Лекции для студентов

Физиология человека (часть 5)

ФИЗИОЛОГИЯ ДЫХАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Как вы помните из курса анатомии, к дыхательной системе относятся такие органы как грудная клетка, легкие и дыхательные мышцы. В функциональном плане под дыхательной системой следует понимать совокупность органов и тканей, обеспечивающих в организме газообмен, т. е. поступление необходимого количества кислорода в ткани и выделения из тканей углекислого газа. Деятельность этой системы проявляется сложным биологическим процессом, получившим название “дыхание”. Однако, дыхание не сводится к изменению объема грудной клетки, а подразумевает процессы газообмена в тканях и клетках.

Значение этой важной системы нельзя переоценивать, особенно для высших животных и человека. Дело в том, что в конечном итоге, все процессы жизнедеятельности протекают при обязательном участии кислорода, т. е. являются кислородными [аэробными]. Особенно чувствительной к кислородной недостаточности является ЦНС и, прежде всего, корковые нейроны, которые в бескислородных условиях погибают раньше других. Как известно, период клинической смерти не должен превышать пяти минут. В противном случае, в нейронах коры головного мозга развиваются необратимые процессы. Однако, на самом деле в условиях отсутствия кислорода, этот интервал гораздо меньше, так как в течение определенного промежутка времени при отсутствии дыхания клетки используют тот кислород, который содержится в межтканевом пространстве и крови. Так, если отключить систему окислительных тканевых ферментов цианидами, то смерть наступит через 15-30 секунд.

Итак, основная функция дыхательной системы — обеспечение газообмена тканей. Однако, кроме этой функции, дыхательная система выполняет ряд вспомогательных. К ним относятся:

1. Синтетическая. В тканях легких синтезируются некоторые БАВ. Это такие как гепарин, простагландины, липиды и др.

2. Кроветворная. В легких созревают тучные клетки, базофилы.

3. Депонирующая. Легкие выступают в роли депо крови, так как их сосуды (капилляры) легко растягиваются и в них может накапливаться большое количество крови.

4. Всасывательная. С огромной поверхности легких (приблизительно до 90 м2) легко всасываются эфир, хлороформ, никотин и многие другие вещества.

5. Выделительная, заключающаяся в том, что вещества, поступающие в организм через легкие, в конечном итоге, выделяются из организма посредством легких.

Весь сложный биологический процесс дыхания можно разделить на три основных этапа:

I. Внешнее дыхание, обеспечивающее поступление из альвеолярного воздуха в кровь кислорода и выделение из крови углекислого газа.

II. Транспорт газов кровью.

III. Тканевое дыхание, в результате которого под влиянием цепи окислительных реакций при участии ферментов происходит превращение молекулярного кислорода в атомарный и использование его в окислительных процессах.

Мы подробно остановимся на первых двух этапах, поскольку тканевое дыхание рассматривается в курсе биоорганической химии.

Внешнее дыхание проявляется в периодическом изменении объема грудной клетки: объем грудной клетки то увеличивается — вдох, то уменьшается — выдох. Вдох (инспирация) — является активным актом, так как осуществляется при помощи специализированных дыхательных мышц. К ним относятся наружные межреберные мышцы и диафрагма или грудобрюшная преграда. Чтобы представить, почему при сокращении наружных межреберных мышц происходит увеличение объема грудной клетки, необходимо знать места прикрепления мышц.

Как известно из курса анатомии, наружные межреберные мышцы идут сверху вниз, сзади наперед в косом направлении, причем вышерасположенная мышца прикрепляется к наружной части нижнего края нижерасположенного ребра (рис. 5.1.). Поэтому, при сокращении наружных межреберных мышц ребра, с одной стороны, поднимаются кверху, а с другой, развертываются кнаружи, вследствие чего объем грудной клетки увеличивается во всех трех плоскостях. К тому же, чем сильнее сокращаются мышцы, тем на большую величину изменяется объем грудной клетки. Однако, учитывая закон рычагов, объем нижних отделов грудной клетки увеличивается в 3-4 раза больше, чем верхних отделов. Следовательно, и вентиляция легких в нижних отделах возрастает на такую же величину. Вследствие относительно плохой вентиляции верхних отделов легких, чаще всего патологический процесс развивается именно в области верхушек легких (например, туберкулез).

Большое значение в дыхании имеет диафрагма — во время выдоха ее купол далеко выстоит в грудной полости, во время вдоха он опускается, вследствие чего объем грудной клетки увеличивается..

Кроме того диафрагма во время сокращения отодвигает нижние ребра к периферии, что также ведет к увеличению емкости грудной клетки. Причем, чем сильнее сокращения диафрагма, тем больше увеличивается ее объем.

