6. Дыхательная апраксия. Наблюдается при поражении нейронов лобных долей. Боль* ной не способен произвольно менять ритм и глубину дыхания, но обычный паттерн дыха­ ния у него не нарушен.

7. Нейрогенная гипервентиляция. Дыхание частое и глубокое. Возникает при стрессе, при физической работе, а также при нарушениях структур среднего мозга.

Все эти виды паттернов, в том числе и патологические, возникают при изменении рабо­ты дыхательных нейронов продолговатого мозга и варолиевого моста (см. ниже). Могут также возникать вторичные изменения дыхания при различных видах патологии. Напри­мер, застой крови в малом круге кровообращения, пшертензия малого круга вызывает уча­щение дыхания (тахипноэ). Сердечная недостаточность приводит к развитию дыхания типа Чейна-Стокса, анемия сопровождается тахипноэ, артериальная гипертония вызывает ги­первентиляцию. Коматозные состояния (например, диабетическая кома) вызывают «боль­шое» шумное дыхание, или дыхание Куссмауля — глубокое дыхание с укороченным актив­ным выдохом. Метаболический ацидоз вызывает брадипноэ.

При поражении ЦНС, при наличии выраженной сердечно-сосудистой и легочной пато­логии нарушение регулярности дыхания свидетельствует о неблагоприятном развитии про­цесса. Зловещим признаком является постепенное удлинение дыхательных пауз (эпизодов апноэ), в ходе которого дыхание типа Чейна-Стокса или Биота переходит в терминальное дыхание (гаспинг).

Глава 20

РЕГУЛЯЦИЯ ДЫХАНИЯ. ГАЗООБМЕН И ТРАНСПОРТ ГАЗОВ

ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Будучи удобным для наблюдения, дахание явилось тем процессом, при котором подроб-; но исследованы конкретные механизмы регуляции.

Первоначально были изучены структуры мозга, которые непосредственно отвечают за акт вдоха и выдоха. Для этих целей производили перерезки и разрушения мозговых струк-

Рис. 81. Гуморальная регуляция дыхания.

Сверху — опыт Фредерика с перекрестным кровообращением.

Внизу—влияние гипоксемии и гиперкапнии на ритм дыхания, зависящий от автоматической

импульсации из инспираторнопо центра.

К—кора больших полушарий, Дц—дыхательный центр, С—шейный отдел спинного мозга,

Th — грудной отдел спинного мозга, Ксин — каротидный синус, Кс — кровеносные сосуды.

2 79

тур. Было установлено, что отделение головного мозга от спинного приводит к полной остановке дыхания. Следовательно, структуры, ответственные за процесс вдоха и выдоха, находятся в бульбопонтийной области мозга.

Детальный анализ показал, что в варолиевом мосту и продолговатом мозге имеются скопления нейронов, разрушение которых существенно нарушает паттерн дыхания.

Когда разрушают нейроны рострального отдела варолиевого моста, дыхательные циклы становятся редкими и нерегулярными. Если одновременно перерезаются афферентные во­локна вагуса, то возникает ацнейстическое дыхание, т. е. длительный, долго не кончающий­ся вдох, короткий выдох и вновь длительный вдох. Люмсден (1923), впервые наблюдавший это явление, сделал вывод, что в ростральных участках варолиевого моста находятся ней­роны, которые ответственны за смену вдоха на выдох. Он назвал их пневмотоксическим центром.

Апнейэис исчезает в том случае, когда разрушаются ядра, расположенные в средней и каудальной областях варолиевого моста, а также когда варолиев мост отделяется от про­долговатого мозга. В том и другом случае возникает гаспинг — редкие судорожные вдохи. Следовательно, в средней и каудальной областях варолиевого моста находятся нейроны, которые имеют непосредственное отношение к регуляции дыхания, т. е. нейроны, которые способствуют быстрому переходу выдоха на вдох. Люмсден (1923) назвал совокупность этих нейронов апнейстическим центром.

А.Н. Миславский — казанский физиолог — в 1885 г. обнаружил, что разрушение меди­альной части продолговатого мозга в нижнем углу ромбовидной ямки приводит к полной остановке дыхания. Это же подтвердили и многие другие исследователи, в том числе извест­ный физиолог из Куйбышеваа М. В. Сергиевский. Все это способствовало популярности тео­рии Питтса, согласно которой в медиальной части продолговатого мозга расположен дыха­тельный центр, имеющий центры вдоха и выдоха (или отделы — инспираторный и экспира­торный). Акт вдоха возникает в результате возбуждения нейронов инспираторного отдела. Когда эти нейроны посылают импульсы к альфа-мотонейронам дыхательной мускулатуры, то одновременно они возбуждают нейроны пневмотаксического центра (варолиевого моста) и экспираторного отдела дыхательного центра: это вызывает торможение нейронов инспира­торного отдела и, одновременно, возбуждает нейроны экспираторного отдела — возникает выдох. Когда нейроны экспираторного отдела возбуждаются, они посылают сигнал к нейро­нам пневмотаксического центра (чтобы он тормозил экспираторные нейроны и активировал инспираторные) и к инспираторным нейронам. И так далее. Одновременно на состояние ней­ронов дыхательного центра влияет поток импульсов от хеморецепторов и механорецепто-ров, благодаря чему происходит регуляция частоты и глубины дыхания (вентиляции легких) в соответствии с запросами организма.

