Физиологическая система дыхания. Этапы (стадии) дыхания и составляющие их процессы.

Физиологическая система дыхания – совокупность органов-исполнителей, обеспечивающих снабжение организма кислородом, выведение углекислого газа, освобождение энергии, необходимой для всех форм жизнедеятельности и механизмы регуляции и интеграции системы в единое целое. У человека включает органы внешнего дыхания, транспорт газов кровью, клеточные органеллы, реализующие тканевое дыхание. Внешнее дыхание обеспечивает непрерывное обновление газового состава воздуха в зависимости от текущих потребностей организма.

Дыхание - периодические движения грудной клетки, изменяющие её объём и вызывающие возвратно-поступательное движение воздуха дыхательных путях (респирация). В физиологии - процесс вентиляции лёгких и газообмена, сопровождающийся поглощением кислорода и выделением углекислого газа и метаболической воды. Поступление воздуха из атмосферы и удаление альвеолярной газовой смеси происходит благодаря работе аппарата вентиляции – совокупности анатомо-физиологических структур – грудной клетки с дыхательными мышцами (диафрагмы, мышцы грудной клетки, абдоминальные мышцы) и лёгких с дыхательными путями.

Аппарат вентиляции - две анатомо-физиологических структуры: грудная клетка с дыхательными мышцами (диафрагма, мышцы грудной клетки, абдоминальные мышцы) и лёгкие с дыхательными путями.

Ведущее значение имеет изменение положения грудной клетки, изменения объёма лёгких пассивны и зависят от положения грудной клетки. Грудная клетка - часть тела, включает в себя грудной отдел позвоночника и грудину с прикрепленными к ним двенадцатью парами ребер и дыхательными мышцами. Грудная клетка вместе с диафрагмой образует герметичную подвижную полость, обладающую эластичностью, в которой находятся лёгкие с дыхательными путями. Стенки грудной полости выстланы висцеральными и париетальными листками плевры.

В дыхании выделяют несколько стадий, включающих в себя пять процессов и обеспечивающих многоступенчатый переход газов из атмосферы в клетки организма.

1)1 этап – вентиляция легких или внешнее дыхание. Обеспечивает обмен газов между атмосферой и альвеолярной газовой смесью;

2)2 этап – диффузия газов – обмен между альвеолярной газовой смесью через альвеолярно-капиллярную мембрану и кровью малого круга кровообращения;

3)3 этап – транспорт газов кровью к капиллярам периферических тканей (конвекционный перенос);

4)4 этап – диффузия газов из капилляров в ткани;

5)5 этап – тканевое (внутреннее, митохондриальное) дыхание.

Механизм лёгочной вентиляции: биомеханика и динамика внутриплеврального и внутриальвеолярного давлений во время вдоха и выдоха.

Внешнее дыхание осуществляет функцию создания внутренней газовой среды организма. Это – альвеолярный воздух, постоянство газового состава которого является залогом успеха газообмена между объемом альвеолярного воздуха и объемом крови в альвеолярных капиллярах малого круга кровообращения. Постоянство газового состава этой среды создается обновлением воздуха в альвеолах, происходящим в результате дыхательных движений: вдоха (инспирации) и выдоха (экспирации), - вентиляции легких.

Вентиляция лёгких осуществляется в результате изменения объема грудной клетки (полости). Увеличение объёма грудной полости обеспечивает вдох, уменьшение – выдох. Фаза вдоха (а), последующая за ней фазы выдоха (в), а также дыхательная пауза (с) называются вместе дыхательным циклом (ДЦ)

Продолжительность ДЦ зависит от частоты дыхания (ЧД).

ЧД=12/мин: 60с:12=5с; ЧД=20: 60с:20=3с.

Физиологическая норма ЧД = 16/мин (от 12 до 18).

При спокойном дыхании вдох осуществляется сокращением инспираторных мышц, выдох – пассивно за счет эластической энергии, накопленной во время предшествующего вдоха. При глубоком вдохе сокращаются экспираторные мышцы. Такой выдох - активный.

Сокращение и расслабление дыхательных мышц обеспечивает вентиляцию лёгких.

Основная инспираторная мышца - мышечная часть диафрагмы. Мышца диафрагмы состоит из поперечнополосатых волокон. В результате сокращения мышечных волокон наружных частей диафрагмы верхняя её часть вместе с сухожильным центром смещается вниз. При этом несжимаемые органы брюшной полости оттесняются вниз и в стороны, растягивая стенки брюшной полости, купол диафрагмы опускается приблизительно на 1,5 см, что увеличивает вертикальный размер грудной полости.

Горизонтальный размер грудной полости увеличивается в результате сокращения наружных межрёберных и межхрящевых мышц (инспираторных). Из-за косого направления волокон этих мышц, расстояние от места прикрепления рёбер к позвоночнику и хрящей к грудине до места прикрепления мышечных волокон к ним больше у нижних рёбер, чем у верхних (АО>ОВ, А₁О₁>В₁О₁). Поэтому момент силы, определяющий движение рычагов, оказывается большим у нижнего ребра и хряща. При спокойном дыхании возбуждаются и сокращаются только межхрящевые и межрёберные мышцы верхних 3-5 межреберных промежутков. В результате подъёма рёбер увеличивается смещение грудины вперёд и отклонение боковых частей рёбер в стороны.