Если дыхание осуществляется преимущественно за счет наружных межреберных мышц, его называют грудным. Если за счет диафрагмы — брюшным. С 7-14 лет проявляются некоторые половые различия в типе дыхания: у мужчин преобладает брюшной тип (вследствие большого развития мышц плечевого пояса), у женщин — грудной. Наблюдаются возрастные изменения внешнего дыхания: у новорожденных превуалирует диафрагмальное дыхание, позже подключается межреберное. Так если, у щенка перерезать диафрагмальные нервы, то животное погибает от нарушения функции внешнего дыхания.

При некоторых патологических состояниях, главным образом, при поражении дыхательной системы, в процессе дыхания могут принимать участие другие вспомогательные мышцы грудной клетки и шеи (лестничные, трапециевидные, ромбовидные, мышцы плечевого пояса и другие, облегчающие вдох). Однако, чтобы эти мышцы принимали участие в дыхательных движениях, необходимо, чтобы их фиксированная часть находилась вне грудной клетки (рис. 5.2.). Например, когда больному тяжело дышать, он опирается на верхние конечности или фиксирует их к перилам кровати. В таком положении при сокращении вспомогательных мышц легче увеличивается объем грудной клетки.

Выдох (экспирация), в отличие от вдоха, является преимущественно пассивным актом, так как в его осуществлении не принимают участие мышцы. Он происходит за счет следующих факторов: эластической тяги легких, эластического сопротивления реберных хрящей, сопротивления внутренних органов, тяжести грудной клетки. При глубоком же выдохе, этот процесс становится активным, так как он выполняется при помощи внутренних межреберных мышц. Специфическое прикрепление этих мышц с внутренней стороны грудной клетки и их ход позволяет уменьшать активно объем грудной клетки за счет смещения ребер (рис. 5.1.). Итак, во время вдоха объем грудной клетки увеличивается, во время выдоха — уменьшается.

Естественно возникает вопрос: “Для чего следует изменять объем грудной клетки?”. Изменение объема грудной клетки необходимо для того, чтобы изменять объем легких для осуществления вентиляции находящегося там воздуха, что лежит в основе газообмена между кровью и альвеолярным воздухом. Чтобы понять его, необходимо вспомнить некоторые анатомические особенности легочной системы. Как известно, легкие находятся в герметически закрытой полости — “мешке”, причем внутренняя поверхность грудной клетки покрыта париетальным листком плевры, который переходит на легкие и покрывает их, образуя висцеральный листок. Между плевральными листками образуется щелевидное пространство (межплевральное образование), в котором, как указано в большинстве физиологических руководств нет ни жидкости, ни воздуха.

Очень важно понимать, что в этом межплевральном образовании у взрослого здорового человека как во время вдоха, так и во время выдоха, давление ниже атмосферного — “отрицательное”, которое, в свою очередь, колеблется. Поэтому за счет отрицательного давления висцеральный листок плевры плотно прижимается к париетальному. Значение этого давления можно определить, если в межплевральное образование ввести полую иглу, соединенную с манометром, который регистрирует следующие цифры: при спокойном выдохе — 753-754 мм рт. ст., отрицательность составляет 6-7 мм рт. ст.. При спокойном вдохе — 751-752 мм рт. ст., отрицательность составляет 8-9 мм рт. ст.; при глубоком вдохе — 748-749 мм рт. ст., отрицательность составляет 11-12 мм рт. ст.; при глубоком выдохе — 757-758 мм рт. ст., отрицательность составляет 2-3 мм рт. ст.

У новорожденных на выдохе давление равно атмосферному, во время вдоха оно несколько уменьшается. Следовательно, у здорового взрослого человека давление в межплевральной области во все фазы дыхательного цикла сохраняется меньше атмосферного; причем, во время вдоха это давление уменьшается, а во время выдоха — увеличивается. При спокойном вдохе давление в межплевральном образовании, как видно из приведенных выше цифр, падает на 2-3 мм рт. ст., во время же глубокого вдоха — на 4-5 мм рт. ст. Уменьшение давления в межплевральном образовании является основной причиной увеличения объема легких во время вдоха, то есть, 2-3 мм рт. ст. являются той силой, которая и растягивает легкие. Так, во время увеличения объема грудной клетки давление в межплевральном образовании уменьшается и вследствие разности давлений воздух активно поступает в легкие и увеличивает их объем.

Во время же выдоха давление возрастает, и также в силу разности давлений, воздух выходит, легкие спадаются. Вспомогательной причиной изменения объема легких являются силы межмолекулярного сцепления, которые наблюдаются между листками плевры, покрытыми тонким слоем жидкости, подобно слипанию кусочков тонкой резины, смоченной жидкостью. Таким образом, в силу разности давлений, легкие движутся за грудной клеткой, как тень за человеком. Описание закономерности биомеханики легких, имеющие место в процессе дыхания, очень хорошо демонстрирует схема, предложенная ученым Дондерсом (рис. 5.3.). Модель Дондерса представляет собой легкие животного, помещенные в герметически закрытую стеклянную банку, у которой вместо дна имеется резиновая “диафрагма”. Если оттянуть книзу эту резиновую “диафрагму”, то легкие расширяются и их объем увеличивается. Это происходит потому, что давление внутри стеклянной банки уменьшается, и, в силу разности давлений, в легкие, сообщающиеся с внешней средой и не сообщающиеся с полостью банки, поступает воздух, активно растягивая их.