Однако стройная гипотеза Питтса при конкретном рассмотрении, в том числе при ана­лизе электрической активности различных нейронов мозга, имеющих отношение к регуля­ции дыхания, потерпела неудачу. Ее пришлось оставить и создавать новую концепцию, та­кую концепцию предложили Брэдли и соав. (197S), и в настоящее время многие исследова­тели ее разделяют. Однако до сих пор в монографиях и учебниках распространено пред­ставление Питтса. Итак, рассмотрим современные данные.

ДЫХАТЕЛЬНЫЕ НЕЙРОНЫ ПРОДОЛГОВАТОГО МОЗГА

При регистрации электрической активности отдельных нейронов обнаружили, что дей­ствительно, в области продолговатого мозга, в районе задвижки, т. е. в нижнем углу ромбо­видной ямки находятся дыхательные нейроны, они расположены латерально. В медиальной области лежат нейроны, которые имеют прямое отношение к обработке афферентной ин­формации, идущей к дыхательным нейронам. (Поэтому их разрушение вызывало остановку дыхания). Вероятно, здесь же лежат аксоны дыхательных нейронов.

Далее, было показано, что в продолговатом мозге имеются два скопления дыхательных нейронов: одно из них находится в дорсальной части продолговатого мозга, недалеко от

280

одиночного ядра, а второе расположено вентральнее — вблизи от двойного ядра (ретроам-бигуальное ядро). В дорсальном ядре были обнаружены два класса нейронов — инспира-торные нейроны типа 1_а и инспираторные нейроны типа 1р. При акте вдоха возбуждаются оба класса этих нейронов, однако роль их различна: при возбуждении нейронов типа 1а происходит активация альфа-мотонейронов диафрагмальной мышцы, и одновременно сиг­нал идет к инспираторным нейронам вентрального дыхательного ядра, которые в свою оче­редь возбуждают альфа-мотонейроны скелетных дыхательных мышц. Нейроны типа 1р за счет своего возбуждения в конечном итоге приводят к торможению активности нейронов типа 1а. В вентральном ядре были обнаружены два типа нейронов — инспираторные (от них возбуждение идет к альфа-мотонейронам скелетной дыхательной мускулатуры) и экс­пираторные нейроны, при возбуждении которых активируются экспираторные скелетные мышцы. Среди популяции нейронов типа 1_а и экспираторных нейронов были выделены от­дельные виды нейронов: одни возбуждаются в начале вдоха или выдоха (ранние инспира­торные и экспираторные нейроны), другие — в конце акта вдоха или выдоха (поздние ин­спираторные и экспираторные нейроны). Были обнаружены нейроны, которые постоянно возбуждаются на протяжении всего вдоха или всего выдоха (постоянные инспираторные и экспираторные нейроны).

Итак, современные исследования показали, что в продолговатом мозге нет четкого де­ления на инспираторные и экспираторные отделы, а есть скопление дыхательных нейронов с определенной функцией.

ДЫХАТЕЛЬНЫЕ НЕЙРОНЫ ВАРОЛИЕВОГО МОСТА

Использование современных методов исследования подтвердило; что в варолиевом мосту есть две основные области скопления нейронов, имеющих отношение к регуляции дыхания. Одно находится в ростральной части (2 мм ниже заднего четверохолмия) — медиальнее пара-брахиального ядра, т. е. там, где Люмсден в 1923 г. «определил» место для пневмотаксическо-го центра. Здесь были обнаружены дыхательные нейроны типа «инспираторно-экспиратор-ных» и «экспираторно-инспираторных» (возбуждаются соответственно в конце вдоха и в на­чале выдоха или наоборот). Однако для активности этих нейронов, которые, действительно, принимают определенное (но не главное!) участие в смене вдоха на выдох, необходим поток импульсов от механорецепторов легких (рецепторов растяжения) по афферентным волокнам вагуса. Этот поток способствует возбуждению инспираторно-экспираторных нейронов, в ре­зультате чего в бульбарном центре облегчается переход от вдоха к выдоху.

В средней и каудальной областях моста, где находится центр апнейзиса, также обнару­жены дыхательные нейроны: в средней области преимущественно нейроны типа инспира­торно-экспираторных, а в каудальной — экспираторно-инспираторных. Эти нейроны име­ют отношение к смене вдоха на выдох — они тормозят этот процесс, т. е. «работают» ина­че, чем нейроны ростральной области варолиевого моста, но все-таки в модели Брэдли им пока не найдено четкого места, не определена их роль.

Итак, в бульбарной и понтийной части мозга локализованы дыхательные нейроны. Их совокупность названа «бульбо-понтийным центром дыхания», или, как более принято в последнее время, центральным механизмом дыхания (ЦМД). Специалисты в области физи­ологии дыхания подчеркивают, что употребление термина «дыхательный центр» — некор­ректно, так как управление дыханием — сложнейший процесс, осуществляемый множест­вом нейронных структур.

ПОНЯТИЕ О ГЕНЕРАТОРЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ИНСПИРАТОРНОЙ АКТИВНОСТИ И МЕХАНИЗМЕ ВЫКЛЮЧЕНИЯ ИНСПИРАЦИИ

В основе современных представлений о функционировании ЦМД (центрального меха­низма дыхания) лежит представление Брэдли (1975) о наличии в мозге двух нейронных блоков, выполняющих определенную задачу: 1) генератора центральной инспираторной

281

Схема управления дыханием.

