§ 2. Легочная вентиляция

В процессе газообмена между организмом и атмосферным воздухом большое значение имеет вентиляция легких, которая обеспечивает обновление состава альвеолярного газа. Интенсивность вентиляции зависит от глубины и частоты дыхания. Количественным показателем вентиляции легких является минутный объем дыхания.

Минутный объем дыхания - это произведение дыхательного объема на число дыханий в минуту.

Легочная вентиляция обеспечивается работой дыхательных мышц.

В легочном газообмене участвует не весь вентилируемый воздух, а та его часть, которая достигает альвеол. Примерно 1/3 дыхательного объема покоя приходится на вентиляцию так называемого «мертвого пространства».

Мертвое пространство - это тот воздух, который находится в воздухоносных путях. Он в газообмене не участвует, а лишь перемещается в просвете воздухоносных путей при вдохе и выдохе. Воздух мертвого пространства выполняет следующие функции:

• он корректирует состав альвеолярного воздуха в ходе дыхательного цикла;

• увлажняет вдыхаемый воздух;

• согревает вдыхаемый воздух.

Следовательно, вентиляция альвеол представляет собой:

легочную вентиляцию минус вентиляцию мертвого пространства.

Только альвеолярная вентиляция обеспечивает обмен газов в легких.

Повышение (увеличение) легочной вентиляции называется гипервентиляцией, а уменьшение – гиповентиляцией.

Гипервентиляция бывает при мышечной работе и происходит за счет увеличения глубины и (или) частоты дыхания.

§ 3. Обмен кислорода и углекислого газа

Газообмен происходит следующим образом:

• кислород перемещается из альвеол в кровь, а из крови в клетки;

• углекислый газ перемещается из клетки в кровь, из крови в альвеолы.

Рассмотрим движение КИСЛОРОДА.

Кислород для того, чтобы перейти из альвеол легких в кровь капилляров, проходит так называемый аэрогематический барьер. Аэрогематический барьер состоит из слоя внешней оболочки (эпителия) альвеол и стенки (эндотелия) капилляра. Альвеолы и капилляры тесно соприкасаются друг с другом, поскольку альвеолы покрыты сетью капилляров. Кислород проходит аэрогематический барьер в растворенном состоянии, потому что воздухоносные пути увлажнены слоем слизи.

Далее, кислород, проникая через стенки капилляров в поток крови, соединяется с гемоглобином (который находится в эритроцитах) и транспортируется кровью в виде оксигемоглобина (HbO₂₎.

H b + O₂ HbO₂

1 г гемоглобина способен быть в соединении с 1,4 мл кислорода. Так возникает понятие кислородной емкости крови. Кислородная емкость крови – это максимальное количество кислорода, которое может содержаться в 100 мл крови. В норме 100 мл крови переносят 21 мл кислорода.

В капиллярных сосудах кислород должен перейти в клетки тканей. Когда возникает необходимость поступления кислорода из крови в клетки ткани, кислород отсоединяется от гемоглобина:

HbO₂ Hb + O₂

Для того, чтобы проникнуть внутрь клетки, кислород проходит через гематопаренхиматозный барьер. Этот барьер состоит из: мембраны клеток и стенки капилляров. Переход кислорода из крови внутрь клетки возможно вследствие того, что количество кислорода в крови больше, чем количества кислорода в клетке. Следовательно, давление кислорода в крови больше чем давление кислорода в клетке. Кислород переходит из области высокого давления в область низкого давления, т.е. из крови в клетку.

Кровь, проходя по капиллярам большого круга кровообращения, отдает не весь кислород, который содержит в себе. То количество кислорода (в %) от общего содержания его в артериальной крови, которое получают ткани, называется коэффициентом утилизации кислорода (К ут. О2).

