ТЕМА ЛЕКЦИИ: ФИЗИОЛОГИЯ ДЫХАНИЯ ВЕХИ ИСТОРИИ 1661 — М. Мальпиги (М. Malpighi, Италия) ввел понятия «альвеолы» и «кровеносные капилляры». 1771 — А. Лавуазье (A. Lavoisier, Франция) назвал газ, исчезающий при дыхании животных и человека, кислородом и показал, что углекислый газ выделяется живыми организмами в количестве, эквивалентном потреблению кислорода. 1812 — С. Легаллуа (С. Legallois, Франция) путем перерезок доказал местонахождение дыхательного центра в продолговатом мозгу. 1842 — ф. Дондерс (F. Donders, Голландия) предложил механическую модель для изучения вентиляции легких. 1859 — И. М. Сеченов (Россия) заложил основы теории газообмена в легких и транспорт газов. Сконструировал прибор для извлечения газов из крови. 1868 — И. Брейер (J. Breuer, Австрия), К. Геринг (К. Hering, Германия) доказали, что растяжение легких является стимулом для нервных окончаний в легких, сигнал проводится по блуждающим нервам к дыхательному центру. Названо это явление «саморегуляцией дыхания», основанное на взаимосопряженных рефлексах (Геринга—Брейера). 1868 — Э. Пфлюгер (Е. Pfluger, Германия) доказал, что избыток углекислого газа и недостаток кислорода возбуждают дыхательный центр. 1882 — И. М. Сеченов (Россия) впервые обнаружил ритмическую автоматию нейронов дыхательного центра. 1882 — Н. Цунц (N. Zunz, Германия) ввел понятие «мертвое пространство». 1885 — Н. А. Миславский (Россия) доказал, что структура дыхательного центра продолговатого мозга состоит из инспираторного и экспираторного отделов. 1887 — П. Бер (Р. Bert, Франция) показал, что физиологическое действие газов, присутствующих в воздухе, зависит от их парциальных давлений. 1891 — Л. Фредерик (L. Fredericq, Бельгия) установил зависимость работы дыхательного центра от газового состава артериальной крови, установил существование истинного «химического апноэ» при избытке углекислого газа во вдыхаемом воздухе. 1898 — Б. Ф. Вериго (Россия) открыл изменения степени диссоциации оксигемоглобина в зависимости от напряжения CO2 в крови. 1904 — К. Бор (Ch. Bohr, Дания) впервые выявил своеобразную форму кривых диссоциации растворов гемоглобина — их двойной изгиб. 1915 — Г. Винтерштейн (G. Winterstein, Германия) установил, что изменение концентрации ионов водорода влияет на дыхание. 1915 — Дж. Холдейн (J. Haldane, Великобритания) определил состав альвеолярной смеси газов и вывел закономерности ее постоянства. 1920—1930—е — А. Крог (A. Krogh, Дания) доказал, что газообмен в легких осуществляется путем диффузии. 1926 — Э. Эдриан (Е. D. Adrian, Великобритания) впервые зарегистрировал активность нейронов дыхательного центра. 1928 — Дж. Баркрофт (J. Barcroft, Великобритания) предложил теорию транспорта гемоглобином кислорода и углекислого газа. 1929 — К. Нейергард (К. Neergard, Германия) установил зависимость эластической тяги легких от поверхностного натяжения жидкости в альвеолах. 1929 — П. Дринкер и Макконн (Р. Drinker, McKhann, США) впервые сконструировали аппарат для искусственной вентиляции легких,— «железные легкие». 1931 — О. Варбург (О. Warburg, Германия) — Нобелевская премия за открытие цитохромоксидазы. 1939 — К. Хейманс (С. Heymans, Бельгия) — Нобелевская премия за открытие роли синусного и аортального механизмов в регуляции дыхания. 1956 — Р. Баумгартен (R. Baumgarten, Германия) обнаружил два типа нейронов дыхательного центра в ретикулярной формации продолговатого мозга. 1960—е — Т. Лумсден (Т. Lumsden, Великобритания) доказал местонахождение пневмотаксического центра в среднем мозгу и его значение в регуляции дыхания. Дыхание — совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода, использование его в биологическом окислении и удаление из него углекислого газа. Жизнедеятельность любого организма сопряжена с энерготратами, в ходе которых происходит ферментативное расщепление богатых энергией веществ (макроэргов) и прежде всего аденозинтрифосфата (АТФ). Израсходованные источники энергии восстанавливаются сложными путями утилизации питательных веществ, завершающим звеном которых служит биологическое окисление; энергия высвобождается за счет отнятия у субстрата водорода и соединения последнего с атомарным кислородом( Точнее, происходит передача электронов и протонов по дыхательной цепи (сопряженные с биологическим окислением биохимические реакции в этой главе рассматриваться не будут; они излагаются в курсе биохимии) : 2Н + О → Н20 + энергия. В результате этих процессов от субстрата (как правило, это углевод) остаются углекислый газ и вода, например: C6H12O6 + 602 → 6С02 + 6Н20 + энергия. Поглощение живым организмом O2 и выделение СО2 и составляют сущность дыхания. Биологическое окисление происходит с помощью ферментов, локализованных на внутренних мембранах и кристах митохондрий — энергетических центрах клетки. Поэтому в понятие дыхания включают все процессы, связанные с доставкой О2 из окружающей среды внутрь клетки и с выделением СО2 из клетки в окружающую среду. Если у одноклеточных дыхательный газообмен совершается относительно просто, то по мере прогрессивной эволюции появляются специальные респираторные приспособления, дающие начало развитию разнообразных по строению и функции органов дыхания. Различают дыхание клеточное (тканевое) и внешнее (например, трахейное, жаберное, легочное). Рис. 1. Звенья газотранспортной системы организма 1 — вентиляция, 2 — аэрогематический барьер, 3 — транспорт газов кровью, 4 — гематопаренхиматозный барьер, 5 — ткани,клетки; сплошными линиями обозначен конвективный перенос газов, пунктирными — диффузионный. Перенос газов между клеткой и внешней средой складывается из двух процессов: диффузии и конвекции. Диффузией называют движение частиц вещества, приводящее к выравниванию его концетрации в среде. Молекулы газа в силу диффузии перемещаются из области большего его парциального давления в область, где его парциальное давление ниже. Диффузионный обмен газов — проникновение O2 извне и CO2 наружу _ полностью обеспечивает протекание биологического окисления у микроскопических организмов. Это так называемое прямое дыхание. Однако диффузия — процесс довольно медленный. Как показал в начале XX в. А. Крог, если расстояние, на которое должен транспортироваться кислород, превышает 0,5 мм, диффузия не успевает покрывать расход газа. В этом случае она дополняется несравненно более быстрым процессом — конвекцией — переносом О2 и СО2 с потоком газовой смеси и/или жидкости. Только конвективный перенос респираторных газов может обеспечить дыхание крупных организмов, величина которых измеряется подчас метрами. Место диффузии и конвекции в развитой газотранспортной системе организма в общем виде проиллюстрировано на рис. 1. Развитие того или иного звена этой системы, его структурно— функциональные особенности зависят от положения данного организма на эволюционной лестнице, среды обитания образа жизни. 