Система дыхания
Дыхание и его этапы
Дыхание — это совокупность процессов, участвующих в обеспечении организма кислородом (O₂) и выведении из организма углекислого газа (CO₂).
Кислород необходим для выработки энергии.
Углекислый газ — это отходы производства энергии, которые необходимо удалять.
В организме различают пять этапов дыхания:
Мы поочерёдно рассмотрим все этапы дыхания и то, как организм их регулирует.
Кислород необходим для выработки энергии.
Углекислый газ — это отходы производства энергии, которые необходимо удалять.
В организме различают пять этапов дыхания:
- Внешнее (лёгочное) дыхание — газообмен между атмосферным воздухом и лёгкими (вентиляция).
- Лёгочная диффузия (лёгочный обмен) — газообмен между альвеолами лёгких и кровью.
- Транспорт газов кровью — перенос газов сердечно-сосудистой системой между лёгкими и тканями.
- Тканевый обмен — диффузия газов между капиллярами и тканями по градиенту давления.
- Тканевое (клеточное) дыхание — потребление кислорода органами, в основном их митохондриями, для ресинтеза АТФ.
Мы поочерёдно рассмотрим все этапы дыхания и то, как организм их регулирует.
Система внешнего дыхания
Система внешнего дыхания подразделяется на верхние и нижние дыхательные пути:
Верхние дыхательные пути:
В состоянии покоя воздух, как правило, втягивается в лёгкие через нос — это оптимальный способ, поскольку в носовой полости воздух кондиционируется (согревается, увлажняется), частично очищается от пыли и обеззараживается.
Но при высокой потребности в воздухе необходимо дополнительно подключать дыхание через рот. С позиций спортивной физиологии это объясняется ростом аэродинамического сопротивления: когда лёгочная вентиляция превышает 35–45 л/мин, сопротивление узких носовых путей становится слишком энергозатратным, и атлет рефлекторно открывает рот.
Верхние дыхательные пути:
- Нос (рот) и носовая полость.
- Глотка (перекрёсток дыхательной и пищеварительной систем).
- Гортань (здесь расположены голосовые связки).
- Трахея.
- Бронхи и бронхиолы (бронхиальное дерево).
- Гроздья альвеол (газообмен).
В состоянии покоя воздух, как правило, втягивается в лёгкие через нос — это оптимальный способ, поскольку в носовой полости воздух кондиционируется (согревается, увлажняется), частично очищается от пыли и обеззараживается.
Но при высокой потребности в воздухе необходимо дополнительно подключать дыхание через рот. С позиций спортивной физиологии это объясняется ростом аэродинамического сопротивления: когда лёгочная вентиляция превышает 35–45 л/мин, сопротивление узких носовых путей становится слишком энергозатратным, и атлет рефлекторно открывает рот.
Строение носовой полости
Носовая полость разделена перегородкой на две половины. Внутри каждой из половин есть горизонтальные выступы, называемые раковинами. Они могут менять величину и форму за счёт кровенаполнения и мягко регулируют воздушные потоки.
Три раковины разделяют носовую полость на три носовых хода — верхний, средний и нижний.
Верхние и средние носовые ходы существенно связаны с обонянием — здесь находятся обонятельные рецепторы (обонятельный эпителий).
Три раковины разделяют носовую полость на три носовых хода — верхний, средний и нижний.
Верхние и средние носовые ходы существенно связаны с обонянием — здесь находятся обонятельные рецепторы (обонятельный эпителий).
Микроснимок мерцательного эпителия
Нижние связаны с фильтрацией — они содержат слизь и ворсинки (мерцательный эпителий), которые задерживают вдыхаемые бактерии, пыль и прочие посторонние частицы, выметая их в глотку (до 0,5 л слизи в день).
Ворсинки и слизь находятся не только в нижних ходах, но там наиболее высока их концентрация.
Ещё одна функция носовой полости — увлажнение и согревание воздуха. Сосуды слизистой быстро согревают и увлажняют вдыхаемый воздух, предотвращая пересыхание альвеол и спазмы дыхательных путей (что особенно важно при зимних видах спорта).
Ворсинки и слизь находятся не только в нижних ходах, но там наиболее высока их концентрация.
Ещё одна функция носовой полости — увлажнение и согревание воздуха. Сосуды слизистой быстро согревают и увлажняют вдыхаемый воздух, предотвращая пересыхание альвеол и спазмы дыхательных путей (что особенно важно при зимних видах спорта).
Клеточное строение мерцательного эпителия
Ворсинки и слизь, защищающие дыхательные пути, находятся на всём пути от ноздрей до альвеол.
Посторонние частицы вязнут в слизи, частично обеззараживаются находящимся в ней лизоцимом (мурамидазой) и выводятся при помощи ресничек.