активности (ЦИА); 2) механизма выключения инспирации. Генератор центральной инспи-раторной активности представлен инспираторными нейронами типа 1_а, локализованными в дорсальном ядре продолговатого мозга. Они не способны к автоматическому возбужде­нию, но за счет потока афферентных импульсов от хеморецепторов каротидной и аорталь­ной зон и, особенно, от медулярных хеморецепторов, т. е. под влиянием изменения рСО₂, рН, рО₂, они возбуждаются. Эти нейроны получают также сигналы от коры больших полу­шарий, благодаря чему дыхание может быть произвольным. На схеме, представленной ниже, это скопление нейронов типа 1_а обозначается символом «А».

При возбуждении нейронов типа 1_а сигнал от них идет к дыхательной мускулатуре. На схеме альфа-мотонейроны и дыхательная мускулатура объединены символом «М». Одно­временно от инспираторных нейронов типа |_а сигнал идет к инспираторным нейронам типа 1р, которые расположены здесь же, в дорсальном дыхательном ядре продолговатого мозга. Эти нейроны предназначены для выключения инспирации. Многими исследователями по­казано, что сами по себе эти нейроны типа 1р (на схеме — символ «В») не способны тормо­зить нейроны типа la, £ осуществляют этот акт через посредника. Таким посредником, как предполагается, являются пока неидентифицнрованные нейроны, которые на схеме пред­ставлены символом «С». Когда под влиянием нейронов типа 1р эти гипотетические нейро­ны активизируются (на них суммируются возбуждения от 1р), то это приводит к активному торможению нейронов типа I_a, срабатывает механизм выключения инспирации. Одновре­менно на нейроны, объединенные под символом «С», действует поток импульсов от нейро­нов, локализованных в варолиевом мосту, от так называемых пневмотаксического и апней-стического центров. Они способствуют смене вдоха на выдох.

Для активности нейронов типа 1р очень важным является поток импульсов от механоре-цепторов растяжения легких. Этот поток возникает при вдохе. Идет он по афферентным волокнам вагуса. Благодаря ему дополнительно активируются нейроны типа 1р и быстрее наступает выдох. Это известный рефлекс Геринга-Брейера: вдох порождает выдох. Поток от рецепторов растяжения идет и к нейронам ростральной области варолиевого моста, спо­собствуя, в итоге, смене вдоха на выдох.

Основную роль в регуляции смены вдоха и выдоха, в регуляции глубины дыхания игра­ют потоки импульсов от хеморецепторов и механорецепторов. Главная «скрипка» принад­лежит медулярным хеморецепторам. В области каротидного синуса и аортальной дуги рас­положены скопления хеморецепторов (хеморецептивные тельца), которые чувствительны к гипоксемии (низкому парциальному напряжению кислорода в крови), а также (в меньшей степени) — к гиперкапнии и повышению концентрации водородных ионов (ацидоз). Одна­ко эти рецепторы преимущественно реагируют на недостаток кислорода. Поэтому роль периферических хеморецепторов заключается в том, чтобы реагировать прежде всего на

282

Второй член этой формулы — (K₂V²) — определяется турбулетным потоком воздушной среды. Коэффициент К₂ зависит уже от радиуса в S-й степени.

где f—коэффициент трения, зависящий от плотности газа.

' . Итак, аэродинамическое сопротивление определяется тем, каким образом движется воз­душный поток — ламинарно или турбулентно, с какой скоростью, а также калибром дыха­тельных путей. Когда дыхание становится турбулентным, когда возрастает скорость воз­душных потоков и уменьшается просвет бронхов (например, при бронхиальной астме) — аэродинамическое сопротивление, т. е. трение между воздухом и дыхательными путями возрастает, увеличивается вклад этого сопротивления в общее сопротивление, которое не­обходимо преодолевать дыхательной мускулатуре. Значение аэродинамического сопротив­ления особенно возрастает при патологии или при вдыхании смеси воздуха в условиях ги­пербарии (под водой, например). Так, известно, что уменьшение радиуса бронхов на 1/3 от исходного уровня вызывает при ламинарном потоке 4-кратное увеличение аэродинамичес­кого сопротивления, а при уменьшении радиуса в 2 раза — сопротивление возрастает в 16 раз! Если же движение воздуха турбулентное, то рост сопротивления еще более значите­лен. В норме бронхи во время вдоха удлиняются и расширяются (за счет воздействия сим­патических волокон), тем самым облегчается акт вдоха за счет уменьшения аэродинамиче­ского сопротивления. В то же время от тонуса гладких мышц бронхов зависит и способ­ность бронхов изменять свой калибр при вдохе и выдохе: если тонус снижен, то при вдохе просвет бронхов за счет отрицательного давления в плевральной полости расширяется, а при выдохе уменьшается. Следовательно, просвет бронхов, определяемый состоянием глад­ких мышц бронхов — важная в клиническом плане величина.

Под верхними дыхательными путями понимают полость носа, носоглотки и гортани. Нижние дыхательные пути — трахея и бронхи. Согласно классификации Вейбеля (1970), различают главные бронхи (1-я генерация деления трахеи), долевые бронхи (2-я), сегмен­тарные бронхи (3-я), субсегментарные бронхи (4-я), бронхи (5— 1 S-я), терминальные брон­хи (16-я), респираторные бронхи (17—19-я), альвеолярные ходы (20—22-я), альвеолярные мешки (23-я) и альвеолы (24-я, заключительная генерация).

Линейная скорость воздушного потока максимальна в трахее — 98,4 см/с и минимальна в альвеорярных мешках — 0,02 см/с. Основное сопротивление, которое испытывает воз­дух, возникает при прохождении от трахеи до терминальных бронхиол. Именно в этих зо­нах совершается собственно перемещение воздушного потока путем конвекции. В зоне с 17-й по 23-ю генерации (транзиторная или переходная зона), а также в 24-м поколении, т. е. в альвеолах (респираторной зоне) воздушный поток не движется, а происходит лишь диф­фузия кислорода, углекислого газа, паров воды по градиенту парциального давления. По­этому в этой области воздушные потоки уже не испытывают аэродинамического сопротив­ления.