1. ЭВОЛЮЦИЯ ТИПОВ ДЫХАНИЯ Дыхание принято считать неотъемлемым атрибутом всего живого. Однако неверно отождествлять появление дыхательной функции организмов с зарождением жизни на Земле. В раннем протерозое 2,6 млрд. лет назад атмосфера носила не окислительный, а восстановительный характер (она содержала метан, водород), поэтому первые живые существа могли использовать только анаэробные (бескислородные) источники энергии. Лишь к концу докембрия, примерно 600 млн. лет назад, в атмосфере, главным образом в результате жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов, появился свободный кислород, парциальное давление которого в ту пору еще не превышало 1 мм рт. ст. Тогда и стало развиваться собственно дыхание. Биологическое окисление оказалось более экономичным источником энергии, нежели бескислородные экзотермические реакции. Так, 1 моль глюкозы при полном ее окислении дает около 2880 кДж, тогда как при анаэробном расщеплении того же количества субстрата высвобождается всего 210 кДж. Следует, правда, помнить, что биологическое окисление стало не заменой а важнейшей надстройкой над анаэробными процессами, резко повысившей их энергетическую эффективность. Появление дыхания явилось мощным толчком для прогрессивной эволюции животного мира. 1.1. Дыхание беспозвоночных животных Водные беспозвоночные. Обитатели водной среды — колыбели жизни на нашей планете — получают растворенный кислород непосредственно из воды, в воду же отдают углекислый газ, образующийся в ходе биологического окисления. Прямое дыхание свойственно одноклеточным — простейшим (как, впрочем, и некоторым многоклеточным организмам, например личинкам насекомых). Диффузия респираторных газов через всю поверхность тела присуща губкам, плоским червям. Конвективный перенос газов появляется у иглокожих; у них наблюдается побуждаемый движением ресничек ток жидкости (где и растворяются газы) через полемическую полость. Здесь функция дыхания еще не отделена от питания и выделения. В процессе дальнейшего развития «внешний» конвективный транспорт газов дополняется «внутренним»: возникает кровеносная система. Впервые замкнутый контур циркуляции появляется у немертин: их кровь уже содержит химический переносчик кислорода — гемоглобин. Вообще же в кислородном транспорте участвуют различные пигменты (хлоркруорины, гемеретрины, гемоцианины и гемоглобины), встречающиеся у некоторых представителей ряда типов животных: круглых, плоских и кольчатых червей, моллюсков, иглокожих, членистоногих. Наземные беспозвоночные. Первые воздуходышащие многоклеточные появились в силурийский период. Выходу животных на сушу способствовало в числе прочих факторов обеднение водоемов кислородом при одновременном увеличении в атмосфере его парциального давления, которое в то время (около 450 млн. лет назад) было существенно ниже нынешнего. Молекулярный кислород в воздушной среде значительно доступнее, нежели в водной: скорость диффузии O2 в воздухе примерно в 300 тыс. раз выше, чем в воде. Правда, поглощение этого газа организмом обязательно проходит стадию растворения в жидкости, покрывающей газообменные поверхности. Этот принцип сохраняется на всех этапах эволюции. Первый из «сухопутных» типов дыхания встречается у кольчатых червей. Он осуществляется без посредства каких—либо респираторных органов. Газообмен происходит через увлажненный кожный покров, состоящий из однослойного эпителия и обильно снабженный кровеносными сосудами. Мышечные сокращения активно проталкивают кровь, содержащую гемоглобин, в глубокие ткани. Другой тип обмена газов со средой отмечается у брюхоногих моллюсков. Здесь появляются уже специализированные органы дыхания — примитивные жабры в виде постоянно увлажненных лепестков либо мантийная полость, открывающаяся наружу отверстиями — пневмостомами. Незамкнутая кровеносная система обеспечивает с участием гемоглобина перенос кислорода к тканям. Разнообразные формы дыхания встречаются у членистоногих. Предки этих животных обитали в воде, а многие (большая часть ракообразных) так и остались воднодышащими. С переходом на сушу листовидные жабры, связанные с конечностями, были преобразованы в мешковидные структуры, так называемые диффузионные легкие. Кислород из этих легких доставляется тканям через незамкнутую кровеносную систему с током гемолимфы, проталкиваемой трубчатым сердцем. Но у большинства членистоногих сформировались совсем новые органы дыхания — трахеи, проникающие глубоко в тело животного. Именно трахейный способ обмена газов характерен для насекомых. Рис. 2 Трахейная система насекомого 1 — трахеи, ведущие к крыльям, 2 — дыхальца, 3 — трахеальные стволы. Рис. 3 Парциальные давления О2, СО2 и N2, а также суммарное давление (Р) в пузырьке, захваченном водным насекомым при нырянии А— состояние в начале погружения, Б — после быстрого погружения на глубину 1 м, В — состояние на той же глубине спустя некоторое время. Стрелками показано движение молекул газа. Развитие системы трахей у насекомых было обусловлено, с одной стороны, наличием хитинового покрова, а с другой — очень высокими в расчете на единицу массы тела энерготратами и, следовательно, интенсивным потреблением кислорода (в полете оно увеличивается в десятки, а то и в сотни раз). Дыхательная система насекомого (рис. 2) сообщается с наружным воздухом посредством дыхалец (стигм). Каждое дыхальце ведет в полость и далее в широко ветвящиеся трубочки, трахеи, делящиеся в основном в соответствии с сегментами тела. Это ветвление завершают узкие короткие трахеолы, которые достигают клеточных мембран или даже проникают внутрь клеток до митохондрий. Основным механизмом трахейного дыхания служит диффузия газов, поддерживаемая разностью парциальных давлений между клетками и атмосферой. Кроме того, транспорт респираторных газов обеспечивается конвективными потоками, хотя и весьма непостоянными. Движение воздуха в трахеях вызывается ритмическими сокращениями туловища, которые управляются центрами, расположенными в ряде ганглиев нервной системы насекомого. Ритмические изменения объема груди в полете тоже содействуют вентиляции трахейной системы. Помимо того, дыхание регулируется в зависимости от потребностей тканей в кислороде открытием и закрытием дыхалец, а также активным перемещением кончиков трахеол и содержащейся в них жидкости — плазмы гемолимфы (сама гемолимфа существенной роли в газообмене не играет). Трахейное дыхание позволяет насекомому приспосабливаться к самым различным условиям жизни. Вместе с тем лежащий в основе данного типа газообмена механизм диффузионного транспорта ограничивает расстояние, на которое переносится кислород. Это одна из причин, препятствующих представителям самого многочисленного класса животных достичь сколько—нибудь значительных размеров. Некоторые водные насекомые (например, личинки москитов) дышат через водоотталкивающий сифон, выходящий из воды. Многие же при погружении захватывают с собой пузырьки воздуха. Так, жук — окаймленный плавунец (Dytiscus marginalise ныряет с пузырьками воздуха под крыльями или у заднего конца брюшка (рис. 3). При погружении насекомого происходит обмен газами между пузырьком и тканями через трахейную систему. Помимо того, может происходить обмен газами между пузырьком и водой, причем скорость этого процесса зависит от градиентов парциальных давлений (напряжений) газов и площади поверхности раздела «вода—воздух». 