Особые отношения
У легких с сердцем совершенно особые отношения. Вместо того чтобы посылать в легкие насыщенную кислородом кровь, как к другим тканям, сердце отправляет к легким по малому кругу кровообращения (см. «Два круга кровообращения» на стр. 125) ненасыщенную кислородом кровь. Получается, что по сути наши легкие эффективно участвуют в двух кровотоках: одном – для питания, а втором – для выполнения своих функций. Насыщенная кислородом кровь поступает в легкие с бронхиальным кровотоком, а точнее – по бронхиальным артериям, ответвившимся от аорты.
Площадка для обмена
Главная площадка для газообмена – альвеолы. Чтобы понять, как кислород и углекислый газ проходят через дыхательную поверхность, нужно вспомнить два газовых закона, сформулированных английскими химиками Джоном Дальтоном (1766–1844 гг.) и Уильямом Генри (1774–1836 гг.). Однако, поскольку это не учебник по физике или химии, вам следует помнить лишь одно: газы оказывают давление. Представьте, что вы пытаетесь надуть воздушный шар так, чтобы он лопнул, – вот вам давление!
Внешнее дыхание происходит в альвеоле (справа), которая является частью легочной доли (слева).
Альвеолы состоят из трех типов клеток. Первые два называются пневмоцитами. Тип I образует сплющенные стенки альвеолярных мешков, в которых происходит диффузия газа. Тип II, кубовидный по форме, выделяет в альвеолярное пространство смесь белков и жирных соединений – легочный сурфактант. Он уменьшает поверхностное натяжение, которое создает выдыхаемая влага. Это позволяет альвеолам и легким расширяться без давления.
Третья группа клеток – это альвеолярные макрофаги, которые защищают воздушное пространство от попавших в него патогенов. Недосмотр на этом уровне чреват развитием тяжелых инфекций (например, пневмонии), которые возникают, когда воздушные мешки воспаляются и заполняются жидкостью или гноем. Если вдохнуть другие вещества, кроме воздуха (рвоту, желудочный сок, еду, жидкости и проч.), и они дойдут до легких, то может возникнуть аспирационная пневмония. Как правило, в таком случае эффективное лечение включает облегчение симптомов и прием антибиотиков или противовирусных препаратов.
Переход из высокой области давления в низкую
Каждая молекула газа оказывает свое давление – парциальное давление, связанное с концентрацией газа. Газы, как и жидкости, переходят из областей высокого давления в области низкого. Поэтому углекислый газ на дыхательной поверхности перемещается из области высокого парциального давления (в легочном капилляре) в область низкого парциального давления (альвеолярное пространство). Кислород движется в обратном направлении: из области высокого парциального давления (альвеолярное пространство) в область низкого парциального давления (легочный капилляр). Это происходит до тех пор, пока газы не будут уравновешены. Если по какой-либо причине в альвеолярном пространстве не хватает кислорода, то парциальное давление снижается, а капилляры ловко сужаются, предотвращая потерю кислорода и перенаправляя кровь в другую альвеолу с более высоким парциальным давлением. Когда ненасыщенные кислородом эритроциты проходят через дыхательную поверхность, углекислый газ диффундирует наружу, а кислород проходит внутрь и обогащает кровь.
Дыхание
Помните: когда мы говорим о «дыхании», то подразумеваем газовый обмен, а не выработку энергии, которая характерна для клеточного дыхания (глюкоза + кислород → углекислый газ + вода + энергия).
Внешнее дыхание происходит только в альвеолах. Парциальное давление в этом случае будет такое:
Диффузия O2 в альвеолярном пространстве → кровь
Диффузия CO2 в крови → альвеолярное пространство.
Внутреннее дыхание происходит во всех тканях. Парциальное давление в этом случае работает так:
Диффузия O2 в крови → внеклеточная жидкость → клетки
Диффузия CO2 в клетках → внеклеточная жидкость → кровь.
Вдох-выдох
В среднем человек делает более 17 000 вдохов в день. Иногда к ним добавляется еще 6000. Несмотря на это, вы, должно быть, удивитесь, узнав, что многие люди не знают, как правильно дышать. Большинство из нас использует лишь небольшую часть объема легких для дыхания. Считается, что это приводит к множеству проблем со здоровьем, включая высокое кровяное давление, стресс и тревожность.
Дыхательный акт, или вентиляция легких, состоит из вдоха и выхода. В момент вдоха мышечно-фиброзный купол, отделяющий грудь от живота (диафрагма), сокращается и уплощается. В это же время межреберные мышцы, пролегающие между ребрами, сокращаются и расправляются, из-за чего грудная клетка расширяется и приподнимается. Объем легких увеличивается, давление в них падает ниже атмосферного, а воздух начинается затягиваться внутрь. При выдохе мышцы расслабляются, а легкие и грудная клетка возвращаются в исходное состояние. В результате давление в легких повышается и воздух вытесняется наружу.
Диафрагма
В диафрагме есть белая фиброзная часть, отверстия для крупных кровеносных сосудов и пищевода, а также периферические поперечно-полосатые мышцы для прикрепления к соседним структурам. Диафрагма получает команду для сокращения или расслабления по диафрагмальным нервам (слева и справа), которые находятся в шее. Повреждение этих нервов может привести к параличу диафрагмы – если затронуты обе стороны.
Если вы с трудом выполняете физические упражнения и быстро начинаете задыхаться, возможно, у вас есть проблемы с диафрагмой (или иннервирующими ее нервами).
Односторонний паралич часто протекает бессимптомно, и его обнаруживают случайно на рентгеновских снимках. Двусторонний паралич проявляется в виде плохой переносимости физических упражнений, одышки и усталости.
Процесс дыхания требует слаженной работы различных структур, поддерживающих жизнь.
Частота дыхания
Частота дыхания служит признаком физической формы человека. Она зависит скорее от уровня углекислого газа в крови, чем от содержания в ней кислорода. Наш мозг, а точнее его отдельные области (продолговатый мозг и Варолиев мост в стволе головного мозга), содержат хеморецепторы, которые следят за изменением pH крови. Кислотность возникает при повышенном уровне ионов водорода из-за наличия углекислого газа. Продолговатый мозг регулирует непроизвольное дыхание, посылая сигналы нужным мышцам, а Варолиев мост контролирует частоту дыхания. Повреждение этих структур часто приводит к смерти.