Функциональной единицей легких является ацинус. В легких их 800 тысяч. Каждый аци-нус вентилируется терминальной бронхиолой, которая заканчивается альвеолярными меш­ками, в стенках этих мешков находятся альвеолы. Альвеола — это тонкостенный пузырек диаметром около 0,18—0,25 мм. В легких их около 300 млн, общая площадь которых со­ставляет 80 м².

КОЛЛАТЕРАЛЬНАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ

В легких существует так называемая коллатеральная вентиляция, которая позволяет в случае закупорки бронхов осуществлять дыхание за счет наличия в легких дополнитель-

276

пшоксемию. По сути — это структура аварийного регулирования. Намного важнее роль медулярных хеморецепторов. Они были открыты около 30 лет назад группой немецких ученых. Эти рецепторы расположены на вентральной поверхности продолговатого мозга — вблизи от нейронов вентрального ядра продолговатого мозга. Эти рецепторы очень чув­ствительны к изменению рН и рСО₂. Именно поток импульсов от этих рецепторов, чутко улавливая ничтожные изменения в концентрации водородных ионов и рСО₂, вызывает из­менение паттерна дыхания: при накоплении угольной кислоты дыхание углубляется и уча­щается, МОД повышается, а при уменьшении содержания угольной кислоты оно становит­ся поверхностным и редким, МОД уменьшается.

МЕХАНОРЕЦЕПТОРЫ ЛЕГКИХ

В легких имеется три типа механорецепторов: рецепторы растяжения, ирритантные ре­цепторы и юкстаальвеолярные рецепторы, или J-рецепторы. Рецепторы растяжения, как уже отмечалось выше, возбуждаются в момент вдоха и способствуют активации нейронов типа 1р. Благодаря этому во время вдоха возникает процесс, тормозящий вдох и вызываю­щий выдох (рефлекс Геринга-Брейера).

Ирритантные рецепторы реагируют на изменение свойств легочной ткани. Например, при воспалении легких, когда возникает отек легочной ткани, эти рецепторы возбуждаются и вызывают поверхностное и учащенное дыхание — тахипноэ. Вот почему поверхностное и частое дыхание должно наводить на мысль о возможности пневмонии (отека легких). Эти же рецепторы порождают так называемый «вздох» — резкий вдох, в результате которого в акте дыхания принимают участие все участки легкого. Благодаря этому ликвидируются ате­лектазы. Часть ирритантных рецепторов расположена в верхних дыхательных путях. Благода­ря тому, что эти рецепторы одновременно выполняют и роль хеморецепторов, при раздраже­нии пахучими веществами они вызывают апноэг (задержку дыхания), кашель, чихание.

Ирритантные рецепторы, расположенные в верхних дыхательных путях, играют важ­ную роль в регуляции дыхания. Например, раздражение носовых рецепторов водой вызыва­ет апноэ. Поэтому ныряльщики, когда соприкасаются с водой, совершают непроизвольную задержку дыхания. Известна криминальная история, связанная с раздражением этих рецеп­торов. В Англии преступник топил своих очередных жертв (жен) в ванной за счет резкого выдергивания жертвы из ванны за ноги: хлесткий удар водой по рецепторам приводил к мгновенной остановке дыхания.

Ролыокстаалмеалярных рецепторов окончательно не ясна. Они, подобно иррнтантным, возбуждаются при отеке легких (изменении состояния интерстициальной ткани, где эти рецепторы расположены). Их возбуждение приводит к частому и поверхностному дыха­нию, а также к бронхоспазму.

Другие рецепторы. Пропрнорецепторы скелетных (недыхательных) мышц в период мы­шечной работы посылают поток импульсов к коре больших полушарий и непосредствен­но к центральному дыхательному механизму в бульбо-понтийный отдел. Этот поток вы­зывает гипервентиляцию еще задолго до того, как в крови накопится избыток угольной кислоты или разовьется гипоксемия. Рецепторы кожи: ноцицепторы, температурные, так­тильные — тоже вызывают изменение деятельности дыхательных нейронов. Все рецепто­ры так или иначе вызывают изменение в состоянии ЦМД, так как нейроны дыхательного механизма относятся к нейронам ретикулярной формации. Как известно, все потоки аф­ферентных импульсов «отвлекаются», т. е. идут по неспецифическим путям к ретикуляр­ной формации.

ОДЫШКА

Одышка появляется при многих ситуациях, в том числе при физической работе, при болезнях органов дыхания, при патологии мозга, при отравлениях. Одышка возникает при

283

необычности напряжения дыхания, т. е. при ощущении надрывности работы ради собствен­ного дыхания. Полагают, что в основе одышки лежит импульсация от проприорецепторов дыхательной мускулатуры, т. е. когда глубина вдоха должна быть увеличенной, но имеются какие-то препятствия, в результате чего должна повыситься работа дыхательных мышц. Это и порождает поток импульсов от пропрнорецепторов. Одышка возникает также при раздражении ирритантных и юкстаальвеолярных рецепторов легких.