Возникает вопрос: “Какова природа отрицательного давления в межплевральной области?”. Основным фактором, формирующим отрицательное давление, является эластическая тяга легких. Известно, что в альвеолах имеется много эластических волокон, придающих легким эластические свойства. Во время увеличения объема легких эти эластические элементы растягиваются, но в силу эластических свойств стремятся прийти в исходное состояние. Висцеральный листок постоянно стремится оторваться от париетального, создавая эластическую тягу. Отсюда, величина отрицательности должна приравниваться к величине эластической тяги. Наличие постоянной отрицательности в межплевральном образовании у здорового взрослого человека обусловливает постоянное растяжение легких, что является благоприятным фактором для осуществления внешнего дыхания.

По иному проявляются эти закономерности у новорожденных. Как отмечалось раньше, у новорожденных на высоте выдоха отрицательность в межплевральном пространстве отсутствует, она проявляется только во время вдоха, когда легкие растягиваются, образуя отрицательное давление. Тот факт, что легкие новорожденного в состоянии выдоха не растянуты, ухудшает вентиляционные свойства и способствует развитию различных заболеваний дыхательной системы. Как показывают ранее приведенные цифры, величины отрицательности в межплевральном образовании с возрастом увеличиваются, что объясняется неодинаковой скоростью роста тканей грудной клетки и легких. Скорость роста тканей грудной клетки опережает таковую легких, вследствие чего отрицательность увеличивается с возрастом.

Эластические свойства легких имеют большое физиологическое значение. Они способствуют выдоху, а также не дают возможность легким перерастягиваться. Потеря эластических свойств с возрастом или под влиянием профессиональных вредностей приводит к нарушению функции внешнего дыхания и патологии сердечно-сосудистой системы. Последние проявляются в том, что при ослаблении эластичности легких, происходит сдавливание капилляров, что приводит к недостаточности правого сердца.

В 1929 году ученый Неергардт показал, что в формировании отрицательного давления в межплевральном образовании известное значение имеет не только эластическое свойство легких, но и поверхностное натяжение, которое создается жидкостью, покрывающей альвеолы. Так, если животным ввести фермент эластазу, который разрушает эластические волокна, отрицательность уменьшается, но не исчезает. И если далее нарушить поверхностное натяжение путем введения жидкости в легкие, то отрицательность также уменьшится.

Большое значение придается сравнительно недавно открытой сурфактантной системе, представленной фосфолипидами, главными в которых являются лецитины (выявлено свыше двадцати фракций этих веществ). Сурфактантные фосфолипиды синтезируются пневмоцитами и обновляются каждые 12-16 часов. Значение сурфактантной системы сводится к следующему:

1. Сурфактантная система принимает участие в создании упругого каркаса легкого, препятствуя их спадению. Если сжать легочную ткань, и затем убрать сжимающий фактор, то легкое легко расправляется.

2. Ликвидирует возможность перерастяжения легких.

3. Облегчает процесс выдоха.

4. Регулирует величину поверхностного натяжения, что обеспечивает равномерное увеличение объема разных по размерам альвеол. Если бы не было этой системы, то более крупные альвеолы, имеющие меньшее поверхностное натяжение, увеличивались бы в размерах. В то время как более мелкие не изменились по величине или уменьшились, что привело бы к неравномерному изменению различных участков легочной ткани.

5. Экономят энергетические траты организма, связанные с деятельностью дыхательной системы, в результате того, что облегчается процесс выдоха.

6. Обеспечивает так называемый гистерезис, то есть нелинейное растяжение легочной ткани, а именно: чем больше воздуха поступает в легкие, тем меньше они растягиваются. Это служит препятствием для потери легкими эластических свойств.

7. Сурфактантная система обладает выраженными сорбционными свойствами, что проявляется в ее способности захватывать пылевые и другие частицы.

Кроме того, сурфактантные фосфолипиды необходимы, во первых, как регуляторы проницаемости капилляров, что играет большую роль в обмене веществ; они являются так же мощными антиоксидантами; обладают бактерицидным действием, хорошо растворяют кислород, способствуя его диффузии через мембраны для поступлению в организм. У человека формирование сурфактантной системы происходит во внутриутробный период жизни (в третьем триместре беременности). Если этот процесс запаздывает, то у новорожденного возможно развитие респираторного дистресс-синдрома. Педиатрам и другим специалистам хорошо известно, что такое состояние часто наблюдается у недоношенных детей и оно связано с недостаточной сурфактантной системой. В настоящее время разработаны ультразвуковые и лабораторные показатели продукции сурфактанта, позволяющие прогнозировать вероятность развития респираторного дистресс-синдрома. Для предупреждения этого синдрома применяют гормоны глюкокортикоиды с целью индукции ферментов, катализирующих синтез сурфактантных фосфолипидов.