Реснички, ритмично перемещаясь, проталкивают слизь к глотке (от носа — вниз, из трахеи и бронхов — вверх), где она рефлекторно проглатывается и безопасно переваривается в кислоте желудка. Повреждение мерцательного эпителия (ожоги, инфекции, курение) может привести к целому ряду осложнений, связанных с загрязнением дыхательных путей.
Посторонние частицы вязнут в слизи, частично обеззараживаются находящимся в ней лизоцимом (мурамидазой) и выводятся при помощи ресничек.
Реснички, ритмично перемещаясь, проталкивают слизь к глотке (от носа — вниз, из трахеи и бронхов — вверх), где она рефлекторно проглатывается и безопасно переваривается в кислоте желудка. Повреждение мерцательного эпителия (ожоги, инфекции, курение) может привести к целому ряду осложнений, связанных с загрязнением дыхательных путей.
Носовые пазухи в черепе человека
Носовую полость окружают околоносовые пазухи — полости в черепе, которые соединены с носом небольшими отверстиями и наполнены воздухом.
Они помогают воздуху лучше согреваться и увлажняться. И, как резонаторы, они усиливают звук голоса.
Изменение голоса во время простуды зачастую связано с тем, что пазухи оказываются забиты.
Они помогают воздуху лучше согреваться и увлажняться. И, как резонаторы, они усиливают звук голоса.
Изменение голоса во время простуды зачастую связано с тем, что пазухи оказываются забиты.
Строение носоглотки
Сразу за носовой (ротовой) полостью следует глотка.
Глотка — это мышечная трубка, через которую проходит пища и воздух. Это «перекрёсток» дыхательной и пищеварительной систем. Важнейшая функция глотки — разделение потоков воздуха и пищи.
Для корректного разделения систем существует два клапана:
Для корректного разделения систем существует два клапана:
Кроме того, пищевод обычно сжат сфинктером, чтобы не пропускать воздух в желудок. Если пытаться использовать обе системы одновременно, например активно говорить или смеяться во время еды, то клапаны могут срабатывать плохо — отсюда «чай выплескивающийся через нос» и прочие неприятные казусы.
Глотка — это мышечная трубка, через которую проходит пища и воздух. Это «перекрёсток» дыхательной и пищеварительной систем. Важнейшая функция глотки — разделение потоков воздуха и пищи.
Для корректного разделения систем существует два клапана:
Для корректного разделения систем существует два клапана:
- Мягкое нёбо — закрывает носоглотку при глотании, поднимаясь.
- Надгортанник — закрывает гортань при проглатывании, опускаясь.
Кроме того, пищевод обычно сжат сфинктером, чтобы не пропускать воздух в желудок. Если пытаться использовать обе системы одновременно, например активно говорить или смеяться во время еды, то клапаны могут срабатывать плохо — отсюда «чай выплескивающийся через нос» и прочие неприятные казусы.
Слева - строение глотки. Справа - положение голосовых связок в разных ситуациях
Гортань — трубчатый участок с хрящевым скелетом, соединяющий глотку с трахеей.
Здесь крепятся голосовые связки. При прохождении воздуха они вибрируют, формируя звук.
Голосовые связки управляются отдельными мышцами, и от их напряжения зависит форма голосовой щели, а значит громкость и тональность звуков.
Управление этими мышцами — такой же тренируемый двигательный навык, как и навык ходьбы (он развивается при изучении языков или вокале).
Голосовая щель выполняет и барьерную функцию. При глотании она закрывается, защищая лёгкие от попадания пищи и жидкости. В спорте плотное смыкание голосовой щели используется при выполнении манёвра Вальсальвы (натуживании) для стабилизации грудной клетки при подъёме тяжёлых весов.
Здесь крепятся голосовые связки. При прохождении воздуха они вибрируют, формируя звук.
Голосовые связки управляются отдельными мышцами, и от их напряжения зависит форма голосовой щели, а значит громкость и тональность звуков.
Управление этими мышцами — такой же тренируемый двигательный навык, как и навык ходьбы (он развивается при изучении языков или вокале).
Голосовая щель выполняет и барьерную функцию. При глотании она закрывается, защищая лёгкие от попадания пищи и жидкости. В спорте плотное смыкание голосовой щели используется при выполнении манёвра Вальсальвы (натуживании) для стабилизации грудной клетки при подъёме тяжёлых весов.
Строение трахеи
Трахея — трубка из хрящевых полуколец, благодаря которым дыхательные пути не сминаются и всегда способны пропускать воздух, в том числе при работе защитных кашлевых рефлексов.
Задняя стенка, соприкасающаяся с пищеводом — мягкая, состоит из гладких мышечных волокон и соединительной ткани. Это позволяет пищеводу вдавливаться в трахею при проглатывании крупной пищи. Именно с трахеи начинается так называемое анатомическое мёртвое пространство — объём воздухоносных путей, который не участвует в газообмене.