1.2. Дыхание позвоночных животных Все позвоночные обладают специализированными органами дыхания (за исключением некоторых амфибий, вторично утративших их). Эти органы, как правило, развиваются из выростов кишечной трубки (выше было указано на филогенетическую связь функций дыхания и питания). Общий принцип функционирования респираторных систем заключается в создании динамического контакта крови с газовой средой, в сочетании кровотока в сосудах органов дыхания (их перфузии) с прокачиванием через эти органы воды или воздуха (их вентиляции). Исключение составляет кожное дыхание амфибий, не требующее особого вентилирующего аппарата. Водное дыхание. Водное дыхание с помощью жабр присуще большинству рыб. Эти животные набирают воду в ротовую полость, после чего вода выталкивается через жаберные щели. Для извлечения кислорода используется принцип противотока (рис. 4). Кровь в жаберных капиллярах течет навстречу воде, омывающей жаберные листки, чему способствует перемещение рыбы в пространстве. Высокая эффективность жаберного дыхания призвана компенсировать большие энерготраты на работу мускулатуры, которая осуществляет вентиляцию жабр водой. Этой мускулатурой управляет обособленный дыхательный центр Рис. 4. Жаберные дуги (четыре) у рыбы. (А), фрагмент двух жаберных дуг (Б), участок жаберной нити с тремя жаберными лепестками на каждой стороне (В), а также участок жабр костистой рыбы., в которых кровь и вода текут в противоположных направлениях (Г) 1 — жаберная крышка, 2 — констрикторная мышца, 3 — жаберные нити, 4 — жаберная полость, 5 — кровеносные сосуды, 6 — ротовая полость, 7 — жаберный скелет, 8 — пластины, 9 — поперечный срез через жаберную нить, 10 — перегородка, 11 — перегородочный канал, 12 — край пластины. в продолговатом мозгу, приближающийся по своей организации к дыхательному центру млекопитающих. Открытие ритмической активности структур изолированного ствола мозга золотой рыбки (Carassius auratus auratus) явилось важной вехой в познании автоматизма дыхательного центра. В связи с большой растворимостью СО2 в воде отдача его происходит легко, поэтому работа респираторного аппарата рыбы служит в основном обеспечению организма кислородом. Сигналы о содержании О2 в крови, поступающие от хеморецепторов жаберных сосудов, не только регулируют активность дыхательного центра рыбы, но и побуждают ее выбирать зоны водоема с физиологически оптимальной оксигенацией. Подобную поведенческую реакцию активного выбора предпочитаемой дыхательной среды называют газопреферендумом. Некоторые рыбы (угри) поглощают растворенный в воде кислород преимущественно не через жабры, а используя его диффузию через кожу. Переход от водного дыхания к воздушному. Многие рыбы, спорадически поднимаясь на поверхность водоемов или даже выходя на сушу и заглатывая воздух, дополняют водное дыхание воздушным, для чего используют богато васкуляризированные стенки ротовой полости, глотки, желудка, кишки либо особый дериват кишечной трубки — плавательный пузырь. Двоякодышащие рыбы. дышат воздухом уже с помощью нового специализированного органа — легкого, которое представляет собой складчатый мешочек (одиночный или парный), происходящий из вентрального выпячивания глотки. Немногочисленные виды двулегочникообразных рыб (Lepidosireniformes) обитают в тропических водах, плохо аэрируемых и к тому же подкисленных. Они не могут обходиться без воздушного дыхания. Рис. 5 Принцип функционирования респираторных систем позвоночных 1 — кровь, 2 — барьер, 3 — среда, 4 — органы дыхания, 5 — диффузия; Pi, Ре — парциальные давлен выдыхаемом воздухе (воде); Pa, Pv — то же в артериальной и венозной крови. Подобное изменение условий, очевидно, и способствовало массовому переходу водных позвоночных (это были кистеперые рыбы — предки амфибий) к воздушному дыханию в девонский период (около 400 млн. лет тому назад). Следует учесть, что в ту эпоху парциальное давление 02 в атмосфере было близко к современному. И если в 1 л воды, насыщенной воздухом при температуре О °С, содержится всего 0,014 г 02 (при 30 °С это количество уменьшается вдвое), то в 1 л воздуха его содержание составляет 0,28 г, т. е. в 20 раз больше. Кроме того, плотность воздуха более чем в 700 раз ниже, чем воды, поэтому его вентиляция через органы дыхания требует соответственно меньших энерготрат. На дыхание воздухом перешло большинство амфибий (во всяком случае их взрослые формы), хотя легкие земноводных развиты еще слабо: газообменная поверхность невелика, потоки венозной и артериальной крови в системе циркуляции разведены не полностью. Некоторая доля поглощаемого О 2 и большая часть выделяемого СО2 диффундирует не через легкие, а через увлажненную кожу, васкуляризация которой меняется в соответствии с интенсивностью кожного газообмена (рис. 5). Дыхательные движения амфибий (как и рептилий) характерны — этим они отличаются и от рыб, и от млекопитающих — длительными остановками, апноэ, во время которых вентилируется только щечно—глоточная полость при закрытой голосовой щели, отделяющей легкие от атмосферы. Лишь время от времени возникают координированные сокращения мышц рта и гортани, нагнетающие воздух в легкие и отсасывающие его обратно. Эти движения управляются нервными центрами ствола мозга в соответствии с импульсацией рецепторов растяжения легких, а также артериальных хеморецепторов, возбуждаемых недостатком кислорода в крови. Кроме того, у многих амфибий наблюдается поведенческая регуляция дыхания, газопреферендум: в зависимости от условий они избирают либо водную, либо воздушную среду. У наземных рептилий в связи с развитием ороговевающего покрова водное и кожное дыхание становится невозможным (за исключением ящериц). Данный этап эволюции дыхания знаменует окончательный переход от газообмена во влажной среде к «сухой» вентиляции, механизм которой уже почти такой же, как у млекопитающих. Газообменная поверхность легких значительно увеличивается за счет образования мелких ячеек, через густую сеть их сосудов протекает кровь уже обособившегося малого круга. Вместе с тем рептилии еще сохраняют прерывистый характер вентиляции легких, которые заполняются воздухом, однако путем не нагнетания его, а засасывания. Метаболизм эктотермных (пойкилотермных) позвоночных еще относительно низок, с чем связана сравнительно малая «пропускная способность» их дыхательного аппарата. Как полагают некоторые исследователи, это и явилось причиной неспособности ныне вымерших крупных рептилий адаптироваться к происшедшим в конце мезозоя резким изменениям в среде обитания. Значительно интенсивнее и устойчивее обменные процессы у эндотермов (гомойотермных животных) — млекопитающих и птиц. Происходит дальнейшее увеличение газообменной поверхности и кровоснабжения легких. В отличие от амфибий и рептилий вновь формируется ритмичный, без пауз, тип вентиляции легких. Существенно изменяется механизм регуляции дыхания из—за того, что весь CO2 у этих животных удаляется практически только легкими, а продукция его становится в связи с усилением окислительных процессов весьма интенсивной. Возникает затруднение в борьбе с накоплением угольной кислоты в тканях и крови. Поэтому у животных, дышащих исключительно легкими, хотя и увеличивается Роз артериальной крови, одновременно значительно возрастает Рсо2 (рис. 6), усиливается и мощность буферных систем. Рис. 6 Напряжение дыхательных газов в артериальной крови (РаО2 Pа CO2) у различных классов позвоночных Жаберное дыхание рыб обеспечивает их кислородом; Р CO2 крови у них низкое, поскольку CO2легко диффундирует через покровы тела в окружающую воду. Дыхательное поведение и жаберное дыхание рыб регулируются по кислороду. У тех рыб, которые в определенных условиях используют воздушное дыхание (а также у рептилий и