Морфо-функциональная характеристика дыхательной системы.

Стр 1 из 4Следующая ⇒

Физиология дыхания

1. Общая характеристика процесса дыхания.

2. Дыхательный акт.

2.1. Отрицательное давление плевральной полости.

2.2. Механизм вдоха и выдоха.

2.3. Паттерны дыхания.

2.4. Характеристика легочной вентиляции.

3. Газообмен в легких

4. Транспорт газов кровью

4.1. Транспорт кислорода

4.2. Транспорт двуокиси углерода.

5. Транспорт кислорода и углекислого газа в тканях.

6. Регуляция дыхания.

7. Особенности дыхания в различных условиях

Морфо-функциональная характеристика дыхательной системы.

Дыхательная система состоит она из дыхательных (воздухоносных) путей и парных органов газообмена (легких). В дыхательных путях вдыхаемый воздух согревается (охлаждается), увлажняется, очищается от инородных частиц. В легких происходит газообмен между вдыхаемым воздухом и кровью. Из альвеол легких путем диффузии в кровь легочных капилляров поступает кислород, а в обратном направлении — из крови в альвеолы выходит углекислый газ.

Полость носа образована лицевыми костями, хрящами и разделена на две симметричные половины. Онавыполняет двойную функцию — она является началом дыхательных путей и одновременно органом обоняния. Вдыхаемый воздух, проходя через полость носа, очищается oт чужеродных частиц, согревается, увлажняется. Находящиеся во вдыхаемом воздухе пахучие вещества раздражают обонятельные рецепторы, в которых возникают обонятельные нервные импульсы. В носовую полость открываются воздухоносные придаточные полости (пазухи) носа: лобная, верхнечелюстная (гайморова), клиновидная и решетчатые лабиринты. Воздухоносные придаточные пазухи не только уменьшают вес (массу) черепа, но и служат резонаторами звуков, голоса. В полость носа открывается носослезный канал, по которому выводится избыток слезной жидкости.

Из полости носа вдыхаемый воздух через хоаны попадает в носоглотку. Затем, пройдя через ротовую часть глотки, где пересекаются дыхательный и пищеварительный пути, воздух попадает вгортань.

Гортань, являющаяся и органом дыхания, и органом голосообразования. Скелетом гортани служат хрящи, соединенные друг с другом при помощи суставов и связок. В голосовых складках гортанной полостирасположеныпокрытые слизистой оболочкой голосовые связки. Узкое пространство между правой и левой голосовыми складками носит название голосовой щели. При прохождении выдыхаемого воздуха через голосовую щель голосовые связки колеблются, вибрируют и воспроизводят звуки. Голосовые связки образуют только звук, сила и высота которого зависят от натяжения голосовых связок и скорости прохождения воздушной струи через голосовую щель. В формировании членораздельной речи участвуют губы, язык, зубы, полость рта и полость носа с ее придаточными пазухами.

Трахея имеет скелет в виде 16-20 хрящевых полуколец, не замкнутых сзади и соединенных друг с другом короткими кольцевыми связками. Задняя стенка трахеи, прилежащая к пищеводу, где нет хрящей, перепончатая. Она построена из соединительной ткани и гладкомышечных пучков. Слизистая оболочка трахеи покрыта мерцательным эпителием, содержит много желез и лимфоидных узелков.

На уровне V грудного позвонка трахея делится на правый и левый главные бронхи ( бифуркация трахеи ), каждый из которых направляется к воротам легкого. Многократное (до 23 раз) разветвление бронхов в легком называют бронхиальным деревом.

Правое и левое легкие располагаются в грудной полости, справа и слева от сердца и крупных кровеносных сосудов.

Каждое легкое покрыто серозной оболочкой — плеврой. Плевра имеет два листка - наружный и внутренний, между которыми замкнута заполненная небольшим количеством жидкости плевральная полость. Она снижает трение легкого при дыхании, и имеет решающее значение в механизме вдоха.