Задняя стенка, соприкасающаяся с пищеводом — мягкая, состоит из гладких мышечных волокон и соединительной ткани. Это позволяет пищеводу вдавливаться в трахею при проглатывании крупной пищи. Именно с трахеи начинается так называемое анатомическое мёртвое пространство — объём воздухоносных путей, который не участвует в газообмене.
Бронхиальное дерево
Доходя до лёгких, трахея делится на два главных бронха, по одному к каждому лёгкому. В отличие от трахеи, у бронхов уже замкнутые хрящевые кольца.
Главные бронхи разветвляются на более мелкие, хрящевые кольца становятся тоньше, а мелкие бронхиолы полностью лишены хрящей (хотя в них остаются хрящевые фрагменты, не дающие им полностью спадаться).
В среднем у бронхиального дерева человека около 23 ветвлений. А с учётом того, что ветвления могут не только раздваивать, но и разделять бронхи на 3 и более ветвей, суммарное количество разветвлений составляет уже около 20 000 000.
Просвет бронхиол регулирует гладкая мускулатура, что критически важно для быстрой адаптации к потребностям организма. Например, выброс адреналина при физической нагрузке вызывает симпатическую бронходилатацию — бронхи расширяются, снижая сопротивление потоку воздуха.
Главные бронхи разветвляются на более мелкие, хрящевые кольца становятся тоньше, а мелкие бронхиолы полностью лишены хрящей (хотя в них остаются хрящевые фрагменты, не дающие им полностью спадаться).
В среднем у бронхиального дерева человека около 23 ветвлений. А с учётом того, что ветвления могут не только раздваивать, но и разделять бронхи на 3 и более ветвей, суммарное количество разветвлений составляет уже около 20 000 000.
Просвет бронхиол регулирует гладкая мускулатура, что критически важно для быстрой адаптации к потребностям организма. Например, выброс адреналина при физической нагрузке вызывает симпатическую бронходилатацию — бронхи расширяются, снижая сопротивление потоку воздуха.
Альвеолы плотно оплетены капиллярной сетью
Заканчиваются бронхиолы гроздьями (ацинусами) альвеол.
Альвеола — структурно-функциональная единица дыхательной системы, сферический пузырёк, через который происходит обмен газов между лёгкими и кровью.
В лёгких взрослого человека около 480 млн альвеол, а их суммарная площадь для газообмена составляет порядка 70–80 м², что сопоставимо с половиной волейбольной площадки. Снаружи альвеолы плотно оплетает капиллярная сеть.
В состоянии покоя верхние отделы лёгких вентилируются, но слабо кровоснабжаются из-за влияния гравитации. При интенсивной физической нагрузке давление в лёгочной артерии возрастает, что позволяет преодолеть этот гравитационный барьер и рекрутировать (раскрыть) резервные капилляры в верхушках лёгких.
Альвеола — структурно-функциональная единица дыхательной системы, сферический пузырёк, через который происходит обмен газов между лёгкими и кровью.
В лёгких взрослого человека около 480 млн альвеол, а их суммарная площадь для газообмена составляет порядка 70–80 м², что сопоставимо с половиной волейбольной площадки. Снаружи альвеолы плотно оплетает капиллярная сеть.
В состоянии покоя верхние отделы лёгких вентилируются, но слабо кровоснабжаются из-за влияния гравитации. При интенсивной физической нагрузке давление в лёгочной артерии возрастает, что позволяет преодолеть этот гравитационный барьер и рекрутировать (раскрыть) резервные капилляры в верхушках лёгких.
Альвеолоциты I и II типа
Изнутри альвеолы покрывает сурфактант — жироподобная плёнка, которая препятствует слипанию альвеол на выдохе.
Клетки альвеол называются альвеолоцитами. Они бывают двух типов:
Клетки альвеол называются альвеолоцитами. Они бывают двух типов:
- Тип I (респираторные) — отвечают за газообмен (95% площади).
- Тип II (гранулярные) — выделяют сурфактант (5% площади).
Газообмен в альвеолах
Обмен газами между кровью и альвеолярным воздухом очень лёгок, потому что разделяет их только тончайший аэрогематический (воздушно-кровяной) барьер: один слой альвеолоцитов + базальная мембрана + эндотелий капилляра.
Газообмен осуществляется по принципу диффузии — газы переходят из области с большим давлением (где их много) в область с меньшим давлением (где их мало).
Таким образом, O₂ активно проходит из альвеол в кровь, а CO₂ — из крови в альвеолы. Высокая площадь контакта и минимальная толщина барьера обеспечивают высокую скорость насыщения крови кислородом даже при самой интенсивной физической нагрузке.
Газообмен осуществляется по принципу диффузии — газы переходят из области с большим давлением (где их много) в область с меньшим давлением (где их мало).
Таким образом, O₂ активно проходит из альвеол в кровь, а CO₂ — из крови в альвеолы. Высокая площадь контакта и минимальная толщина барьера обеспечивают высокую скорость насыщения крови кислородом даже при самой интенсивной физической нагрузке.