При глубоком (форсированном) дыхании в акте вдоха участвует ряд вспомогательных дыхательных мышц, которые могут поднимать рёбра: лестничные, большая и малая грудные, передняя зубчатая мышцы, разгибающие грудной отдел позвоночника и фиксирующие плечевой пояс. При опоре на откинутые назад руки задействуются трапециевидная и ромбовидные мышцы, мышца, поднимающая лопатку.

При глубоком выдохе сокращаются вспомогательные экспираторные мышцы: мышцы брюшной стенки (косые, поперечная и прямая) и внутренние косые межреберные мышцы. При сокращении первых – объём брюшной полости уменьшается и в ней повышается давление, которое через органы брюшной полости передаётся на диафрагму и поднимает её, при этом дополнительно уменьшается вертикальный размер грудной клетки. При сокращении второй группы мышц дополнительно уменьшается горизонтальный размер грудной полости: внутренние косые межрёберные мышцы также косо крепятся к рёбрам, но расстояние от места прикрепления рёбер к позвоночнику до места прикрепления к ним мышечных волокон больше у верхнего ребра, чем у нижнего. Поэтому их сокращение опускает ребра и сближает их латеральные края, т.к. момент силы больше для каждого верхнего ребра, чем для нижнего. К вспомогательным экспираторным мышцам относятся также мышцы, сгибающие позвоночник.

Лёгкие постоянно находятся в грудной полости в растянутом состоянии. Оно формируется в результате существования плевральной полости и наличия в ней отрицательного давления.

Плевральная полость образуется следующим образом: лёгкие и стенки грудной полости покрыты серозной оболочкой – плеврой. Между листками висцеральной и париетальной плевры имеется узкая (5-10 мкм) щель, формируется полость, содержащая серозную жидкость, по составу близкую к лимфе. Жидкость имеет низкую концентрацию белков, что обуславливает низкое онкотическое давление по сравнению с плазмой крови. Это препятствует накоплению жидкости в плевральной полости.

Давление в плевральной полости ниже атмосферного, что определяется как отрицательное давление. Обусловлено эластической тягой лёгких - постоянным стремлением лёгких уменьшить свой объём. Давление в плевральной полости ниже альвеолярного на величину, создаваемую эластической тягой лёгких: Р_пл = Р_альв – Р_э.т.л.. Эластическая тяга лёгких обусловлена тремя факторами:

1)поверхностным натяжением плёнки жидкости, покрывающей внутреннюю поверхность альвеол – сурфактантом. Это вещество имеет низкое поверхностное натяжение. Образуется пневмоцитами II типа, состоит из белков и липидов. Обладает свойством уменьшать поверхностное натяжение стенки альвеолы при уменьшении размеров альвеол. Это стабилизирует состояние стенки альвеол при изменении их объёма. Если бы поверхность альвеол была покрыта слоем водного раствора, это увеличило бы поверхность натяжения в 5-8 раз. В таких условиях наблюдалось полное спадение одних альвеол (ателектаз) при перерастяжении других. Наличие сурфактанта предотвращает развитие подобного состояния лёгких в здоровом организме;

2)упругостью ткани стенок альвеол, которые имеют в стенке эластические волокна;

3)тонусом бронхиальных мышц.

Эластическая тяга лёгких обуславливает упругие свойства лёгких. Количественно упругие свойства лёгких выражают растяжимостью легочной ткани С:

 ,

где ∆V – прирост объёма лёгких при их растяжении (в мл),

∆Р – изменение транспульмонального давления при растяжении лёгких (в см вод. ст.).

У взрослых С - 200 мл/см вод. ст, у новорожденных и детей грудного возраста – 5-10 мл/см вод. ст. Данный показатель (его уменьшение) изменяется при заболеваниях лёгких и используется с диагностическими целями.

Плевральное давление изменяется в динамике дыхательного цикла. В конце спокойного выдоха давление в альвеолах равно атмосферному, в плевральной полости – 3 мм рт. ст.

Разность Р_альв – Р_пл =Р_л – транспульмональное давление и равна +3 мм рт. ст. Это давление поддерживает растянутое состояние лёгких в конце выдоха.

При вдохе из-за сокращения инспираторных мышц, объём грудной клетки увеличивается. Давление плевральное (Р_пл) становится более отрицательным – к концу спокойного вдоха равно –6 мм рт. ст., транспульмональное давление (Р_л) нарастает до +6 мм рт.ст., из-за чего лёгкие расправляются, их объём увеличивается за счёт атмосферного воздуха.

При глубоком вдохе Р_пл может снизиться до −20 мм рт. ст. Во время глубокого выдоха может стать положительным, оставаясь ниже давления в альвеолах на величину давления, создаваемого эластической тягой лёгких.

Если в плевральную щель попадает небольшое количество воздуха, лёгкое частично спадается, но вентиляция его продолжается. Такое состояние – закрытый пневмоторакс. Через некоторое время воздух из плевральной полости всасывается и лёгкое расправляется (всасывание газов из плевральной полости происходит из-за того, что в крови мелких вен малого круга кровообращения напряжение растворенных газов ниже, чем в атмосфере).

При вскрытии грудной клетки (при ранениях или внутригрудных (торокальных) операциях) давление вокруг лёгкого равно атмосферному, лёгкое спадается полностью. Его вентиляция прекращается, несмотря на продолжающиеся сокращения дыхательных мышц. Такой пневмоторакс - открытый. Двусторонний открытый пневмоторакс без экстренной помощи приводит к летальному исходу. Для предотвращения последнего применяют искусственное дыхание с немедленной герметизацией плевральной полости.