млекопитающих), не только поступление О2, но и отдача CO2 в воздушную среду происходят только через легкие. Поэтому Р CO2 крови у воздушнодышащих животных гораздо выше, чем у воднодышащих, и этот параметр становится главным регулятором дыхания. Вместе с тем РO2 крови у водно— и воздушнодышащих различаются незначительно. В силу данных обстоятельств роль главного регулятора дыхания переходит от О 2 к СО2 и сопряженным с его транспортом ионам Н+, а ведущее значение в стимуляции ритмической активности дыхательного центра приобретают вместо артериальных хеморецепторов центральные (медуллярные) хемочувствительные зоны. Все эти особенности будут освещены в соответствующих разделах главы. Вместе с тем дыхание птиц настолько отличается от дыхания млекопитающих, что на нем следует остановиться особо. Дыхание птиц. Легкие птиц, имеющие губчатое строение, отличаются, во—первых, тем, что газообмен между воздухом и кровью происходит в так называемых воздушных капиллярах, «цилиндрических альвеолах» (по аналогии с мешковидными альвеолами млекопитающих) — и, во—вторых, проточной системой бронхов. Эта система устроена таким образом, что легкие с помощью нескольких воздушных мешков вентилируются свежим воздухом и при вдохе, и при выдохе (см. рис. 7). Такой тип дыхания придает легочному газообмену птицы высокую эффективность, необходимую для покрытия интенсивного расходования энергии, особенно в полете. Дыхательные движения грудной стенки создаются в основном сокращениями грудных и брюшных мышц. В полете вентиляции легких (которая помимо газообмена участвует в отдаче избыточного тепла) содействуют движения крыльев. Дыхательный центр птицы расположен в продолговатом мозгу. Его активность, как и у млекопитающих, контролируется импульсацией от медуллярных хеморецепторов, чувствительных к СО2 и ионам Н+, а также артериальных хеморецепторов, реагирующих, кроме того, и на недостаток О 2, что имеет значение для регуляции дыхания во время полета на больших высотах. В воздухоносных путях птицы находятся механорецепторы, стимуляция которых участвует в регуляции частоты и глубины дыхания. Там же имеются особые хеморецепторы, импульсация из которых усиливается при снижении внутрилегочной концентрации CO2. Стимуляция этих рецепторов угнетает активность дыхательного центра и снижает тем самым вентиляцию легких, предотвращая чрезмерное вымывание СО2 из организма, которое могло бы происходить в условиях полета. Рис. 7 Расположение воздушных мешков и легких у птиц (А), а также схема строения легкого птицы, (Б), бронхиального дерева и соединенных с ним воздушных мешков (В) 2. ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АКТ И ВЕНТИЛЯЦИЯ ЛЕГКИХ Дыхание человека и животных (рис. 8) можно разделить на ряд процессов: 1 — обмен газами между окружающей средой и альвеолами легких (внешнее дыхание), 2 — обмен газами между альвеолярным воздухом и кровью, 3 — транспорт газов кровью, 4 — обмен газами между кровью и тканями, 5 — потребление кислорода клетками и выделение углекислоты (клеточное, или тканевое, дыхание). Непременным условием протекания этих процессов является их регуляция, приспособление к потребностям организма. Физиология дыхания изучает первые четыре процесса, клеточное дыхание относится к компетенции биохимии. Респираторная система млекопитающих и человека обладает важнейшими структурно— физиологическими особенностями, отличающими ее от систем дыхания других классов позвоночных. 1. Легочный газообмен осуществляется путем возвратно—поступательной вентиляции альвеол, заполненных газовой смесью относительно постоянного состава, что способствует поддержанию ряда гомеостатических констант организма (см. рис. 5). 2. Главную роль в вентиляции легких играет строго специализированная инспираторная мышца — диафрагма, что обеспечивает известную автономию функции дыхания. 3. Центральный дыхательный механизм представлен рядом специализированных популяций нейронов ствола мозга и вместе с тем подвержен модулирующим влияниям вышележащих нервных структур, что придает его функции значительную устойчивость в сочетании с лабильностью. Обмен газов в легких (рис. 9) млекопитающих поддерживается их вентиляцией за счет возвратно— поступательного перемещения воздуха в просвете дыхательных путей, которое происходит в процессе вдоха и выдоха. Легкие млекопитающих резко отличаются от жабр рыб по строению и особенностям вентилляции. Эти различия обусловлены прежде всего тем, что вязкость и плотность Рис. 8 Блок—схема системы дыхания человека 1 — внешнее дыхание, 2 — аэрогематический барьер, 3 — транспорт газов кровью и тканевыми жидкостями, 4 — гематопаренхиматозный барьер, 5 — тканевое дыхание, 6 — нейрогуморальная регуляция дыхания, 7 — потоки энергии. Рис. 9 Трахея и легкие человека 1 — гортань, 2 — хрящ, 3 — трахея, 4 — легкое, 5 — легочная артерия, 6 — бронхиола, 7 — легочная вена, 8 — висцеральная плевра, Я — плевральная полость, 10 — париетальная плевра, 11 — альвеолярный мешочек, в котором находятся альвеолы, 12 — ветвь легочной вены, 13 — ветвь легочной артерии, 14 — терминальная бронхиола, 15 — дыхательная бронхиола, 16 — альвеолярный ход, 17 — альвеолы, 18 — капиллярная сеть в стенках альвеол. Рис. 10 Изменение парциальных давлений (напряжения) кислорода и углекислого газа в процессе газообмена между воздухом (А) или водой (Б) и тканями у наземных и водных животных воды приблизительно в 1000 раз больше, чем воздуха, а содержание молекулярного кислорода в воде в 3 раза меньше. Помимо того, в воздухе молекулы газа диффундируют в 10 000 раз быстрее, нежели в воде. Именно из—за этих особенностей, как правило, при дыхании воздухом газовая смесь попеременно поступает в легкие и удаляется из них, а при дыхании в воде жидкая среда постоянно обтекает жабры в одном направлении (рис. 10). 2.1. Дыхательные мышцы У позвоночных легкие развились из слепых выростов кишки и представляют собой сложное сплетение из трубочек и мешочков, между тем конкретные особенности их строения у разных видов существенно различаются. Уже у земноводных структура легких бывает различная: от гладкомышечного мешотчатого органа у некоторых хвостатых амфибий до более сложного Рис. 11. Зависимость площади дыхательной поверхности от массы тела для некоторых позвоночных животных (А), а также связь между площадью поверхности альвеол и потреблением кислорода у млекопитающих (в покое) (Б) образования, разделенного перегородками и складками на многочисленные камеры у лягушек и жаб. Количество отсеков у млекопитающих еще больше. Именно благодаря этому площадь дыхательной поверхности на единицу объема легких возрастает. У млекопитающих эта площадь значительно варьирует, принципиально она пропорциональна весу тела и потреблению кислорода (рис. 11). Мышцы, осуществляющие дыхательный акт, подразделяют на инспираторные и экспираторные, способствующие соответственно увеличению и уменьшению объема грудной полости, а также вспомогательные, которые включаются при форсированном дыхании. Основной инспираторной мышцей служит диафрагма. Установлено, что при спокойном дыхании именно диафрагма практически обеспечивает весь объем легочной вентиляции. Во время вдоха сокращение мышечных волокон диафрагмы ведет к уплощению обеих ее полусфер (куполов). Содержимое брюшной полости оттесняется, и грудная полость увеличивается в продольном