О СПОСОБАХ ДЫХАНИЯ

В последнее время в литературе дискутируется вопрос о том, правильно ли мы дышим. Одни полагают, что дыхание должно быть глубоким и через нос, другие считают, наоборот, что дыхание должно быть поверхностным. Наше дыхание всегда осуществляется в опти­мальном режиме — оно направлено на сохранение постоянства газового состава альвео­лярного пространства ценой минимальных энергетических затрат. Эти принципы лежат в основе центрального дыхательного механизма, который регулирует дыхание с учетом этих двух основных факторов. Таким образом, мозг самообучается и обучать его «по новому» нецелесообразно. Таким образом, нет смысла специально обучаться определенному пат­терну дыхания — за нас это делает наш мозг. Полагают, что дыхание через нос — совер­шенно не обязательный атрибут паттерна дыхания, хотя и не отвергают калориферную и очистительную функцию носового дыхания. Но при физическое нагрузке, когда дыхание должно быть особенно экономичным, включение ротового дыхания — это попытка снизить сопротивление воздушному потоку во время вдоха.

О ПАРАМЕТРАХ ГАЗООБМЕНА

Принято выражать содержание кислорода, СО₂, азота и других газов атмосферного воз­духа в % к общему составу воздуха или в мм рт. ст. (парциальное давление данного газа). Градиент парциального давления кислорода и углекислого газа — это сила, с которой мо­лекулы этих газов стремятся проникнуть через альвеолярную мембрану в кровь.

На уровне моря в среднем атмосферное давление составляет 760 мм рт. ст., а процент­ное содержание кислорода 20,93% (или около 21%). В этом случае парциальное давление кислорода составляет:

Углекислого газа в атмосферном воздухе содержится крайне мало — 0,03%, что соот­ ветствует 0,2 мм рт. ст. парциального давления. Обычно эту величину при расчетах не учи­ тывают. .

При подъеме в горы атмосферное давление снижается, например, на высоте 1 км оно составляет 673 мм рт. ст., 2 — 597,3 — 525,5 — 406* 7 — 305,10 — 196 мм рт. ст. В то же время, процентное содержание кислорода остается прежним (20,93%). Парциальное давле­ние кислорода в этом случае также уменьшается и равно соответственно — 141,125,110, 85 и 41 мм рт. ст.

При вычислении парциального давления газов в альвеолярном воздухе следует также учитывать, что в этом воздухе,присутствуют пары воды (47 мм рт. ст.). Поэтому это число вычитают из значения атмосферного давления (760—47)=713 и находят процент от 713 мм рт. ст.

При выражении содержания газов в крови говорят о парциальном напряжении газа и о его количестве. Парциальное напряжение газа в крови или в тканях — это сила, с которой молекулы растворенного газа стремятся выйти в газовую среду. Речь идет о том давлении, которое создается за счет растворенной фракции данного газа. Выража­ется это давление в мм рт. ст. В артериальной крови, например, парциальное напряже-

284

ние кислорода достигает ломти 100 мм рт. ст., в венозной крови — около 40 мм рт. ст., а в тканевой жидкости, в клетках — 10—15 мм рт. ст. Напряжение углекислого газа в артериальной крови — около 40 мм рт. ст., в венозной крови — 46 мм рт. ст., а в тканях -г до 60 мм рт. ст.

За счет вытеснения газов из крови химическим способом (из химически связанного со­стояния) или с помощью создания вакуума над кровью можно получить весь газ, содержа­щийся в ней, и рассчитать количество этого газа (в мл) на единицу объема крови.

Зная количество кислорода или углекислого газа в единице объема крови и учитывая, что 1 моль газа занимает объем, равный 22,4 л, можно рассчитать содержание в крови газа в молях или ммолях на литр. Например, известно, что в 1 л крови содержится в среднем 580 мл углекислого газа, из них около 340 мл находится в виде бикарбоната натрия в плазме, это содержание соответствует примерно 24 ммоль/л.

Определение парциального напряжения проводится с помощью специальных методик, например, парциальное напряжение кислорода определяется полярографическим методом, основанным на изменении разности потенциалов между двумя электродами, находящими­ся в крови (в ткани) при пропускании через них постоянного тока: эта разница зависит от парциального напряжения кислорода, реагирующего с одним из электродов.

СВОДНЫЕ ДАННЫЕ О СОДЕРЖАНИИ И ПАРЦИАЛЬНОМ ДАВЛЕНИИ (НАПРЯЖЕНИИ) КИСЛОРОДА И УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА

Таблица 9.

Среда	Кислород			Углекислый газ
	%	мм рт. ст.	мл/л	%	мм рт.ст.	мл/л
Вдыхаемый воздух	20,93	159	209,3	0.03	0,2	0,3
Выдыхаемый воздух	16,0	121	160,0	4,5	34	45
Альвеолярный воздух	14,0	100	140,0	5,5	40	55
Артериальная кровь	—	100-96	200,0	—	40	560--540
Венозная кровь	—	40	140 -160	—	46	580
Ткань	—	10—15	?	—	60	?
Около митохондрий	—	0,1-1	?	—	70

Итак, представленные данные показывают, что градиент парциального давления (напряже­ния) между атмосферным воздухом и тканью для кислорода составляет около 140 мм рт. ст., для углекислого газа около 60 мм рт. ст. При этом градиент кислорода направлен в сторону тканей, а углекислого газа — наоборот, от тканей к атмосфере.

Наличие направленных градиентов создает основу для газообмена, а сила, влекущая газ войти в клетку или выйти из нее, определяется величиной градиента. На всех этапах — при обмене газа между альвеолярным воздухом и кровью, на этапе переноса газов кровью и в процессе обмена газа' между кровью капилляров и клетками тканей — во всех этих случаях движущей силой является градиент давления (напряжения).