Таким образом, для перехода новорожденного к самостоятельному дыханию нужен достаточный синтез этих фосфолипидов, в основном, лецитинов, покрывающих альвеолярную поверхность легких монослоем.

Наличие воздуха в межплевральном образовании называется пневмотораксом, который может быть спонтанным, закрытым, открытым и лечебным. Лечебный пневмоторакс создается, например, в случае распада легкого в результате туберкулезного поражения, когда воздух вводится в межплевральное образование для того, чтобы сблизить края полости в целях рубцевания ткани. Воздух, попавший в межплевральную полость, постепенно всасывается париетальным листком, и легкое расправляется. Пневмоторакс может быть односторонний, двусторонний, а также неполный и полный. В последнем случае требуется экстренная медицинская помощь, иначе больной погибнет.

Наличие жидкости в межплевральном образовании называется гидротораксом. Если жидкость не инфицировалась, то также происходит постепенное ее всасывание париетальным листком.

Функция внешнего дыхания оценивается такими основными показателями как минутный объем вентиляции, жизненная емкость легких, сопротивление дыхательных путей, скорость потока воздуха и др. Минутный объем вентиляции — это количество воздуха, которое проходит через легкие за одну минуту. Минутный объем вентиляции у взрослого здорового человека в покое составляет 6-7 литров. При физической нагрузке этот показатель заметно увеличивается и может доходить до 100 и более литров. Для определения минутного объема вентиляции используются пневмографические, спирографические и др методы.

Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) — это максимальное количество воздуха, которое может поступить и вывестись из легких во время максимального вдоха и выдоха. Жизненная емкость легких определяется спирометрическим и другими методами. У взрослого здорового человека ЖЕЛ меняется в пределах от 3500 до 7000 мл и зависит от ряда факторов, а именно: от пола (как правило, ЖЕЛ у женщин ниже, чем у мужчин); от показателей физического развития, преимущественно от объема грудной клетки; от того, занимается или нет человек двигательными видами спорта (бег, лыжи, плавание и т. д.). Естественно, что если человек занимается этими видами спорта, то у него ЖЕЛ значительно больше, чем у тех, которые не увлекаются спортом. Кроме того, ЖЕЛ зависит от возраста.

ЖЕЛ состоит из нескольких объемов (рис. 5.4.):

1. Дыхательный объем (ДО) — это количество воздуха, которое поступает и выводится из легких при спокойном дыхании. У взрослого здорового человека он колеблется в пределах 500-600 мл.

2. Резервный объем вдоха (РОВд)- это максимальное количество воздуха, которое может поступить в легкие после спокойного вдоха. Этот объем составляет 1500-2500 мл.

3. Резервный объем выдоха (РОВыд) — это максимальное количество воздуха, которое может вывестись из легких после спокойного выдоха. Резервный объем выдоха составляет 1000-1500 мл.

Для правильной оценки ЖЕЛ необходимо знать должную жизненную емкость легких (ДЖЕЛ), которая рассчитывается по формуле Болдуина. Отклонения ЖЕЛ от ДЖЕЛ не должны превышать ±10%. Даже при максимальном выдохе в легких, в силу их структурных особенностей, остается большое количество воздуха, которое составляет 1000-1200 мл и называется остаточным объемом (ОО). Если вскрыть грудную клетку, то и в этом случае легкие полностью не спадаются — в них остается воздух. Легкие плода или новорожденного, не сделавшего первый вдох, не содержат воздуха. Поэтому, этот факт используется в судебно-медицинской практике для доказательства мертворожденности или наличия насильственной смерти. Для констатации этого факта кусочек легкого трупа помещается в воду. Если легкое не содержит воздуха, то кусочек тонет. Если же воздух поступил в альвеолы хотя бы несколько раз, то кусочек плавает на поверхности воды.

В оценке функции внешнего дыхания следует учитывать объем мертвого пространства, который образуется объемом воздухоносных путей — трахеи, бронхов и бронхиол вплоть до их перехода в альвеолы. Дело в том, что воздух этого пространства не участвует в газообмене, и чем оно больше, тем труднее дышать. Объем воздуха мертвого пространства составляет около 150 мл. Зная объемные соотношения ЖЕЛ, можно вычислить, какая часть воздуха, содержащегося в легких, принимает участие в газообмене. Для этого следует из дыхательного объема (500 мл) вычесть объем воздуха мертвого пространства (150 мл). Следовательно, полученные 350 мл — это количество воздуха, который обменивается. Его нужно отнести к сумме резервных объемов выдоха, то есть, 350/(1000+1500), из чего следует, что только седьмая часть воздуха, содержащегося в легких, участвует в газообмене.

