Лёгкие, грудная клетка и плевральная полость.

Дыхание — это механический процесс, основанный на базовых законах аэродинамики. Чтобы воздух поступил в лёгкие, давление внутри них должно стать ниже атмосферного, а чтобы вышел наружу — выше атмосферного. Эту разницу давлений создаёт дыхательная мускулатура, изменяющая объём грудной клетки.

В самих лёгких мышечной ткани нет, движение задают диафрагма и мышцы рёбер, за которыми лёгкие пассивно следуют по разнице давлений.

По своей архитектуре лёгкие напоминают огромную гроздь с миллионами микроскопических виноградин — альвеол. Анатомически они делятся на крупные сегменты — доли. В правом лёгком выделяют три доли, а в левом — только две. Такая асимметрия объясняется расположением сердца, которое занимает существенное пространство в левой половине грудной клетки. Снизу лёгкие подпирает диафрагма — куполообразная мышца с отверстиями, через которые проходят пищевод и крупные кровеносные сосуды.


Плевральная полость и отрицательное давление.

Лёгкие не крепятся к грудной клетке жёстко, а буквально «висят» на корне лёгкого — месте проникновения в них главных бронхов, нервов и сосудов.

Чтобы эта гигантская губчатая структура функционировала как единое целое и пассивно следовала за расширяющейся грудной клеткой при вдохе, каждое лёгкое погружено в герметичный мешок из соединительной ткани — плевру. Плевра образована двумя листками. Висцеральный (лёгочный) листок плотно покрывает лёгкое снаружи, а париетальный (пристеночный) листок выстилает грудную полость (рёбра) изнутри. Диафрагма также имеет свою плевру и отделена плевральной полостью.

Между листками имеется узкая щель — плевральная полость. В нормальном состоянии она практически не имеет объёма и заполнена только небольшим количеством серозной (смазочной) жидкости.

Главная причина того, что лёгкие «следуют» за грудной клеткой — это отрицательное (ниже атмосферного) давление в плевральной полости. Если принять атмосферное давление за условный ноль, то при спокойном выдохе давление в плевральной полости равно -4 мм рт. ст., а при вдохе опускается до -9 мм рт. ст. Это отрицательное давление действует как мощный физический вакуум, который «приклеивает» лёгкие к внутренней стенке грудной клетки и заставляет их растягиваться всякий раз, когда объём грудной полости увеличивается.

Пневмоторакс и автономность лёгких

Именно из-за этой физической зависимости, в случае ранения стенок грудной клетки и нарушения её герметичности, атмосферный воздух активно проникает в плевральную полость. Давление уравнивается, плевральный вакуум исчезает, и лёгкое мгновенно спадается (коллапсирует) за счёт собственной эластической тяги. Оно больше не может расправиться при вдохе.

Это явление называется пневмотораксом. В результате нарушается дыхание, а в тяжёлых случаях возникает угроза для жизни. Оно наглядно доказывает, что лёгкие полностью зависимы от целостности плеврального давления.

При этом важно отметить защитную анатомическую архитектуру: благодаря наличию средостения (перегородки между лёгкими), плевральные мешки полностью изолированы друг от друга. Поэтому при пневмотораксе одного лёгкого второе может продолжать функционировать нормально.

Механика вдоха (инспирация).
Вдох — это всегда активный процесс. В состоянии покоя наружные межрёберные мышцы сокращаются, приводя в движение рёбра и грудину: рёбра поднимаются и выпячиваются, а грудина подаётся вперёд. В то же время диафрагма сокращается, опускаясь к брюшной полости.

Эти скоординированные действия расширяют грудную клетку во всех трёх измерениях, пропорционально увеличивая объём лёгких. Возникает разрежение: тот же объём газа внутри альвеол распределяется по большему пространству, давление падает. Образовавшуюся пустоту стремится заполнить атмосферный воздух — он заходит внутрь и раздувает лёгкие.

Дыхательная система создана с колоссальным запасом надёжности: для спокойного дыхания достаточно только межрёберных мышц или только диафрагмы. Это хорошо видно в условиях, когда работа одной из зон блокируется. Например, движения диафрагмы ограничиваются при переедании или беременности, а движения грудной клетки — при ношении тяжёлого рюкзака или застревании в узком проходе. В таких случаях дыхание поддерживается за счёт включения резервных механизмов.