285

ДИФФУЗИЯ ГАЗОВ МЕЖДУ АЛЬВЕОЛЯРНЫМ ВОЗДУХОМ И КАПИЛЛЯРАМИ ЛЕГКИХ

Обмен газов в легких определяется такими факторами как вентиляция легких, перфу­зия, т. е. интенсивность кровотока через легкие, и процесс диффузии.

Диффузия газов осуществляется через легочную мембрану — это многослойный «пирог», представленный пленкой сурфактанта, эпителием альвеолы, интерстицием (2 основные мемб­раны), эндотелием капилляра и слоем плазмы. Толщина этой мембраны около 1 мкм. При пато­логии, например, при отеке легких или при фиброзах легких, толщина мембраны может суще­ственно возрастать, что нарушает процесс диффузии газов. В цепом, у человека площадь легоч­ной мембраны, через которую осуществляется диффузия, в норме составляет 50—80 м². При резекции легких, при ателектазе, при пневмонии эта площадь значительно уменьшается, что снижает диффузионные процессы.

Процесс диффузии описывается первым законом диффузии Фнка: диффузионный поток, т. е. количество вещества, проходящего через площадь слоя А за единицу времени, — пря­мо пропорционален градиенту давления (Р,—Р₂) и площади А и обратно пропорционален толщине слоя (1).

где К — коэффициент диффузии (коэффициент Крога), или диффузионная проводимость, который зависит от природы газа. Для углекислого газа он в 20—25 раз выше, чем для кислорода. Закон Фнка показывает факторы, от которых зависит скорость диффузии. В кли­нической практике широко используется понятие «диффузионная способность легких» (ДСЛ): это отношение объема газа, продиффундировавшего через легочную мембрану за 1 минуту в расчете на 1 мм рт. ст. градиента давления. Для кислорода ДСЛ составляет около 25—30 мл кислорода на 1 мм рт. ст. в 1 мин, а для углекислого газа — около 600 мл на 1 мм рт. ст. в 1 минуту. Расчет ведется на основании замера объема поглощенного кисло­рода или выдохнутого углекислого газа (мл/мин) и градиента давления. Первый показатель можно получить, например, с помощью прибора «Спиролит» или «Метатест». Расчет гра­диента давления осуществляется с учетом градиента давления на протяжении всего легоч­ного капилляра. Например, для кислорода в альвеолярном воздухе рО₂ 100 мм рт. ст., в капилляре на начальном его конце — 40 мм рт. ст., на дистальном — почти 100 мм рт. ст., средний градиент равен примерно 10 мм рт. ст. Следовательно, если за минуту испытуе­мый поглотил 300 мл кислорода, то ДСЛ - 300 : 10 - 30 мл кислорода на 1 мм рт. ст. в 1 минуту. Для углекислого газа средний градиент между альвеолярным воздухом и кровью равен 0,4—0,5 мм рт. ст. Если за 1 минуту выдыхается 250 мл СО₂> то ДСЛ для СО₂ составляет 250: 0,4 = 620 мл/мм рт. ст. в минуту.

Контакт крови с альвеолярным воздухом происходит за 0,3—0,7 с. За этот период вре­мени осуществляется полное выравнивание парциальных давлений (напряжений) газа. Учи­тывая, что процесс связывания кислорода гемоглобином протекает еще быстрее — за не­сколько милисекунд, — то процесс диффузии и насыщения крови кислородом и отдача уг­лекислого газа происходит в полном объеме за 0,3—0,7 с.

О процессах перфузии легких уже говорилось в разделе «Малый круг кровообраще­ния». Добавим лишь, что соотношение между объемом вентиляции и объемом перфузии является важным фактором газообмена. В легких, несмотря на существование альвеоляр-но-капиллярного рефлекса, регулирующего соотношение между вентилируемыми альвео­лами и процессом их перфузии, возникает ситуация, при которой имеет место не только анатомическое мертвое пространство, но и альвеолярное мертвое пространство, т. е. име­ются вентилируемые альвеолы, лишенные кровотока. Поэтому при расчете объема вентиля­ции легких учитывается объем физиологического мертвого пространства (суммы анатомичес­кого и альвеолярного мертвых пространств). В норме объем вентиляции легких (с вычетом

286

физиологического мертвого пространства) составляет примерно 0,8 от объема перфузии лег­ких (80%).

В положении «лежа» в силу гидростатического давления легкое равномерно снабжает­ся кровью: верхушки, средние области и основание получают примерно одно и то же коли­чество крови. В положении «сидя» верхушки легких снабжаются кровью хуже (примерно на 15% меньше, чем в положении «лежа»), а стоя — на 25% меньше. Таким образом, пер­фузия легких максимальна в положении «лежа». Поэтому при необходимости увеличить диффузию газов у человека его следует перевести в позу «лежа».

Отметим, что наиболее опасным состоянием для газообмена является отек легких: при этом газам приходится проходить через легочную мембрану, насыщенную водой. Извест­но, что СО₂ в жидкости диффундирует примерно в 13000 раз, а кислород — в 300000 раз медленнее, чем в газовой среде.