Структурно-функциональной единицей легкого является ацинус, куда входит одна концевая бронхиола с ее разветвлениями (дыхательными бронхиолами, альвеолярными ходами и альвеолами). В альвеолах ацинуса происходит газообмен между протекающей по капиллярам кровью и воздухом, поступающим в легкие.

В обоих легких человека имеется 600-700 млн альвеол, дыхательная поверхность которых составляет от 40 м² при выдохе и до 120 м² при вдохе. Легкие весят 500-600 г, их плотность с момента первого вдоха меньше плотности воды. Ткань, образующая легкие, имеет розовый оттенок, однако они темнеют (от сероватого до темно-бурого) и тем больше, чем более загрязненным воздухом дышит человек.

Функции дыхательной системы: газообмен, теплорегуляция, голосообразование, обоняние, выделение, защитная функция.

Дыхательный акт.

Механизм вдоха и выдоха.

Вдох и выдох обеспечиваются дыхательными экскурсиями (движениями) грудной клетки и диафрагмы. За организацию этих движений отвечает дыхательный центр продолговатого мозга, который передает к ним импульсы через спинальные центры диафрагмальной и межреберных мышц.

Мышцы, осуществляющие дыхательный акт, подразделяют на:

1) инспираторные (вдоха) - диафрагма и наружные межреберные мышцы. При сокращении инспираторных мышц ребра поднимаются. В результате объем грудной клетки увеличивается, особенно в ее нижних отделах. Сокращение мышцы диафрагмы также вызывает увеличение объема грудной клетки. Во время вдоха диафрагма уплощается, а в покое и особенно во время выдоха купол ее поднимается и перемещается в грудную клетку. При грудном типе дыхание осуществляется за счет сокращения межреберных мышц, при брюшном типе в основном сокращается диафрагма, которая одновременно смещает органы брюшной полости.

2) экспираторные (выдоха) – внутренние межреберные и мышцы брюшной стенки

3) вспомогательные, которые включаются при форсированном дыхании. Это ряд мышц шеи, груди и спины.

Во время вдоха при увеличении объема грудной клетки в замкнутой плевральной полости давление еще больше падает. Вследствие различия между атмосферным давлением в альвеолах и плевральным давлением легкие растягиваются, в целом увеличиваясь в объеме, следуя за грудной клеткой. Появившаяся разница между давлением в легких и атмосферным давлением приводит к тому, что воздух начинает поступать через воздухоносные пути трахея, бронхи, в альвеолы, заполняя их, при этом давление выравнивается.

Выдох в основном происходит пассивно: как только инспираторная мускулатура расслабляется, возросшая в ход вдоха эластическая тяга легких возвращает их в исходное состояние. В результате объем грудной клетки уменьшается и давление в плевральной полости возрастает. Это давление передается на легочную ткань, поэтому одновременно повышается давление воздуха в альвеолах. Теперь уже давление воздуха в легких становится больше, чем в атмосфере, и воздух благодаря этому начинает выходить из легких по воздухоносным путям наружу.

Помимо указанного выше эластического сопротивления легких, дыхательные мышцы вынуждены преодолевать неэластическое сопротивление дыханию. Оно зависит от просвета воздухоносных путей — особенно голосовой щели, бронхов. Так, во время вдоха голосовая щель несколько расширяется, на выдохе — сужается, увеличивая сопротивление потоку воздуха, что служит одной из причин большей длительности экспираторной фазы. Подобным же образом циклически меняются просвет бронхов и их проходимость. Тонус гладкой мускулатуры бронхов (сила сужения просвета) зависит от активности парасимпатической и симпатической иннервации: вагусные холинэргические влияния усиливают тонус мышц и сужают просвет бронхов, симпатическая адренергическая иннервация оказывает расслабляющее влияние.

В целом сопротивление, а значит – и работа дыхательных мышц, усиливаются с возрастанием глубины дыхания (эластическое сопротивление) и – при чрезмерно частом дыхании (неэластическое сопротивление).