Воздухоносные пути выполняют ряд важнейших функций: обеспечивают вентиляцию легких, очищают, увлажняют и согревают вдыхаемый воздух. Известное значение в оценке функции внешнего дыхания отводится скорости потока воздуха и сопротивлению дыхательных путей. У взрослого человека в состоянии относительного физиологического покоя скорость потока воздуха должна составлять 0,5 л/с, а сопротивление дыхательных путей — 1,7 см вод. ст. О нарушениях функции внешнего дыхания могут свидетельствовать отклонения этих показателей.

На функционирование аппарата внешнего дыхания существенным образом сказывается состояние дыхательных путей. Стенки дыхательных путей имеют сократительные элементы, обусловливающие различные виды сокращений. Например, постоянные сокращения изменяют просвет дыхательных путей в процессе дыхания: при ритмических сокращениях просвет бронхов несколько увеличивается во время вдоха и уменьшается во время выдоха. Кроме того, стенка бронхов находится в состоянии постоянного тонуса, что сказывается на функции внешнего дыхания. К непостоянным сокращениям стенки дыхательных путей относятся сокращения, возникающие при действии на организм различных раздражителей. В этом случае может иметь место как сужение, так и расширение бронхов.

Сократительная система стенок дыхательных путей иннервируется вегетативным отделом нервной системы: под вилянием парасимпатических центров бронхи суживаются, а симпатических — расширяются. Поэтому при спазме бронхов, например, при бронхиальной астме, применяются симпатолитики, снимающие спазм дыхательных путей, такие как адреналин и др.

У человека кроме легочного дыхания имеет место и кожное. Около 5% кислорода может поступать в организм через кожные покровы. При патологическом состоянии дыхательной системы диффузия кислорода через кожу может увеличиваться до 10%.

Для объяснения механизмов газообмена необходимо знать газовый состав воздуха и крови (углекислый газ и кислород). Как известно, в атмосферном воздухе содержится 21% кислорода и 0,03% углекислого газа. В альвеолярном воздухе содержится 14,5% кислорода и 5,5% углекислого газа, в выдыхаемом — 16% кислорода и 4% углекислого газа. Прирост кислорода в выдыхаемом воздухе и уменьшение углекислого газа, по сравнению с альвеолярным, объясняется тем, что альвеолярный воздух при выдохе смешивается с воздухом мертвого пространства, содержание газов в котором соответствует атмосферному. Для определения газов в воздухе используется метод Холдена, который для этой цели предложил применить газоанализатор. Газоанализатор основан на использовании поглотителей для газов: пирогаллол для кислорода и раствор щелочи для углекислого газа.

Вторым этапом дыхательного процесса является транспорт газов, осуществляемый кровью. Газы в жидкости, в частности в крови, могут находится в двух состояниях: во-первых, в состоянии растворения, во-вторых, в химически связанном состоянии. Количество газа, растворенного в жидкости, зависит от: количества и состава жидкости, объема и парциального давления газа над жидкостью, температуры жидкости и коэффициента растворимости газа. Чем больше парциальное давление газа, ниже температура раствора, больше объем жидкости и коэффициент растворимости, тем больше газа растворяется в жидкости. И наоборот, чем ниже парциальное давление, коэффициент растворимости газа, меньше объем жидкости и выше ее температура, тем меньшее количество газа растворяется в жидкости. При давлении 760 мм. рт. ст. и температуре 38 0С коэффициент растворимости в крови для кислорода составляет 0,022, для углекислого газа — 0,51.

Количество газа, растворенного в жидкости можно определить по формуле:

Q = V*P*D/760,

где Р — парциальное давление газа, V — объем жидкости; D — коэффициент растворимости газа.

Так как температура в организме человека постоянная, то поправочный температурный коэффициент в формуле опускается. Используя данную формулу, было определено, что в растворенном состоянии в плазме крови находится около 0,35% кислорода и 3% углекислого газа.

Основным показателем транспортной функции крови являются содержащиеся в ней кислород и углекислый газ. В артериальной крови содержится 19-20 об/% кислорода и 51 об/% углекислого газа. В венозной крови содержится 13 об/% кислорода и 56 об/% углекислого газа.