направлении, а ее основание расширяется за счет поднятия каудальных ребер. Диафрагма работает синергично с другим инспиратором — наружными межреберными мышцами (рис. 12). Поэтому диафрагму рассматривают как систему двух мышц: реберной и поясничной частей, соединенных сухожильным центром. Первая часть функционально связана с межреберными мышцами параллельно, вторая — последовательно. Имея строение мышечных волокон, некоторыми чертами напоминающее миокард, и моносинаптическую связь с инспираторными нейронами дорсальной дыхательной группы продолговатого мозга, диафрагма как дыхательная мышца отличается особой автономностью и не участвует в других функциях (за исключением экспульсивных актов). Роль межреберных мышц неоднозначна. Сокращения наружных межреберных и межхрящевых внутренних межреберных мышц (краниальных межреберий), имея тенденцию к подниманию ребер и увеличению диаметра грудной клетки, помогают тем самым диафрагме выполнять ее инспираторную Рис. 12 Принципы, работы мышц—инспираторов А — диафрагма (I) и ее модель (II): 1 — ножка диафрагмы, 2— реберная часть диафрагмы, 3 — межреберные и вспомогательные мышцы, 4 — грудная клетка, 5 —легкое, 6 —живот; Б — движения ребер, позволяющие наружным межреберным мышцам увеличивать при вдохе переднезадний (верхние ребра) и поперечный (нижние ребра) диаметр грудной клетки:I — 1 ребро, II — IV ребро, прямым пунктиром показаны оси шеек ребер; стрелками — перемещение ребер при вдохе. Рис. 13. Важнейшие вспомогательные инспираторные мышцы (А) и вспомогательные экспираторные дыхате функцию (рис. 12). Напротив, задние (межкостные) участки внутренних межреберных мышц при своем сокращении вызывают опускание ребер и способствуют выдоху. К экспираторным относятся и мышцы брюшной стенки: их функция состоит в повышении внутрибрюшного давления, благодаря чему купол диафрагмы впячивается в грудную полость и уменьшает ее объем. К вспомогательным респираторным мышцам относят ряд мышц шеи, груди и спины, сокращение которых вызывает перемещение ребер, облегчая действие инспираторов либо экспираторов (рис. 13). 2.2. Дыхательный акт С момента рождения каждого млекопитающего легкие всегда находятся в более или менее растянутом состоянии. Это объясняется отрицательным давлением в плевральной полости, окружающей легкие. Оно противостоит эластической тяге легких — упругим силам, которые вызываются эластическими свойствами легочной ткани в сочетании с тонусом бронхиальных мышц и направлены на спадение легкого. В спавшемся состоянии легкие находятся у плода до рождения и первого вдоха, в спавшееся состояние они немедленно возвращаются, если в плевральную полости войдет воздух или газ, — наступает так называемый пневмоторакс. Во время вдоха, вызванного сокращением мышц—инспираторов, вследствие увеличения объема грудной полости отрицательное давление в плевральной полости возрастает (рис. 14). Поэтому, а также благодаря адгезивным силам, возникающим между прилегающими друг к другу париетальным и висцеральным листками плевры, легкие растягиваются еще больше. Увеличение легочного объема, в свою очередь, ведет к падению внутрилегочного (внутриальвеолярного) давления, что и служит причиной поступления в них через дыхательные пути атмосферного воздуха. Как только инспираторная мускулатура расслабляется, возросшая в ходе вдоха эластическая тяга легких возвращает их в исходное состояние. При этом из—за уменьшения объема легких давление в них становится положительным, воздух из альвеол устремляется через воздухоносные пути наружу. Таким образом, выдох в отличие от вдоха происходит пассивно, за счет высвобождения потенциальной энергии растянутых во время инспираторной фазы легких. Лишь при форсированном дыхании включаются мышцы—экспираторы, активно способствующие дополнительному уменьшению объема грудной полости, причем давление в плевральной полости может становиться положительным. Итак, дыхательный цикл (рис. 15) включает две фазы: вдох (инспирацию) и выдох (экспирацию). Обычно вдох несколько короче выдоха: у человека их соотношение равно в среднем 1 : 1,3. Соотношение компонентов Рис. 14.Схема изменения плеврального давления (Рпл) и альвеолярного давления (Ра) при вдохе (слева) и выдохе (справа). Рр — давление в полости рта, R — аэродинамическое сопротивление воздухоносных путей. Рис. 15. Фазы дыхательного цикла I — вдох, II — выдох, а — трансдиафрагмальное давление (разность между давлениями в грудной и брюшной полости), б — объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха (спирограмма), в — скорости инспираторного и экспираторного потоков, г — электрическая активность диафрагмы (электромиограмма). дыхательного цикла (длительность фаз, глубина дыхания, динамика давления и потоков в воздухоносных путях) характеризует так называемый паттерн дыхания. В процессе своей работы дыхательные мышцы преодолевают определенное сопротивление. Примерно около 2/3 его приходится на эластическое сопротивление тканей легких и грудной стенки. В свою очередь, около 2/3 эластического сопротивления легких создается за счет поверхностно—активных веществ — сурфактантов, тонким слоем выстилающих изнутри альвеолы. Сурфактанты в основном состоят из липопротеинов. Они стабилизируют сферическую форму альвеол, препятствуя их перерастяжению на вдохе и спадению на выдохе. Остальная часть усилий, развиваемых дыхательными мышцами, тратится главным образом на преодоление неэластического сопротивления газовому потоку в воздухоносных путях. Неэластическое сопротивление дыханию зависит от просвета воздухоносных путей — особенно голосовой щели, бронхов. Приводящие и отводящие мышцы голосовых складок, регулирующие ширину голосовой щели, управляются через посредство нижнего гортанного нерва группой нейронов, которые сосредоточены в области вентральной дыхательной группы продолговатого мозга. Такое соседство не случайно: во время вдоха голосовая щель несколько расширяется, на выдохе — сужается, увеличивая сопротивление потоку воздуха, что служит одной из причин большей длительности экспираторной фазы. Подобным же образом циклически меняются просвет бронхов и их проходимость. Тонус гладкой мускулатуры бронхов зависит от активности ее холинергической иннервации: соответствующие эфферентные волокна проходят в составе блуждающего нерва. Расслабляющее влияние на бронхиальный тонус оказывают симпатическая (адренергическая) иннервация, а также недавно открытая «неадренергическая тормозная» система. Влияние последней опосредуется некоторыми нейропептидами, а также микроганглиями, обнаруженными в мышечной стенке воздухоносных путей; определенный баланс между этими влияниями способствует установлению оптимального для данной скорости воздушных потоков просвета трахеобронхиального дерева. Рис. 16 Легочные объемы человека 1 — общая емкость легких, II — жизненная емкость легких. III — резервный объем вдоха, ГУ — дыхательный объем, V— резервный объем выдоха, VI — остаточный объем, VII — емкость вдоха, VIII — функциональная остаточная емкость; 1 — максимальный выдох, 2 — максимальный вдох, 3 — уровень спокойного выдоха. Нарушение регуляции бронхиального тонуса у человека составляет основу бронхоспазма, в результате которого резко уменьшается проходимость воздухоносных путей (обструкция) и повышается сопротивление дыханию. Холинергическая система блуждающего нерва