Данный коэффициент вычисляют путем определения разности содержания кислорода в артериальной и венозной крови, которую делят на содержание кислорода в артериальной крови и умножают на 100%:

В покое коэффициент утилизации кислорода равен 30 - 40%, при тяжелой мышечной работе потребление кислорода клетками возрастает, увеличивается, следовательно, и коэффициент утилизации кислорода (до 50 - 60%).

УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ также проходит через гематопаренхиматозный барьер для того, чтобы попасть из клетки в кровь капилляров. В крови с углекислым газом может произойти следующее:

• углекислый газ растворяется в плазме крови (≈ 5%);

• углекислый газ попадает внутрь эритроцитов и связывается с водой внутри эритроцита. При этом соединении образуется угольная кислота. Эта реакция происходит благодаря ферменту карбоангидразе:

карбоангидраза

СО₂ + Н₂О Н₂СО₃

Как только образовалась угольная кислота, она немедленно распадается на ион водорода (Н⁺ ) и на бикарбонатный ион (НСО₃¯ ):

Н₂СО₃ Н⁺ + НСО₃¯

• углекислый газ в крови может вступить в соединение с гемоглобином (около 15%). При этом образуется карбамин-гемоглобин.

H b + СO₂ HbСO₂

Достигая с кровью легочных капилляров, углекислый газ переходит в свободное состояние. Затем, углекислый газ проходит через аэрогематический барьер и проникает внутрь альвеол. Это проникновение возможно вследствие того, что количество углекислого газа в венозной крови капилляров больше чем в альвеолах, следовательно, давление углекислого газа в крови больше давления углекислого газа в альвеолах. Углекислый газ стремиться переместится из области высокого давления в область давления низкого.

§ 4. Регуляция процессов дыхания

Регуляция внешнего дыхания представляет собой физиологический процесс управления легочной вентиляцией для обеспечения оптимального газового состава внутренней среды организма в постоянно меняющихся условиях жизнедеятельности.

В регуляции дыхания участвуют нейроны, которые расположены в спинном мозге и в отделах головного мозга. Их называют центральный дыхательный механизм.

В центральном дыхательном механизме различают нейроны двух видов: инспираторные и экспираторные. Инспираторные нейроны, которые активны в фазе вдоха, и экспираторные, активные во время выдоха. В варолиевом мосту находятся нейроны, которые контролируют работу инспираторных и экспираторных нейронов, участвуя в переключении фаз вдоха и выдоха. Нейроны варолиевого моста образуют так называемый пневмотаксический центр.

Деятельность всех нейронов центрального дыхательного механизма контролируется полушариями головного мозга и корой. Благодаря им происходит приспособление дыхания при разговоре, пении, движении и т.д.

Центральный дыхательный механизм обладает автоматией, т.е. постоянной ритмической активностью, которая необходима для постоянного поддержания дыхания. Дыхательные нейроны функционируют нормально при двух условиях:

• должна быть сохранность связей между различными группами нейронов;

• нейроны должны получать нервные импульсы от хемо- и механорецепторов.

Хеморецепторы расположены: на поверхности продолговатого мозга и в месте раздвоения сонной артерии на наружную и внутреннюю артерии.

Хеморецепторы продолговатого мозга чувствительны к количеству СО₂ и Н⁺ в межклеточной жидкости мозга. Увеличение содержания углекислого газа и водорода увеличивают дыхательный объем и легочную вентиляцию. Данные рецепторы обеспечивают поддержание постоянства газового состава внутренней среды организма.

Хеморецепторы сонной артерии реагирует на изменение газового состава артериальной крови, а именно: на снижение содержания О₂ повышение содержание СО₂ увеличение содержание Н⁺. Особенно чувствительны эти рецепторы к недостатку кислорода.

Все перечисленные факторы, вызывая возбуждение рецепторов, усиливают активность центрального дыхательного механизма, в результате чего усиливается вентиляция легких.

Механорецепторы расположены в гладких мышцах стенок трахеобронхиального дерева и регулируют глубину вдоха и его длительности, а также служат источником защитных рефлексов (кашля, чихания, глотания и принюхивания).