Для определения количества газов в крови используется несколько методов. В 1859 году И. М. Сеченов предложил для определения газового состава крови использовать ртутный насос, создающий разряженное пространство над кровью, в результате чего газы выходят из крови. Такое разряженное пространство создается несколько раз, пока все газы не будут извлечены из крови. Затем определяется концентрация газов. Химический принцип извлечения газов из крови был предложен ученым Баркрафтом с помощью аппарата, в котором кислород извлекается железосинеродистым калием, а углекислый газ — винокаменной кислотой (метод Баркрафта). В настоящее время концентрацию газов в крови определяют методом Ван-Слайка, в котором объединены и физический (метод Сеченова) и химический (метод Баркрафта) принципы извлечения газов из крови.

Кроме того, для оценки транспортной функции крови, в частности, транспорта газов, применяются такие показатели, как степень насыщения крови кислородом и коэффициент утилизации кислорода тканями.

Зная кислородную емкость крови и содержание кислорода в крови, взятой из сосуда, можно определитьстепень насыщения крови кислородом как отношение содержания кислорода в исследуемой крови к ее кислородной емкости. Степень насыщения артериальной крови кислородом колеблется от 96 до 98%, а венозной — от 90 до 92%.

Коэффициент утилизации кислорода тканями равен отношению потребления кислорода к его доставке. Потребление кислорода тканями определяется артериовенозной разницей по кислороду, составляющей в нормальных условиях 8 об/% (20 об/% — содержание кислорода в артериальной и 12 об/% — в венозной крови). Нормальная величина коэффициента утилизации кислорода в состоянии покоя равна 40%.

Газообмен, то есть поступление кислорода в организм и выделение углекислого газа из организма, обеспечивается разностью парциального давления или напряжения газов между двумя средами, поделенными биологическими мембранами (рис. 5.5.). Вспомним, что парциальное давление — это давление газа в газовой смеси, а напряжение — это давление газа в жидкости. Так же вспомним, что газ всегда диффундирует из среды, где его давление высокое в среду с меньшим давлением. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не достигается динамическое равновесие. Данная закономерность в одинаковой степени справедлива как для жидкости, так и для газовой смеси. Следовательно, разность давлений является движущей силой диффузии кислорода и углекислого газа.

Величина диффузии газа может быть определена по первому закону диффузии Фика:

Q = D*E*Pк,

где Q — количество кислорода, проходящее через площадь Е за единицу времени; D — это коэффициент диффузии кислорода, представляющий собой постоянную величину, зависящую от свойств диффузной системы; Е — площадь диффузии, характеризующейся количеством функционирующих капилляров; Рк — градиент парциальных давлений или напряжения кислорода. Если парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе составляет 105 мм. рт. ст., (легко вычисленное по пропорции: 100 объемных % — это 760 мм. рт. ст., 14 объемных %, приходящихся на кислород, — х мм. рт. ст.), что значительно выше напряжения этого газа в венозной крови — 40-60 мм. рт. ст., то кислород из альвеол диффундирует в венозную кровь. Обогащенная кислородом кровь поступает к тканям. В межтканевой жидкости около капилляров напряжение кислорода значительно ниже (20-40 мм. рт. ст.), чем в подтекающей крови (90 мм. рт. ст.). В силу разности напряжений кислорода в клетке и межтканевом пространстве газ поступает в клетки, в которых напряжение кислорода приближается к 0-5 мм. рт. ст.

Диффузия углекислого газа идет в обратном направлении, так как градиент парциального давления и напряжения для углекислого газа направлен в противоположную сторону. В клетках напряжение углекислого газа составляет 60-70 мм. рт. ст., а в притекающей артериальной крови оно равняется 40 мм. рт. ст. В результате, в силу разности давлений углекислый газ из клеток переходит в кровь, обогащая притекающую артериальную кровь углекислым газом до напряжения 46 мм. рт. ст., а в альвеолах парциальное давление углекислого газа ниже (всего 38 мм. рт. ст.). В этом случае диффузия газа направлена из венозной крови в альвеолярный воздух.

Следовательно, градиенты давления являются причиной диффузии кислорода и углекислого газа из одной среды в другую, обеспечивая газообмен. В организме человека и животных равенства давлений кислорода и углекислого газа по пути их движения никогда не наступает, так как в легких постоянно происходит обмен газов в результате дыхательных движений грудной клетки, в тканях же разность напряжений газов поддерживается непрерывным процессом окисления.

Возникает вопрос: “Каковы же механизмы связывания газов кровью, например, кислорода?”. Кислород, в основном, транспортируется эритроцитами, химически связанный с гемоглобином. Впервые это показал ученый Баркрофт. Им было установлено, что связывание кислорода гемоглобином зависит от напряжения кислорода в растворе и является легко обратимым процессом. Зависимость между количеством оксигемоглобина и парциальным давлением кислорода можно выразить графически.

Кривая, отражающая зависимость образования оксигемоглобина от парциального давления кислорода, имеют гиперболический характер и сначала получили название “кривая образования оксигемоглобина”. Однако, было учтено, что человек рождается с максимальным содержанием оксигемоглобина в крови, и данную кривую правильнее рассматривать не как кривую, показывающие образование оксигемоглобина, а как кривую, свидетельствующую об его распаде — “кривая диссоциации оксигемоглобина”.