участвует также в регуляции секреции слизи и движений ресничек мерцательного эпителия носовых ходов, трахеи и бронхов, стимулируя тем самым мукоцилиарный транспорт — выделение попавших в воздухоносные пути инородных частиц. Избыток слизи, характерный для бронхитов, также создает обструкцию и увеличивает сопротивление дыханию. Сопротивление дыханию при прочих равных условиях зависит от его паттерна. Чем глубже вдох, т. е. чем больше растягиваются легкие, тем больше эластический компонент этого сопротивления. Неэластический его компонент, наоборот, возрастает с увеличением скорости вдоха и выдоха, т. е. с учащением дыхательных циклов. Отсюда следует, что работа дыхательных мышц увеличивается при слишком глубоком и при чрезмерно частом дыхании. Благодаря рефлекторным механизмам саморегуляции организм, как правило, избирает оптимальный паттерн дыхания — такой, при котором затраты энергии на каждый литр вентилируемого воздуха наименьшие (рис. 16). Поэтому работа, выполняемая респираторными мышцами в покое, относительно невелика и составляет у человека всего 2—3% от общих энерготрат. Однако при форсированном дыхании (например, при физической нагрузке) она резко возрастает за счет увеличения эластического сопротивления избыточно растягиваемых легких и возникновения турбулентных потоков в воздухоносных путях, достигая 10% и более от суммарного расхода энергии. Объем воздуха, вдыхаемого за каждый дыхательный цикл, — глубина дыхания, или дыхательный объем, — составляет при спокойном дыхании относительно небольшую часть общей емкости легких. При увеличении легочной вентиляции этот объем возрастает за счет дополнительного воздуха (резервного объема), поступающего в легкие при вдохе и изгоняемого при выдохе. Если зафиксировать разницу между максимально глубоким вдохом и максимальным выдохом, получается величина жизненной емкости легких, в которую не входит так называемый остаточный объем, удаляемый только при полном спадении легких. Однако при спокойном дыхании легкие не опорожняются и до остаточного объема. Ту часть общей емкости легких, которая остается заполненной после обычного выдоха, т. е. при полном расслаблении дыхательных мышц, называют функциональной остаточной емкостью. В нее входит остаточный объем плюс резервный объем выдоха. 2.3. Вентиляция легких и внутрилегочный объем газов Легочной вентиляцией называют объем воздуха, вдыхаемого за единицу времени (обычно используют минутный объем дыхания). Таким образом, вентиляция — это произведение дыхательного объема на частоту дыхательных циклов. Однако в легочном газообмене участвует не весь вентилируемый воздух, а лишь та его часть, которая достигает альвеол. Дело в том, что примерно 1/3 дыхательного объема покоя приходится на вентиляцию так называемого мертвого пространства, заполненного воздухом, который непосредственно не участвует в газообмене и лишь перемещается в просвете воздухоносных путей при вдохе и выдохе (рис. 17). Следовательно, вентиляция альвеолярных пространств — альвеолярная вентиляция — представляет собой легочную вентиляцию за вычетом вентиляции мертвого пространства. Именно альвеолярная вентиляция обеспечивает обмен газов в легких. В воздухоносных путях происходит конвективный и диффузионный перенос газов (рис. 18). В ходе ветвления воздухоносных путей (рис. 19) их суммарное сечение значительно возрастает. Так, у человека от трахеи до альвеол насчитывают 23 таких ветвления (генерации), в ходе которых общая площадь поперечного сечения увеличивается в 4500 раз. Поэтому линейная скорость потока вдыхаемого воздуха по мере приближения к альвеолам постепенно падает. В трахее, бронхах и бронхиолах перенос газов происходит исключительно путем конвекции. В респираторных бронхиолах и альвеолярных ходах, где воздух движется очень медленно, к этому процессу присоединяется диффузионный обмен, обусловленный градиентом парциальных давлений дыхательных газов: молекулы О2 перемещаются в направлении альвеол, где Ро2 ниже, чем во вдыхаемом воздухе, а молекулы СО2 — в обратном направлении. Чем медленнее и глубже дыхание, тем интенсивнее идет внутрилегочная диффузия О2 и Co2 Происходящий в воздухоносных путях перенос газов направлен на поддержание постоянства парциального давления СО2 и СО2 в легочных альвеолах, где идет непрерывный обмен газов с кровью, протекающей через легочные капилляры. Газовая смесь, заполняющая альвеолы, так называемый альвеолярный газ, служит для млекопитающих своего рода внутренней атмосферой. Рис. 17 Направление потоков воздуха и диффузии кислорода (стрелки) в дыхательных отделах легких во время вдоха и выдоха Рис. 18 Схема действия факторов, влияющих на газообмен в легких Рис. 19 Схема ветвления воздухоносных путей (слева) и кривая суммарной площади поперечного сечения воздухоносных путей на уровне каждого ветвления (справа) Бр — бронхи; Бл — бронхиолы; КБл — конечные бронхиолы; ДБл — дыхательные бронхиолы; AX — альвеолярные ходы; А — альвеолы; Z — генерация дыхательных путей. Таблица 1 Газовый состав дыхательной среды и крови у человека (средние величины в покое) Среда Кислород Углекислый газ парциальное мм рт.ст. давление, содержание, об.% Вдыхаемый воздух 159 Выдыхаемый воздух 126 103 20,9 16,6 14,5 парциальное давление, мм рт. ст. 0,2 28 40 об. % Артериальная кровь 95 Венозная кровь 40 (смешанная) Артерио—венозная —55 разница 20. 15 40 46 50 54 —5 +6 +4 0,03 3,7 55 (Примечание. Альвеолярный газ считают полностью насыщенным водяным паром, парциальное давление которого здесь всегда равно 47 мм рт. ст.) Постоянство состава альвеолярного газа (табл. 1) обеспечивается регуляцией дыхания (точнее, альвеолярной вентиляцией) и является необходимым условием нормального протекания газообмена. Воздух, заполняющий мертвое пространство, играет роль буфера, который сглаживает колебания состава альвеолярного газа в ходе дыхательного цикла. Кроме того, мертвое пространство участвует в кондиционирующей функции воздухоносных путей — увлажнении и обогреве вдыхаемого воздуха за счет интенсивного кровоснабжения и секреции слизистой оболочки носовых ходов, носоглотки, гортани, трахеи и бронхов. Выдыхаемый воздух представляет собой смесь альвеолярного газа и воздуха мертвого пространства, поэтому его состав занимает промежуточное положение между составом вдыхаемого (атмосферного) воздуха и альвеолярного газа (табл. 1). В «чистом» виде альвеолярный газ выводится лишь с последней порцией выдоха. При повышении в организме энерготрат (например, при мышечной деятельности) увеличиваются потребление О2 и продукция СО2; регуляторные механизмы повышают альвеолярную вентиляцию путем сооответствующего увеличения глубины и/или частоты дыхания — развивается гиперпноэ, при котором состав альвеолярного газа остается нормальным. Если же рост вентиляции превышает потребность организма в газообмене (гипервентиляция), вымывание СО2 из альвеол возмещается поступлением его из тканей, альвеолярное Рсо2 падает (гипокапния). Напротив, при недостаточной вентиляции альвеол (гиповентиляции) в них накапливается избыток СО2 (гиперкапния), а при резком отставании вентиляции от газообмена, кроме того, снижается Ро2 (гипоксия). Соответствующие сдвиги –Рсо2 и Po2 развиваются при этом и в артериальной крови. 