Паттерны дыхания.

Один цикл чередования вдоха и выдоха составляет дыхательный акт. Обычно вдох несколько короче выдоха, у человека их соотношение примерно 1: 3.

Паттерн дыхания - это соотношение компонентов дыхательного акта (длительность фаз, глубина дыхания, динамика давления и потоков в воздухоносных путях). Организм избирает такой паттерн дыхания, при котором требуемый уровень альвеолярной вентиляции достигается с наименьшей затратой энергии на работу дыхательных мышц.

Ритмичность дыхательных циклов относительна. Даже в условиях покоя низкоамплитудные дыхательные движения периодически сменяются движениями большой амплитуды, так называемыми вставочными вдохами, после которых наступает удлиненная пауза. Такие высокоамплитудные вдохи способствуют вентиляции альвеол застойных участков легких.

При различных состояниях организма, фармакологических воздействиях или неадекватных окружающих условиях наблюдаются расстройства дыхания . Все формы нарушения нормального дыхания объединяются термином «диспноэ». Часто встречается так называемое периодическое дыхание Чейна-Стокса: дыхательные движения постепенно углубляются и учащаются, что приводит к развитию гипервентиляции и гипокапнии. В результате частота и глубина дыхания уменьшаются вплоть до апноэ. Затем концентрация углекислоты в крови увеличивается, что в свою очередь приводит к новому нарастанию частоты и глубины дыхания. Причиной могут быть функциональные изменения возбудимости центрального дыхательного механизма, наступающие в результате гипоксии, либо органического поражения дыхательного центра. Дыхание Чейна-Стокса наблюдается иногда у детей младшего возраста, у практически здоровых людей во время сна, а также в горах.

При хронической гипоксии головного мозга или отделении перерезкой передней части моста среднего мозга дыхание напоминает " лягушачье" — после развития вдоха следует инспираторная задержка и короткий выдох. Такой тип дыхания называется апнейстическим. Он может быть вызван снижением тонического импульсного потока к нервным клеткам пневмотаксического центра, регулирующего соотношение фаз дыхательного цикла, или частичной блокадой сенсорной информации, поступающей по блуждающему нерву.

Если устранены все влияния, исходящие из ростральных отделов центральной нервной системы, то дыхание приобретает судорожный характер — «гаспинг-дыхание», с резким вдохом максимальной амплитуды, в котором принимают участие не только дыхательные мышцы, но и другая скелетная мускулатура. Выдох происходит активно. Дыхательные движения становятся редкими, с большими экспираторными паузами. «Гаспинг-дыхание» присуще черепахам и суркам во время спячки.

Особый характер дыхания отмечен при одышке, т. е. при нарушении частоты и глубины дыхательных движений, сопровождающихся субъективным ощущением удушья.

Газообмен в легких

Происходящий в воздухоносных путях перенос газов направлен на поддержание постоянства парциального давления О₂ и СО₂ в легочных альвеолах, где идет непрерывный обмен газов с кровью, протекающей через легочные капилляры. В среднем парциальное давление кислорода при нормальных атмосферных условиях поддерживается в альвеолярном воздухе на уровне ~ 102 мм рт.ст., а двуокиси углерода — на уровне около 40 мм рт.ст.

Перенос О₂из альвеолярного газа в кровь и СО₂ из крови в альвеолярный газ происходит исключительно путем диффузии. Ее движущей силой служат разности (градиенты) парциальных давлений (напряжений) О₂ и СО₂ по обе стороны аэрогематического барьера (толщина 1 мкм). Кислород и углекислый газ диффундируют в растворенном состоянии, т.к. все воздухоносные пути увлажнены слоем слизи. Благодаря огромной общей поверхности альвеол, составляющей 80-100 м², имеются условия для достаточно эффективной диффузии. Тонкий слой легочной ткани, отделяющей кровь легочных капилляров от альвеолярного пространства, легко проницаем для газов. В процессе диффузии газы проходят через альвеолярный эпителий, интерстинальное пространство между основными мембранами, эпителий капилляров, плазму крови, мембраны эритроцитов во внутреннюю среду эритроцитов.

