Читать книгу Сборник статей и публикаций 2012-2013 гг. В двух частях. Часть II - Фёдор Шкруднев - Страница 15

Вот в чем вопрос

Термин дыхание используют для обозначения тех процессов, при помощи которых животные и растения потребляют кислород, отдают углекислоту и переводят энергию в форму, доступную для биологического использования, например, в форму химической энергии, заключенной в фосфатных связях АТФ (аденозинтрифосфата) (при t=3.6 К).

Рис. 1. Правильное дыхание человека

Специализированный орган должен иметь тонкую стенку (мембрана этой стенки должна быть полупроницаемой), чтобы не препятствовать диффузии; он должен всегда иметь влажную поверхность, чтобы кислород и углекислота могли быть растворены в воде (растворять лучше в отдельной пробирке); наконец, он должен хорошо снабжаться кровью. При непрямом дыхании газообмен между клетками тела и средой включает две фазы – внешнюю и внутреннюю. Внешнее дыхание состоит в обмене газами путем диффузии между внешней средой и кровью при помощи специализированного органа, например, легкого у млекопитающих. Внутреннее дыхание заключается в газообмене между кровью и клетками тела. Перенос газов между двумя этими фазами осуществляет система кровообращения. Проследим путь молекулы кислорода, входящих в организм.

Рис. 2. Дыхательная система человека

Воздух входит через наружные носовые отверстия, или ноздри, которые ведут в носовую полость – большое пространство, находящееся выше ротовой полости и ниже головного мозга (а если Мозг ниже талии, то место?..) Носовая полость содержит орган обоняния и выстлана эпителием, отделяющим слизь. Проходя через эту полость, воздух очищается от пыли и согревается (до 32 градусов). Когда капилляры носовой полости чрезмерно расширяются, вызывая избыточное образование слизи, то появляется насморк (у чиновника при получении взятки ноздри расширяются без насморка). Из носа воздух проходит через внутренние ноздри, или хоаны, в глотку, где перекрещиваются пути пищеварительной и дыхательной систем.

Пища проходит из гортани в желудок, а воздух идет дальше через гортань и трахею. Для того чтобы пища не попадала в гортань и трахею и не повреждала нежные оболочки, выстилающие эти органы, при каждом проглатывании пищи отверстие гортани прикрывается особым хрящом, называемым надгортанником.

К счастью, это происходит автоматически, и нам не приходится всякий раз, когда мы глотаем, вспоминать о том, что нужно закрыть надгортанник (Буш однажды его не закрыл). Изредка этот автоматический механизм подводит нас, и пища попадает «не в то горло». Гортань, иногда образующая видимый снаружи выступ – кадык, содержит голосовые связки – эпителиальные складки, которые при прохождении между ними воздуха вибрируют, производя звук. Натяжение голосовых связок регулируется особыми мышцами, что позволяет выдавать звуки разной высоты (при постукивании по кадыку издается характерный звук бутылочного стекла). Трахею, или горло, можно отличить от пищевода по хрящевым кольцам, находящимся внутри ее стенок и не позволяющим ей спадаться. Во время вдоха давление воздуха в трахее ниже атмосферного, и без хрящевых колец она была бы сдавлена.

На уровне прикрепления первого ребра к грудине (отсчет ребер от копчика) трахея разветвляется на два хрящевых бронха, идущих в легкие.

Внутри легкого каждый бронх разветвляется на бронхиолы, которые в свою очередь повторно ветвятся на все более узкие трубочки, ведущие к концевым полостям – альвеолярным мешочкам. В стенках наиболее тонких бронхиол и альвеолярных мешочков находятся мельчайшие чашеобразные полости, называемые альвеолами, окруженные густой сетью кровеносных капилляров.

Стенки альвеол тонки и влажны (заранее пропитаны С₂Н₅ОН), что позволяет молекулам газов (все известные и неизвестные газы) легко проходить через них в капилляры.

По приблизительной оценке общая площадь альвеол, через которую могут диффундировать газы, составляет свыше 100 м², то есть в 50 с лишним раз больше поверхности кожи. Стенки трахеи и бронхов состоят из внутреннего эпителиального слоя, наружного соединительно-тканного слоя и среднего слоя, содержащего хрящевые кольца и гладкие мышечные волокна (у человека, страдающего астмой, эти мышечные волокна чрезмерно сильно сокращаются, что вызывает сужение просвета мелких бронхов и затрудняет дыхание). В эпителии содержатся ресничные клетки. Биение ресничек происходит непрерывно в одном направлении, и когда твердые частицы, например пылинки, попадают на влажную поверхность эпителия, они задерживаются выделяемой эпителием слизью, и биение ресничек выносит их обратно. Это к глотке важный механизм защиты организма от вдыхаемых бактерий (некоторые бактерии тоже имеют реснички).