2.4. Соотношение вентиляции и перфузии легких Для нормального процесса обмена газов в легочных альвеолах необходимо, чтобы их вентиляция воздухом находилась в определенном соотношении с перфузией их капилляров кровью (рис. 20). Иными словами, минутному объему дыхания должен соответствовать минутный объем крови, протекающей через сосуды малого круга, а этот объем, естественно, равен объему крови, протекающей через большой круг. В обычных условиях вентиляционно—перфузионный коэффициент у человека составляет 0,8—0,9. Например, при альвеолярной вентиляции, равной 6 л/мин, минутный объем крови может составить около 7 л/мин. В отдельных областях легких соотношение между вентиляцией и перфузией может быть неравномерным. Резкие изменения этих отношений могут вести к недостаточной артериализации крови, проходящей через капилляры альвеол. Легочные сосуды относят к «емкостной системе». Их просвет в значительной степени зависит от внутригрудного и внутриальвеолярного давления. В малом круге давление крови низкое, что в нормальных условиях предотвращает выпотевание плазмы через альвеолокапиллярную мембрану и образование отека легких. Ширина сосудистого русла регулируется симпатической иннервацией. Имеются и местные механизмы, сопрягающие перфузию альвеол с их вентиляцией. Так, в тех альвеолах, которые не вентилируются или вентилируются воздухом с пониженным содержанием кислорода, капилляры спазмируются, предотвращая бесполезную перфузию. Легочный кровоток (рис. 21) в целом зависит от величины сердечного выброса, поэтому в конечном счете он управляется общими регуляторными механизмами сердечно—сосудистой системы. Отсюда тесная взаимосвязь между регуляцией дыхания и кровообращения, которая особенно ярко проявляется при мышечной деятельности. К этому следует добавить, что дыхательные колебания внутригрудного давления, действуя по принципу «двойного насоса», не только обеспечивают вентиляцию легких, но и помогают венозному возврату крови к сердцу. В свою очередь, пульсовые толчки давления в воздухоносных путях и альвеолах, вызванные сокращениями сердца, способствуют внутрилегочному смещению газов, создавая его кардиогенный компонент. Рис.20 Вентиляционно—перфузионное соотношение (1 : 10) в легких человека (А) и жабрах форели (Б) Рис. 21 Распределение кровотока в легких человека в вертикальном положении В прямоугольниках схематично показано состояние сосудов, проходящих в межальвеолярных перегородках разных отделов легких. pa — альвеолярное давление; Ра — артериальное давление; Рв — венозное давление. 2.5. Паттерны дыхания Необходимый для организма объем альвеолярной вентиляции может быть достигнут при разных паттернах дыхания. Так обозначают соотношение параметров внешнего дыхания: его длительности и дыхательного объема, т. е. частоты и глубины дыхания. Например, при объеме мертвого пространства 0,2 л альвеолярная вентиляция может осуществляться при частоте дыхания 10 цикл/мин и дыхательном объеме 0,8 л или при ином сочетании этих показателей. Какие же факты определяют это соотношение? Чем больше дыхательный объем, тем большее усилие дыхательных мышц необходимо приложить для преодоления эластической тяги легких. В то же время чем чаще дыхание, тем большее сопротивление создается ускоренному воздушному потоку в дыхательных путях. Следовательно, глубокое (хотя и медленное) и частое (хотя и поверхностное) дыхание сопряжено с увеличением энерготрат на вентиляцию легких. Организм избирает такой паттерн дыхания, при котором требуемый уровень альвеолярной вентиляции достигается с наименьшей затратой энергии на работу дыхательных мышц. Таким образом, соотношение между частотой и глубиной дыхания в конечном счете зависит от биомеханических свойств респираторной системы— аэродинамического сопротивления воздухоносных путей и растяжимости легких. Ритмичность дыхательных циклов относительна. Даже в условиях покоя низкоамплитудные дыхательные движения периодически сменяются движениями большой амплитуды, так называемыми вставочными вдохами, после которых наступает удлиненная пауза (рис. 22). Такие высокоамплитудные вдохи способствуют вентиляции альвеол застойных участков легких. Кроме того, структура дыхательного цикла у разных животных даже в нормальных условиях обитания неодинакова. Для мелких животных типичен двухфазный дыхательный цикл: вдох и выдох. У крупных он включает в себя вдох, выдох и паузу. Такой же цикл наблюдается у наркотизированных мелких животных. При различных состояниях организма, фармакологических воздействиях или неадекватных окружающих условиях наблюдаются расстройства дыхания. Все формы нарушения нормального дыхания объединяются термином «диспноэ». Часто встречается так называемое периодическое дыхание Чейна—Стокса: дыхательные движения постепенно углубляются и учащаются, что приводит к развитию гипервентиляции и гипокапнии. В результате частота и глубина дыхания уменьшаются вплоть до апноэ. Затем концентрация углекислоты в крови увеличивается, что в свою очередь приводит к новому нарастанию частоты и глубины дыхания. Причиной возникновения дыхания Чейна—Стокса могут быть функциональные изменения возбудимости центрального дыхательного механизма, наступающие в результате гипоксии, либо органического поражения дыхательного центра. Дыхание Чейна—Стокса наблюдается иногда у детей младшего возраста, у практически здоровых людей во время сна, а также в горах, где снижение парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе приводит к гипервентиляции и снижению парциального напряжения кислорода и углекислоты в крови. Рис.22 Паттерны дыхания А — нормальное дыхание; Б — дыхание Чейна—Стокса; апнейстическое дыхание; Г — дыхание типа «гаспинг». В — В некоторых случаях при повреждении головного мозга у млекопитающих дыхание становится таким же, как у животных, стоящих на более низких ступенях эволюции. При хронической гипоксии головного мозга или отделении перерезкой передней части моста среднего мозга дыхание напоминает «лягушачье» — после развития вдоха следует инспираторная задержка и короткий выдох (см. рис. 22). Такой тип дыхания называется апнейстическим. Он может быть вызван снижением тонического импульсного потока к нервным клеткам пневмотаксического центра, регулирующего соотношение фаз дыхательного цикла, или частичной блокадой сенсорной информации, поступающей по блуждающему нерву. Если устранены все влияния, исходящие из ростральных отделов центральной нервной системы, то дыхание приобретает судорожный характер — «гаспинг—дыхание» (от англ. gasp — задыхаться)с резким вдохом максимальной амплитуды, в котором принимают участие не только дыхательные мышцы, но и другая скелетная мускулатура. Выдох происходит активно. Дыхательные движения становятся редкими, с большими экспираторными паузами. «Гаспинг—дыхание» присуще черепахам и суркам во время спячки. Особый характер дыхания отмечен при одышке, т. е. при нарушении частоты и глубины дыхательных движений, сопровождающихся субъективным ощущением удушья. Возрастание частоты дыхания — физиологическая реакция системы на снижение парциального давления кислорода или повышение парциального давления углекислоты в крови. Рост частоты дыхания сопровождается уменьшением дыхательного объема и эффективности альвеолярной вентиляции, в результате чего расстройство дыхания усугубляется. Различают две формы одышки: инспираторную и экспираторную. Первая характеризуется затрудненным вдохом, увеличением его длительности, повышением энергозатрат дыхательной мускулатуры. Она возникает при сужениях верхних дыхательных путей различного происхождения. При экспираторной одышке нарушается механизм выдоха, увеличивается его продолжительность. Она типична для больных с изменениями вязкоэластических свойств легких или ригидностью грудной клетки, при различных формах патологии сурфактантной системы легких, например, при бронхиальной астме. Показатели дыхания человека приведены в табл. 2. Таблица 2 - Показатели дыхания человека Легочные объемы, л Общая емкость 6 Жизненная емкость 4,5 Функциональная остаточная 2,4 емкость Остаточный объем 1,2 Дыхательный объем 0,5 Объем мертвого пространства 0,15 Параметры вентиляции Частота дыхания 14 мин—1 Минутный объем дыхания 7 л/мин Альвеолярная вентиляция 5 л/мин Вентиляция мертвого пространства 2 л/мин Параметры газообмена Потребление 02 280 мл/мин Выделение СО2 230 мл/мин Дыхательный коэффициент 0,82 Диффузионная способность легких 30 мл мин—1 • мм рт. ст.