Кривая диссоциации оксигемоглобина в водном растворе отличается от таковой в цельной крови. Кривая диссоциации оксигемоглобина в цельной крови имеет S-образную форму, а именно, левая часть кривой приобретает изгиб, вся кривая смещается вниз и вправо, что свидетельствует о значительном уменьшении сродства к гемоглобину кислорода, в то время, как в водном растворе она имеет характер гиперболы. Отсюда следует, что в крови содержатся вещества, уменьшающие сродство кислорода к гемоглобину. Такими веществами являются, например, углекислый газ, углекислота и ее соли. Причем зависимость “Чем больше этих веществ в крови, тем больше диссоциация оксигемоглобина” получила название эффект Бора.

Прямыми лигандами являются вещества, способные вызвать изменение конформации молекул гемоглобина. Такими лигандами являются СО2, Н2СОз, бикарбонаты и др. Косвенными лигандами могут выступать физические факторы, такие как рН крови, температура крови. S-образный характер кривой диссоциации оксигемоглобина также обусловлен уникальной способностью связывания кислорода гемоглобином. Молекула гемоглобина состоит из 4-х субъединиц и способна присоединять 4 молекулы кислорода. Уникальность гемоглобина в том, что дезоксигемоглобин обладает очень слабым сродством к кислороду. Однако, после присоединения кислорода к одной или большему числу субъединиц гемоглобина, сродство остальных субъединиц к кислороду возрастает приблизительно в 500 раз.

Анализ конфигурации кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 5.6.) показывает ее особенности, заключающиеся в том, что:

1) Диссоциация оксигемоглобина никогда не начинается со 100%. Она имеет место только в том случае, если человек дышит кислородом.

2) Наблюдается своеобразная зависимость между парциальным давлением кислорода крови и распадом оксигемоглобина: чем меньше парциальное давление кислорода, тем больше диссоциация. Однако, конфигурация кривой диссоциации оксигемоглобина в правой части почти горизонтальна, то есть, несмотря на уменьшение парциального давления кислорода, распад оксигемоглобина практически не наблюдается, насыщение крови кислородом уменьшается не на много. И только, когда парциальное давление кислорода упадет до 50%, начинается заметный его распад. Как отмечал Баркрофт, в этом проявляются чудесные свойства гемоглобина, имеющие большое практическое значение, которое заключается в том, что количество этого газа в окружающей среде может уменьшаться, а содержание его в крови сохраняется на высоком уровне. Это важное физиологическое свойство гемоглобина позволяет организму не испытывать кислородного голодания при уменьшении парциального давления кислорода в окружающей среде.

3) Крутой наклон среднего участка кривой диссоциации оксигемоглобина имеет определенную толщину, что отражает специфические особенности этого процесса в венозной и артериальной крови. Верхняя часть кривой отражает диссоциацию оксигемоглобина в артериальной крови (малый круг кровообращения), где диссоциация идет хуже, так как в легких мало углекислого газа (там он удаляется, там также мало бикарбонатов и других регуляторов, способствующих распаду оксигемоглобина). Нижняя часть кривой характеризует процесс диссоциации оксигемоглобина в венозной крови (большой круг кровообращения), где он осуществляется лучше, так как из тканей выделяется углекислый газ, облегчающий поступление кислорода в ткани. Таким образом, колебания количества углекислого газа, бикарбонатов и других компонентов крови способствует обмену кислородом. В обмене кислородом имеют большое значение лиганды физические, такие как рН и температура.

В капиллярах большого круга кровообращения температура несколько выше, чем в малом, а рН меньше, что в совокупности еще больше увеличивает диссоциацию гемоглобина. В капиллярах же малого круга кровообращения температура немного ниже, а рН выше и такие условия препятствуют распаду оксигемоглобина.

Между содержанием бикарбонатов и парциальным давлением углекислого газа в растворе существует определенная зависимость, из которой следует, что при уменьшении парциального давления углекислого газа в водном растворе остается еще значительное количество углекислого газа в виде бикарбонатов. Если проследить данную зависимость в цельной крови, то можно заметить, что уменьшение концентрации бикарбонатов значительно ускоряется при наличии в крови оксигемоглобина. Причем, чем больше оксигемоглобина в крови, тем интенсивнее снижается уровень бикарбонатов (эффект Холдейна). Так, в артериальной крови (малый круг кровообращения) происходит образование оксигемоглобина, а увеличение его количества способствует превращению бикарбонатов в углекислый газ и быстрому удалению его из организма. В венозной крови (большой круг кровообращения) мало оксигемоглобина — он распадается — это содействует накоплению большого количества бикарбонатов. Таким образом, колебания уровня оксигемоглобина в большом и малом круге кровообращения, в свою очередь, являются тем важным фактором, который облегчает обмен углекислого газа.