ТРАНСПОРТ КИСЛОРОДА КРОВЬЮ

Кислород находится в крови в двух состояниях. Часть (0,3 мл на 100 мл крови или 3 мл/л крови) — в виде физически растворенного газа, а остальная часть (почти 20 мл кислорода/ 100 мл крови или 200 мл/1 л крови) — в виде химически связанного состояния — в связи с гемоглобином. Фракция физически растворенного кислорода играет важную роль: весь кис­лород, который идет из альвеолярного воздуха в кровь или из крови в ткани, проходит ста­дию физического растворения. Только в таком виде кислород может диффундировать. Эту фракцию можно представить как узкую речку, по которой вода бежит с огромной скоро­стью. Растворимость газов в жидкостях подчиняется закону Генри— Дальтона: количество растворенного газа пропорционально парциальному напряжению газа. Коэффициент про­порциональности (коэффициент Бунзена) для кислорода равен 0,024 мл на 1 мл раствори­теля в расчете на 1 атм (760 мм рт. ст.). Вот почему фракция растворенного кислорода так мала. Однако ее можно увеличить. Это бывает необходимо при оперативных вмешательст­вах на «сухом» сердце — без использования аппарата искусственного кровообращения. Еще в 1887 году французский хирург Пеган провел 27 операций в атмосфере чистого кис­лорода, т. е. применил способ насыщения кровью кислорода за счет повышения парциаль­ного напряжения кислорода в крови. Действительно, когда мы дышим чистым кислородом, то парциальное давление в альвеолярном воздухе составляет 760 мм рт. ст. (вместо 100 мм рт. ст.), поэтому повышается почти в 7 раз растворимость кислорода: вместо 3 мл/л — 21 мл/л крови. В настоящее время найдено, что можно без большого ущерба для человека некоторое время ды­шать чистым кислородом под давлением в 3 атмосферы. В этом случае парциальное напряже­ние кислорода в альвеолярном воздухе достигает 3x760=2280 мм рт. ст., а количество рас­творенного кислорода в крови становится в 21 раз больше, чем обычно, т. е. около 65 мл/л. Учитывая, что количество химически связанного кислорода (см. ниже) в этом случае оста­ется таким же, что и при обычном воздухе, to суммарное содержание кислорода в 1 л крови будет равно (200+65)=265 мл. Так как у человека около 5 литров крови, то суммарная при­бавка достаточно ощутима (65x5=325 мл). Если оперативное вмешательство проводить при низкой температуре тела (25—28° С), то потребность в кислороде снижается и вместо 250 мл требуется 50 мл или даже меньше. Естественно, что в таких условиях у хирурга, опери­рующего на «сухом» сердце, появляется больше времени для выполнения оперативного вмешательства.

В настоящее время гипербарическая оксигенация (название процедуры, описанной выше) достаточно широко применяется во многих областях медицины.

Основная масса кислорода при обычном дыхании связана с гемоглобином. Гемоглобин представляет собой белок, состоящий из 4 субъединиц (в среднем с массой по 16000), каж­дая из которых содержит 1 гем. Гем — это протопорфирин, состоящий из 4 пиррольных колец, связанных между собой метановыми мостиками. В центре гема находится двухва­лентное железо.

287

Когда в среде парциальное напряжение кислорода достаточно велико (60 мм рт. ст. и выше), каждый гем присоединяет к себе по 1 молекуле кислорода- Таким образом, 1 моле­кула гемоглобина присоединяет к себе 4 молекулы кислорода. Бели считать, что 1 г-мол гемоглобина = 64500 г, а 1 г-мол кислорода — 32 г или 22,4 л, тона 1 грамм гемоглобина приходится (32 х 4): 64500 или (22400 мл х 4): 64500 = 1,39 мл кислорода. Эта величина впервые была вычислена Хюффнером и поэтому в научной литературе называется «числом Хюффнера». Однако часто используются и другие значения количества кислорода, присое­диняемого 1 г гемоглобина. Это обусловлено тем, что по-разному оценивается молекуляр­ная масса гемоглобина. В последние годы она принимается за 66800 (а не за 64500); в этом случае эта величина составляет 1,34 мл/г гемоглобина. В наших расчетах используется число 1,34.

Итак, если известно, что в 1 л крови содержится 140 г гемоглобина, то в 1 л такой крови максимально возможное содержание кислорода в химически связанной форме будет равно 140x1,34=187,6 мл.

Реально, однако, количество кислорода, связанного с гемоглобином, зависит от парци­ального напряжения кислорода в крови (или в тканях). Даже при 100 мм рт. ст. не весь гемоглобин, а только 97—98%, способен связывать кислород, т. е. находиться в форме ок-сигемоглобина. При уменьшении парциального напряжения кислорода в среде — количество гемоглобина, находящегося в форме оксигемоглобина, снижается. Например, при 10 мм рт. ст. лишь около 10% молекул гемоглобина находится в связи с кислородом.

КРИВАЯ ДИССОЦИАЦИИ ОКСИГЕМОГЛОБИНА

Процесс связывания кислорода гемоглобином, отражающий зависимость сродства ге­моглобина к кислороду от парциального напряжения кислорода в среде, являстся'важней-шей характеристикой процесса транспорта кислорода. Впервые эту зависимость теорети­чески рассмотрел Хюффнер. Он считал, что в соответствии с законом действующих масс зависимость должна иметь гиперболический вид. Однако первые же экспериментальные наблюдения, проведенные известным физиологом Бором, показали, что зависимость носит S-образный характер. Гемоглобин как уникальное соединение хорош тем, что там, где он должен захватывать кислород (легкие), там в условиях высокого парциального напряжения (100 мм рт. ст.) он захватывает кислород. Там, где гемоглобин должен отдать кислород (при давлении 40 мм рт. ст.) — он его отдает почти на 60—40% от исходного уровня. Это проис­ходит в тканевых капиллярах. Проходя по тканям, гемоглобин отдает не весь связанный кислород, а только часть его. Например, если кислородная емкость артериальной крови равна 200 мл/л, то венозной крови —160—140 мл/л. Это объясняется тем, что парциальное давление в венозной крови не снижается обычно меньше 40 мм рт. ст., поэтому до 60% гемоглобина находится в форме оксигемоглобина.