Вдыхаемый воздух имеет наибольшее парциальное давление кислорода (100 мм рт.ст.) и наименьшее парциальное давление двуокиси углерода (20 мм рт.ст.). В то же время парциальное давление кислорода в притекающей к альвеолам венозной крови не превышает 40 мм рт.ст., а парциальное давление двуокиси углерода составляет 50 мм рт.ст. Благодаря градиенту давлений происходит транспорт газов через стенку альвеол: двуокись углерода покидает венозную кровь и поступает в альвеолярный воздух, а кислород диффундирует в противоположном направлении — из альвеолярного воздуха в кровь. Оттекающая от альвеол легких артериальная кровь имеет парциальное давление кислорода 100 мм рт.ст., а двуокиси углерода — 40 мм рт.ст.

Транспорт газов кровью

Транспорт кислорода

Кислород транспортируется кровью двумя способами:

1. в связанном с гемоглобином виде — в форме оксигемоглобина (около 98% всего О₂).

2. за счет физического растворения газа в плазме крови. В плазме растворена лишь небольшая часть О₂(около 2%).

Большая часть кислорода переносится кровью в виде химических соединений с гемоглобином, который легко вступает с ним в непрочное соединение.

Hb + O₂↔ HbO₂

(дезоксигемоглобин) (оксигемоглобин)

Один моль гемоглобина может связать до четырех молей кислорода и в среднем 1 г гемоглобина способен связать 1, 34—1, 36 мл кислорода. Учитывая, что в крови человека содержится примерно 150 г/л гемоглобина, 100 мл крови могут переносить около 21 мл О2. Это так называемая кислородная емкость крови.

В эмбриональный период гемоглобин человека имеет особую форму – фетальный гемоглобин F. Он способен переносить на 20-30 % больше кислорода, обладает большей способностью связываться с ним ( сродством к кислороду ). К моменту рождения гемоглобин F составляет 50-80%, к 3 годам около 2 %, затем исчезает. Большая часть гемоглобина взрослого человека (95-98%) состоит из фракции А (взрослый гемоглобин), около 1-2% гемоглобин F (фетальный).

Гемоглобин легко соединяется с угарным газом – оксидом углерода СО, образуя устойчивое соединение - карбоксигемоглобин. Химическое сродство СО к гемоглобину почти в 300 раз выше, чем к О₂, поэтому даже при небольших концентрациях СО в воздухе гемоглобин оказывается блокирован для кислорода (на 80% при концентрации СО 0, 1 %, если концентрация около 1% - гибель через несколько минут).

Способность гемоглобина связывать и отдавать O₂зависит от напряжения кислорода, угольной кислоты в крови, рН крови, ее температуры и т.д. Графическое изображение зависимости процента насыщения гемоглобина кислородом от напряжения О₂ называют кривой диссоциации оксигемоглобина. Участок кривой, соответствующий низким парциальным значениям кислорода, характеризует содержание оксигемоглобина в капиллярах тканей, а фрагмент кривой, лежащий в области высокого парциального давления кислорода, соответствует крови в легочных капиллярах. Чем выше парциальное давление кислорода, тем больше содержание оксигемоглобина; при парциальном давлении 80-100 мм рт.ст. практически весь гемоглобин насыщается кислородом, за исключением незначительного количества (1—2 %), «занятого» двуокисью углерода. В области высокого парциального давления кислорода (в легких) кривая близка к насыщению кислородом крови, а в области низких значений парциального давления кислорода в тканях значительная часть оксигемоглобина отдает кислород и превращается в восстановленную форму.

