стенках альвеол находится большое количество мельчайших кровеносных сосудов – капилляров, которые служат для проведения газообмена и дальнейшей транспортировки газов. Бронхи с разветвлением их на более мелкие бронхи и бронхиолы (до 12-го порядка стенка бронхов включает в себя хрящевую ткань и мышцы, это препятствует спадению бронхов во время выдоха) внешне напоминают дерево. К альвеолам подходят терминальные бронхиолы, которые являются разветвлением 22-го порядка.
Количество альвеол в организме человека достигает 700 млн, а их суммарная площадь составляет 160 м2.
К слову, наши легкие имеют огромный резерв; в покое человек использует не более 5 % дыхательной поверхности.
Альвеолы
Газообмен на уровне альвеол идет непрерывно, он осуществляется методом простой диффузии за счет разницы парциального давления газов (процентного соотношения давления различных газов в их смеси). Процентное давление кислорода в воздухе составляет около 21 % (в выдыхаемом воздухе его содержание – приблизительно 15 %), углекислого газа – 0,03 %.
Спокойный выдох – пассивный процесс за счет нескольких факторов.
• После прекращения сокращения инспираторных мышц ребра и грудина опускаются (за счет силы тяжести) и грудная клетка уменьшается в объеме, соответственно, увеличивается внутригрудное давление (становится выше атмосферного) и воздух устремляется наружу.
• Легкие сами по себе обладают эластической упругостью, которая направлена на уменьшение объема легких. Этот механизм обусловлен наличием пленки, выстилающей внутреннюю поверхность альвеол, которая содержит сурфактант – вещество, обеспечивающее поверхностное натяжение внутри альвеол. Так, при перерастяжении альвеол сурфактант ограничивает этот процесс, стремясь сократить объем альвеол, в то же время не позволяя им спадаться полностью. Механизм эластической упругости легких также обеспечивается за счет мышечного тонуса бронхиол.
Глубокий выдох – активный процесс с участием вспомогательных мышц. В качестве экспираторных мышц при глубоком выдохе выступают мышцы живота (косые, прямая и поперечные), при сокращении которых возрастает давление в брюшной полости и поднимается диафрагма. К вспомогательным мышцам, обеспечивающим выдох, также можно отнести межреберные внутренние косые мышцы и мышцы, сгибающие позвоночник.
Глубокий вдох и спокойный выдох
Внешнее дыхание можно оценить с помощью нескольких параметров.
• Дыхательный объем. Количество воздуха, которое в спокойном состоянии поступает в легкие. В покое норма составляет приблизительно 500–600 мл. Объем вдоха немного больше, так как углекислого газа выдыхается меньше, чем поступает кислорода.
• Альвеолярный объем. Часть дыхательного объема, которая участвует в газообмене.
• Анатомическое мертвое пространство. Образуется в основном за счет верхних дыхательных путей, которые заполнены воздухом, но сами не участвуют в газообмене. Оно составляет около 30 % от дыхательного объема легких.
• Резервный объем вдоха. Количество воздуха, которое человек может дополнительно вдохнуть после обычного вдоха (может достигать 3 л).
• Резервный объем выдоха. Остаточный воздух, который можно выдохнуть после спокойного выдоха (у отдельных людей достигает 1,5 л).
• Частота дыхания. В среднем составляет 14–18 дыхательных циклов в минуту. Она обычно возрастает при физической нагрузке, стрессе, беспокойстве, когда организму требуется больше кислорода.
• Минутный объем легких. Определяется с учетом дыхательного объема легких и частоты дыхания в минуту.
В нормальных условиях продолжительность фазы выдоха длиннее, чем вдоха, приблизительно в 1,5 раза.
Из характеристик внешнего дыхания важен еще тип дыхания. Он зависит от того, осуществляется ли дыхание только с помощью экскурсии грудной клетки (грудной, или реберный, тип дыхания) либо в процессе дыхания основное участие принимает диафрагма (брюшной, или диафрагмальный, тип дыхания). Для женщин более характерен грудной тип дыхания, хотя физиологически более оправдано дыхание с участием диафрагмы. При этом виде дыхания лучше вентилируются нижние отделы легких, увеличивается дыхательный и минутный объем легких, организм затрачивает меньше энергии на процесс дыхания (диафрагма движется легче, чем костно-хрящевой каркас грудной клетки).
Параметры дыхания на протяжении всей жизни человека регулируются автоматически, в зависимости от потребностей в определенное время. Центр регуляции дыхания состоит из нескольких звеньев.
В качестве первого звена регуляции выступает необходимость поддержания на постоянном уровне напряжения кислорода и углекислого газа в крови. Эти параметры постоянны, при выраженных нарушениях организм может существовать всего несколько минут.
Второе звено регуляции – периферические хеморецепторы, расположенные в стенках сосудов и тканях, которые реагируют на снижение уровня кислорода крови либо на повышение уровня углекислого газа. Раздражение хеморецепторов вызывает изменение частоты, ритма и глубины дыхания.
Мозговой центр дыхания
Третье звено регуляции – собственно дыхательный центр, который состоит из нейронов (нервных клеток), расположенных на различных уровнях нервной системы. Различают несколько уровней дыхательного центра.
• Спинальный дыхательный центр, расположенный на уровне спинного мозга, иннервирует диафрагму и межреберные мышцы; его значение – в изменении силы сокращения этих мышц.
• Центральный дыхательный механизм (генератор ритма), находящийся в продолговатом мозге и варолиевом мосту, обладает свойством автоматизма и регулирует дыхание в покое.
• Центр, расположенный в коре больших полушарий и гипоталамусе, обеспечивает регуляцию дыхания при физической нагрузке и в состоянии стресса; кора головного мозга позволяет произвольно регулировать дыхание, производить самовольную задержку дыхания, осознанно менять его глубину и ритм и т. д.
Следует отметить еще один важный момент: отклонение от нормального ритма дыхания обычно сопровождается изменениями со стороны других органов и систем организма. Одновременно с изменением частоты дыхания часто нарушается частота сердечных сокращений и становится нестабильным артериальное давление.