Возникает вопрос: “Каковы механизмы связывания углекислого газа, а также механизмы перевода углекислого газа в бикарбонаты?”. Основная часть углекислого газа связывается в организме следующим образом (рис. 5.7.): углекислый газ, образующийся в тканях, диффундирует в кровь кровеносных капилляров в силу разности парциальных давлений. Растворяющийся в плазме углекислый газ, диффундирует внутрь эритроцитов, где соединяется с водой, образуя углекислоту, причем эта реакция ускоряется содержащейся в эритроцитах карбоангидразой в 15.000-20.000 раз (Рефтон, 1935 г.) Углекислота диссоциирует на протон Н+ и ион НСО3-. Одновременно с этим процессом в эритроцитах происходит отщепление кислорода от оксигемоглобина и в силу разности парциальных давлений, поступление его в клетки. Ион НСОз вытесняет из гемоглобина ион К+ и превращается в бикарбонат калия. Свободный протон водорода становится на место К+ в гемоглобине и теряет свои кислотные свойства. Избыток же ионов НСОз-, в силу разности концентраций, переходит в плазму и забирает Na+ от поваренной соли, превращаясь в бикарбонат Na+. Освободившиеся в результате этой реакции ионы Cl- проникают в эритроцит взамен вышедших ионов НСОз-, где соединяются с ионами К+. И, таким образом, связывается около 80% всего углекислого газа, образующегося в процессе метаболических превращений. 20% углекислого газа в эритроцитах связывается непосредственно с гемоглобином через карбаминовую связь белковой молекулы гемоглобина, образуя карбогемоглобин.

Дыхание регулируется нервными и гуморальными механизмами, которые сводятся к обеспечению ритмической деятельности дыхательной системы (вдох, выдох) и адаптационных дыхательных рефлексов, то есть изменению частоты и глубины дыхательных движений, имеющих место при изменяющихся условиях внешней среды или внутренней среды организма.

Нервная регуляция дыхания осуществляется за счет дыхательного центра, расположенного в различных отделах ЦНС. Отсюда следует, что под дыхательным центром следует понимать совокупность нейронов, расположенных на различных уровнях ЦНС, которые обеспечивают ритмическую деятельность периферического дыхательного аппарата (вдох и выдох) и приспособительные дыхательные рефлексы. Показано, что дыхательные центры имеются в спинном мозге, которые представлены мотонейронами, иннервирующими дыхательные мышцы. Эти центры локализуются в передних рогах грудного и шейного отделов ЦНС. Как свидетельствуют наблюдения, спинальные дыхательные центры не в состоянии обеспечить дыхательный процесс (вдох и выдох), так как после отделения спинного мозга от продолговатого, дыхание у животных прекращается (рис. 5.8.). Ведущим дыхательным центром, как было установлено Н. А. Миславским в 1885 году, является дыхательный центр, расположенный в области продолговатого мозга (рис. 5.9.).

Ведущий дыхательный центр состоит из центра вдоха (инспираторный центр) и центра выдоха (экспираторный центр) которые находятся в тесной связи с ретикулярной формацией. В инспираторном центре различают два основных вида дыхательных нейронов — альфа- и бета-нейронов. При возбуждении дыхательных a-нейронов осуществляется вдох, в то время, как b-нейроны, возбуждаясь, тормозят a-нейроны и вызывают выдох. Бульбарный дыхательный центр организует вдох и выдох, а также осуществляет элементарные адаптационные дыхательные рефлексы. Дыхательные нейроны имеются в области варолиева моста (центр пневмотаксиса), роль которого заключается в том, что он участвует в обеспечении выдоха (генераторная или ритмообразующая функция). Бульбарный центр вместе с центром пневмотаксиса образует дыхательный бульбарно-понтийный центр.

Дыхательные центры обнаружены в области гипоталамуса. Они принимают участие в организации более сложных адаптационных дыхательных рефлексов, необходимых при изменении условий существования организма. Кроме того, дыхательные центры размещаются и в коре головного мозга, осуществляя высшие формы адаптационных процессов. Наличие дыхательных центров в коре головного мозга доказывается образованием дыхательных условных рефлексов, изменениями частоты и глубины дыхательных движений, имеющих место при различных эмоциональных состояниях, а также произвольными изменениями дыхания.

Остановимся на ритмообразующей функции дыхательного центра, то есть на организации вдоха и выдоха. Эта функция, как известно, связана с деятельностью дыхательного бульбарно-понтинного центра, имеющего связи со многими рефлексогенными зонами: а) с рецепторами легких, б) проприорецепторами дыхательных мышц, особенно межреберных, в) хеморецепторами сосудистых рефлексогенных зон и продолговатого мозга.