Существуют факторы, влияющие на сродство гемоглобина к кислороду. Благодаря этим факторам кислород лучше отдается в тканевых капиллярах и, наоборот, лучше присоединя­ется в капиллярах легких. К этим факторам относятся: температура, концентрация водо­родных ионов, парциальное напряжение углекислого газа и соединение, которое накапли­вается в эритроцитах— 2,3-дифосфоглицерат.

Было показано, что с повышением температуры снижается сродство гемоглобина к кис­лороду и кривая диссоциации оксигемоглобина (зависимость % оксигемоглобина от парци­ального напряжения кислорода в среде) сдвигается вправо. Например, при 20°С, при 40 мм рт. ст. с кислородом связано 70% гемоглобина, а при 37°С — 65%.

Аналогично было замечено, что при повышении концентраций водородных ионов, при повышении парциального напряжения углекислого газа в среде сродство гемоглобина к кислороду снижается. Это явление получило название «эффекта Бора». Все эти факторы имеют место в тканях и поэтому способствуют отдаче кислорода гемоглобином.

Еще в 1909 г. классик физиологии газообмена Джозеф Баркрофт и его сотрудники обна­ружили, что в растворах гемоглобин имеет большее сродство к кислороду, чем в эритроци-

288

тах, следовательно, что-то, содержащееся в эритроцитах, препятствует связыванию кисло­рода. И лишь в 1967 г. обнаружили это «что-то». Им оказался 2,3-дифосфоглицерат. Это соединение образуется в эритроците при расщеплении глюкозы.

Метаболит глюкозы 2,3-ДФГ снижает сродство гемоглобина к кислороду. У горцев, постоянно испытывающих кислородное голодание из-за низкого парциального давления кислорода, как вариант адаптации к кислородному голоданию вырабатывается механизм, позволяющий повысить отдачу кислорода тканям. Это происходит за счет повышенного образования 2,3-ДФГ в их эритроцитах.

ТРАНСПОРТ КИСЛОРОДА К ТКАНЯМ

Кислород к тканям вначале идет за счет конвекции, т. е. в виде потока крови, а на уровне капилляров — за счет процесса диффузии. Принято считать, что кислород покидает кровь только в капиллярах. Однако в 70-е годы появились факты, свидетельствующие о том, что кислород может входить в ткани через мелкие артерии и артериолы. Основной механизм доставки кислорода к клеткам—диффузия. Скорость ее, как и в альвеолярно-капиллярных взаимоотношениях, прямопропорциональна площади обменной диффузии, обратнопропор-циональна диффузионному расстоянию и прямопропорциональна градиенту напряжения. В миокарде, к примеру, на каждое мышечное волокно приходится 1 капилляр, а среднее расстояние между капиллярами составляет 25 мкм. Расстояние между капиллярами в коре головного мозга — 40 мкм, в скелетных мышцах — 80 мкм. Следовательно, в сердечной мышце создаются более благоприятные условия для экстракции кислорода, для более эф­фективного использования кровотока.

Для объяснения процессов диффузии кислорода в тканях было предложено множество моделей. До сих пор наиболее удачной считается модель, предложенная классиком физио­логии А. Кротом в 1918 г. — модель тканевого цилиндра. Согласно модели Крога участок ткани, снабжаемый одним капилляром, рассматривается как цилиндр, осью которого слу­жит капилляр. По Крогу, напряжение кислорода в участках ткани зависит от удаленности участка от капилляра — чем дальше удален участок, тем меньше в нем парциальное давле­ние кислорода. Есть участки, которые далеко расположены от капилляров («смертельный угол»), поэтому в них интенсивность обмена крайне низка. Недавно с помощью поляриме­трической методики (микроэлектроды, приспособленные для замера рО₂) удалось показать, что содержание кислорода в тканях мозга — величина весьма варьирующая — от 5—10 мм рт. ст. до 90 мм рт. ст., и есть области, лежащие рядом с капилляром, где парциальное напряжение кислорода высокое, а есть области, удаленные от капилляра — с крайне низ­ким содержанием кислорода. Таким образом, стало ясно, что внутритканевая диффузия кислорода весьма ограничена.

КИСЛОРОД В КЛЕТКАХ

Чем интенсивнее потребление кислорода, тем меньше парциальное напряжение О₂ в данной клетке. Обычно в наиболее активных клетках парциальное напряжение кислорода снижается до 1 мм рт. ст. и даже ниже, особенно возле потребителя кислорода — митохон­дрий. Когда напряжение кислорода снижается меньше 0,1 мм рт. ст.—это становится несо­вместимым с жизнью и клетка погибает.

В некоторых тканях имеются специальные механизмы, приспособленные для аккумуля­ции кислорода про запас. Для этого используется миоглобин. В сердечной мышце 1 г ткани содержит 4 мг миоглобина. Каждый грамм миоглобииа связывает в среднем 1,34 мл кисло­рода. Поэтому в небольших количествах сердечные клетки запасают кислород с помощью миоглобина. На 300 г сердца — 15 мл кислорода. Этих запасов хватает на 3—4 секунды непрерывной работы. Миокардиоциты левого желудочка сердца, когда они находятся в фазе систолы (0,37 с при ритме 70 уд/мин), не получают крови. За этот период частичная ком-