По мере того, как бронхиолы и их разветвления становятся уже, стенки их делаются тоньше, хрящевой слой исчезает, а ресничные клетки замещаются плоским эпителием. Стенки альвеол состоят только из одного слоя плоских эпителиальных клеток. Предполагалось, что альвеолярный эпителий также однослойный, однако исследования при помощи электронного микроскопа показали, что он состоит из двух слоев – альвеолярного эпителия и эндотелия капилляров, отделяющего воздух, находящийся в альвеолах, от крови. Между альвеолами расположены поддерживающие их тяжи эластичной соединительной ткани. Это придает легким такую эластичность, что, если непосредственно после извлечения из тела животного надуть их через трахею, как воздушный шар, и после этого открыть отверстие трахеи, то они, благодаря своей упругости, сжимаются и выталкивают воздух наружу. Легкое снабжено как двигательными нервами, идущими к гладкой мускулатуре бронхов и бронхиол, так и чувствительными нервами, разветвляющимися повсюду (известно, что если этот нерв обмакнуть в кураре, остальное можно не рассматривать).

Каждое легкое, как и внутренняя поверхность грудной полости, в которой находятся легкие, покрыто тонким слоем гладкого эпителия, называемого плеврой. Оба листка плевры всегда влажны, что уменьшает трение, когда легкие при дыхании двигаются в грудной полости. Давление в плевральной полости (между двумя листками плевры) обычно бывает меньше атмосферного (в ряде случаев легкие можно поменять местами). Легкие в силу своей упругости стремятся отойти от грудной стенки, в результате чего в грудной полости создается частичный вакуум. При воспалении плевры ее эпителий выделяет жидкость, скапливающуюся в полости между легким и грудной клеткой; это состояние называется плевритом. В случае тяжелого туберкулеза иногда необходимо бывает вызвать спадение одного легкого, чтобы предоставить покой инфицированным тканям. Этого достигают, прокалывая грудную стенку и впуская в грудную полость стерильный воздух; в результате легкое спадает благодаря своей собственной эластичности.

Механика процесса дыхания

Необходимо ясно различать дыхание как одну из основных жизненных функций, то есть газообмен между клеткой и окружающей средой (который состоит у человека из трех фаз: внешнего дыхания, переносов газов кровью и внутреннего дыхания), и внешнее дыхание – механический процесс наполнения легких воздухом (вдох) и выпускание этого воздуха наружу (выдох). Так как кровь легочных капилляров непрерывно удаляет из альвеолярного воздуха кислород и отдает взамен углекислоту, необходимость смены воздуха в легких очевидна.

Рис. 3. Дыхание – одна из основных жизненных функций

У человека цикл дыхания, состоящий из вдоха и выдоха, повторяется 15–18 раз в минуту. У человека и других млекопитающих строение и взаиморасположение ребер, мышц грудной клетки и диафрагмы обеспечивают большую подвижность этих элементов, что позволяет произвольно увеличивать или уменьшать объем грудной полости. Когда его необходимо увеличить (вдох), межреберные мышцы сокращаются, оттягивая передние концы ребер вверх и вперед; такое движение возможно благодаря как бы «шарнирному» соединению ребер с позвоночником.

В то же время диафрагма, образующая дно грудной полости, сокращается и становится менее выпуклой в своей верхней части, что тоже увеличивает полость. Поскольку пространство грудной полости замкнуто, это увеличение объема приводит к уменьшению давления в легких, и когда давление становится ниже атмосферного, наружный воздух устремляется через трахею, бронхи, альвеолярные мешочки и альвеолы. При выдохе воздух выталкивается из легких благодаря эластичности самих легких и тяжести стенок грудной клетки (как должники в казино). Во время вдоха легкие по мере наполнения их воздухом растягиваются.

После расслабления межреберных мышц ребра получают возможность вернуться в первоначальное положение, а одновременное расслабление диафрагмы ведет к тому, что под давлением органов, расположенных в брюшной полости, она вновь принимает куполообразную форму. В результате объем грудной полости уменьшается, что позволяет растянутой упругой ткани легких сжаться и вытолкнуть воздух, вошедший в легкие при вдохе. Во время мышечной работы пассивное расслабление межреберных мышц и диафрагмы происходит недостаточно быстро для того, чтобы воздух успел выйти из легких до начала следующего вдоха, и это уменьшение объема грудной полости производится путем сокращения мышц. Кроме мышц, поднимающих ребра при вдохе, имеется вторая группа мышц, волокна которых идут под прямым углом к первым; эти мышцы опускают передние концы ребер, уменьшая тем самым объем грудной клетки.