Во время форсированного или затруднённого дыхания (например, при тяжёлой физической нагрузке), вдоху дополнительно способствуют вспомогательные мышцы: лестничные, грудино-ключично-сосцевидные мышцы шеи и грудные мышцы. Они помогают поднимать ключицы и рёбра даже больше, чем при обычном дыхании.

Механика выдоха (экспирация).
Если вдох — это всегда активный процесс, то выдох может происходить как активно, так и пассивно.

Выдох в покое — это пассивный процесс, основанный на расслаблении мышц вдоха и упругих (эластических) силах лёгких и грудной стенки. Лёгкие пассивно сжимаются стенками грудной полости, и воздух выдавливается наружу.

При напряжённом дыхании, тяжёлых физических нагрузках или кашле используется активный выдох.

В работу включаются внутренние межрёберные мышцы, которые с силой тянут рёбра вниз. Критически важными являются мышцы брюшного пресса: их сокращение увеличивает внутрибрюшное давление, заставляя внутренние органы брюшной полости подниматься и давить на диафрагму. Это ускоряет её возвращение в выпуклое положение и опускает грудную клетку вниз и вовнутрь.

Помимо этого, форсированному выдоху могут способствовать широчайшие мышцы спины и квадратные мышцы поясницы. Активный выдох обеспечивает тонкую регуляцию воздушного потока, что важно как для интенсивного дыхания в спорте, так и для говорения (тонкая регуляция воздушного потока).

Лёгочные объёмы и ёмкости и мёртвое пространство.

Биомеханический потенциал дыхательной системы оценивают через лёгочные объёмы и ёмкости, которые измеряют спирометрией.

Самый базовый показатель — дыхательный объём: это количество воздуха, которое человек вдыхает и выдыхает при одном спокойном дыхательном цикле.

Если после обычного вдоха человек делает ещё максимально глубокий вдох, этот дополнительный воздух называется резервным объёмом вдоха. Если после обычного выдоха он продолжает выдыхать с усилием, удаляемый дополнительно воздух называется резервным объёмом выдоха.

Сумма дыхательного объёма, резервного объёма вдоха и резервного объёма выдоха образует жизненную ёмкость лёгких (ЖЁЛ) — максимальный объём воздуха, который можно выдохнуть после максимально глубокого вдоха. Этот показатель отражает не только размеры лёгких, но и подвижность грудной клетки, силу дыхательной мускулатуры и механические резервы всей системы внешнего дыхания.

Даже после самого глубокого выдоха лёгкие не опорожняются полностью: в них всегда остаётся остаточный объём воздуха. Он поддерживает расправление альвеол, препятствует их спадению и делает газообмен непрерывным даже между дыхательными циклами. Если к жизненной ёмкости лёгких прибавить остаточный объём, получится общая ёмкость лёгких — весь объём воздуха, который лёгкие способны содержать после максимально глубокого вдоха.

Отдельно важно понимать, что не весь вдыхаемый воздух участвует в газообмене. Анатомическое мёртвое пространство — это воздух, который заполняет трахею, бронхи и другие воздухоносные пути, где альвеол ещё нет, а значит, обмен кислорода и углекислого газа невозможен. Физиологическое мёртвое пространство включает анатомическое мёртвое пространство и те альвеолы, которые вентилируются, но по тем или иным причинам недостаточно перфузируются кровью.

У здорового человека в покое анатомическое и физиологическое мёртвое пространство близки по величине. Для спорта это имеет прямое практическое значение: при слишком поверхностном и частом дыхании значительная часть каждого вдоха остаётся в пределах мёртвого пространства и не доходит до альвеол. Именно поэтому на начальных ступенях нагрузки увеличение глубины дыхания эффективнее простого учащения: доля воздуха, реально достигающего зоны газообмена, возрастает, а альвеолярная вентиляция становится экономичнее.

Дыхательный насос (Respiratory pump).
Мощные перепады внутрибрюшного и внутригрудного давления, сопровождающие принудительное форсированное дыхание, выполняют важнейшую гемодинамическую функцию. Они работают как «дыхательный насос», который совместно с мышечным насосом в ногах помогает возвращать венозную кровь обратно к сердцу, способствуя восстановлению венозного объёма.

Механизм действия основан на разнице давлений: повышение внутрибрюшного давления (при выдохе или напряжении пресса) сдавливает вены, проталкивая кровь к сердцу. Когда давление снижается (на вдохе), вены возвращаются к своему первоначальному размеру и вновь наполняются кровью из нижних конечностей. Это обеспечивает бесперебойную работу сердца во время интенсивной физической активности.