Динамика кривой зависит от нескольких факторов. Кривая может сдвигаться относительно оси абсцисс вправо или влево (эффект Бора) в зависимости от температуры, парциального давления двуокиси углерода и величины рН. При увеличении содержания двуокиси углерода, температуры и закислении крови ( ацидоз ) кривая диссоциации оксигемоглобина сдвигается вправо. Это отражает повышение способности оксигемоглобина отдавать кислород тканям и тем самым высвобождаться для дополнительного связывания СО₂ и переноса его избытка из тканей в легкие. Напротив, при снижении Рсо₂ и защелачивании крови ( алкалоз ) кривая сдвигается влево.

Регуляция дыхания.

В механизмах регуляции дыхания можно выделить афферентное, центральное и эфферентное звенья.

Афферентное звено

Величина дыхательных показателей в организме определяется:

1, периферическими хеморецепторами сосудистых рефлексогенных зон,

2, центральными хеморецепторами, находящимися в области продолговатого мозга и рецепторами легких.

Хеморецепторы - воспринимают изменения парциального давления СО₂ и О₂, а также рН крови,

Механорецепторы – это рецепторы растяжения легких.

Так, повышение давления СО₂ (явление гиперкапнии), снижение рН крови (ацидоз) и снижение содержания О₂ (гипоксемия) вызывают стимуляцию бульбарных хемочувствительных структур,

что приводит к увеличению легочной вентиляции. Снижение же давления CO₂ (явление гипокапнии) и повышение рН крови (алкалоз) вызывают торможение бульбарных хемочувствительных структур, что приводит к снижению напряжения СО₂.

Нервные центры

В широком смысле слова под дыхательным центром понимают совокупность структур мозга, так или иначе участвующих в регуляции дыхания и в наиболее совершенном приспособлении его к изменяющимся дыхательным потребностям организма. Среди этих структур — кора большого мозга, гипоталамус, мост мозга, а также продолговатый и спинной мозг.

6.3.1. Дыхательные нейроны. Основными нейрональными элементами, входящими в дыхательный центр, являются дыхательные нейроны. Все они обладают ритмической залповой активностью, возникающей в определенный период дыхательного цикла. В зависимости от того, в какой период разряжаются нейроны, их относят к инспираторным или экспираторным нейронам. Инспираторные нейроны дают залповый разряд в фазу вдоха, экспираторные нейроны разряжаются в период выдоха. Инспираторные и экспираторные нейроны располагаются диффузно в непосредственной близости друг от друга. Между инспираторными и экспираторными нейронами в большинстве случаев проявляются реципрокные отношения. Для инспираторных нейронов характерна непрерывная импульсная активность, обусловленная биоэлектрохимическими процессами. Первично возникающая импульсная активность инспираторных нейронов активирует экспираторные нейроны, те в свою очередь тормозят активность инспираторных нейронов.

Ритмическое дыхание обеспечивается в первую очередь периодической (фазной) деятельностью дыхательного центра продолговатого мозга. Это единственная структура из множества образований мозга, принимающих участие в регуляции дыхания, которая способна самостоятельно автоматически поддерживать ритмическое дыхание. Остальные структуры мозга модулируют ритм деятельности дыхательного центра, оказывая влияние на частоту и глубину дыхания и плавность смены вдоха на выдох.

Таким образом, функции дыхательных нейронов различных отделов мозга существенно отличаются.

Нейроны спинального уровня расположены в передних рогах шейного и грудного отделов спинного мозга, они рeгулируют деятельность диафрагмы и дыхательных мышц.

Нейроны продолговатого мозга расположены на дне 4-го желудочка, делятся на инспираторные и экспираторные, являются центрамиреципроктной координации (согласование вдоха и выдоха).

Нейроны моста расположены в ядрах черепных нервов и ретикулярной формации – регулируют частоту дыхания.

Нейроны гипоталамуса обеспечивают зависимость дыхания от функционального состояния организма (сон, бодрствование, физическая нагрузка), условий внешней среды, согласование дыхания с работой сердца.

Корковые нейроны обеспечивают зависимость дыхания от психоэмоционального состояния, условно-рефлекторные реакции. Произвольный контроль дыхательных движений.