—1(230 мл • мин—1 • для О2 кПа—1) Время контакта 0,3с Параметры механики дыхания Внутриплевральное давление: в конце выдоха — 5 см вод. ст. в конце вдоха — 0,8 см вод. ст. (— 8 кПа) Растяжимость легких 0,2 л/см вод ст. (2 л/кПа) Растяжимость грудной клетки 0,2 л/см вод. ст. (2 л/кПа) Растяжимость легких и грудной 0,1 л/см вод. ст. (1 л/кПа) клетки Сопротивление дыханию 2 см вод. ст. • с • л—1 (0,2 кПа • с • л—1) Функциональные пробы Относительный объем форсированного выдоха Максимальный дебит воздуха Максимальная вентиляция легких Показателя перфузии Альвеолярная вентиляция / перфузия Шунтовый кровоток / общий кровоток 75% 10л/с 100 л/мин 0,9 0,02 3. ТРАНСПОРТ ГАЗОВ МЕЖДУ ЛЕГКИМИ И ТКАНЯМИ Общая схема системы транспорта газов у млекопитающих представляется состоящей из двух последовательно соединенных насосов и двух диффузионных барьеров; последние служат для обмена газами между окружающей средой и тканями (рис. 23). Непрерывность измерения потребления кислорода и выделения углекислого газа в открытых системах основана на двух принципах: кратной порции и постоянного отсоса (рис. 24). Принцип кратной порции состоит в том, что испытуемый вдыхает свежий воздух через мундштук с двусторонним клапаном: нос при этом зажат зажимом. Количество выдыхаемого воздуха измеряют с помощью газометра (или пневмотахографа), который регулирует всасывающий насос таким образом, что небольшая порция выдыхаемого воздуха, по величине пропорциональная объемной скорости газового потока, отводится и собирается. Это устройство позволяет получать репрезентативные газовые пробы, содержащие пропорциональные количества всех компонентов выдыхаемого воздуха («кратная порция»). Принцип постоянного отсоса несколько иной, и заключается он в следующем. Рис. 23 Общая схема системы транспорта газов у млекопитающих, состоящая из двух последовательно соединенных насосов и из двух диффузных барьеров, предназначенных для обмена газами между окружающей средой и тканями Рис. 24 Принципы, непрерывного измерения потребления кислорода и выделения углекислого газа в открытых системах А — принцип кратной порции; Б — принцип постоянного отсоса. Испытуемый вдыхает и выдыхает газовую смесь через мундштук без клапанов (либо через маску или шлем), в то время как насос постоянно прогоняет к мундштуку поток свежего воздуха (в количестве большем, чем это требуется для дыхания). У ответвления, идущего к газовому анализатору, поток смешанного воздуха однороден, поскольку зависит только от интенсивности работы насоса, а не от минутного дыхательного объема. Когда быстро выдыхается большой объем воздуха, он может временно сохраняться в воздушном баллоне. Поскольку выдыхаемый воздух не выходит из системы через входное отверстие и работа насоса равномерна, непрерывно измеряемые изменения концентрации кислорода и углекислого газа у ответвления, идущего к газоанализатору, пропорциональны потреблению кислорода и выделению углекислого газа. 3.1. Диффузия кислорода и углекислого газа через аэрогематический барьер Перенос О2 из альвеолярного газа в кровь и CO2 из крови в альвеолярный газ происходит исключительно путем диффузии. Ее движущей силой служат разности (градиенты) парциальных давлений (напряжений) O2 и СО2 по обе стороны аэрогематического барьера, образованного альвеолокапиллярной мембраной ( табл. 1). Никакого механизма активного транспорта газов здесь нет. Кислород и углекислый газ диффундируют в растворенном состоянии: все воздухоносные пути увлажнены слоем слизи. Важное значение для облегчения диффузии 02 имеет сурфактантная выстилка альвеол, так как кислород растворяется в фосфолипидах, входящих в состав сурфактантов, гораздо лучше, чем в воде. В ходе диффузии через аэрогематический барьер молекулы растворенного газа должны преодолеть (рис. 25): слой сурфактанта, альвеолярный эпителий, Рис. 25 Аэрогематический барьер 1 — альвеола, 2 — эпителий альвеолы, 3 — эндотелий капилляра, 4 — интерстициальное пространство, 5 — основная мембрана, 6 — эритроцит, 7 — капилляр. Рис. 26 Увеличение напряжения кислорода в эритроцитах во время прохождения их через легочные капилляры Вверху — поглощение кислорода эритроцитами, внизу — кривая зависимости напряжения кислорода в капилляре РО2 от времени диффузии t; РаО2 — парциальное давление в альвеолах; РвО2 — среднее напряжение кислорода в венозной крови; Рк О2— среднее для всего времени диффузии значение напряжения кислорода в капилляре; t — время диффузионного контакта. две основные мембраны, эндотелий кровеносного капилляра. Ввиду того что в транспорте дыхательных газов существенную роль играют эритроциты, к этому списку добавляются слой плазмы и мембрана эритроцита. Диффузионная способность легких для кислорода очень велика. Это обусловлено огромным числом (сотни миллионов) альвеол и большой их газообменной поверхностью (у человека она составляет около 100 м2), а также малой толщиной (порядка 1 мкм) альвеолокапиллярной мембраны. Диффузионная способность легких у человека равна примерно 25 мл О2/мин в расчете на 1 мм рт. ст. градиента парциальных давлений кислорода. При учете того, что градиент Ро2 между притекающей к легким венозной кровью и альвеолярным газом обычно превышает 50 мм рт. ст., этого оказывается вполне достаточно, чтобы за время прохождения через легочный капилляр (около 0,8 с) напряжение кислорода в ней успело уравновеситься с альвеолярным Ро2. Несколько более низкое (на 3—6 мм рт. ст.) артериальное Роз по сравнению с альвеолярным объясняется проникновением венозной крови в артериальную через невентилируемые альвеолы, а также артериовенозные шунты. Лишь при ускорении легочного кровотока, например при тяжелой мышечной работе, когда время прохождения крови через капилляры альвеол может сокращаться до 0,3 с, наблюдается недонасыщение крови кислородом в легких, что, однако, возмещается увеличением минутного объема крови (рис. 26). Что касается диффузии СО2 из венозной крови в альвеолы, то даже сравнительно небольшого градиента Рсо2, (6—10 мм рт. ст.) здесь оказывается вполне достаточно, так как растворимость углекислого газа в 20—25 раз больше, чем у кислорода. Поэтому после прохождения крови через легочные капилляры Рсо2 в ней оказывается почти равным альвеолярному — обычно около 40 мм рт. ст. 3.2. Транспорт кислорода кровью Лишь небольшая часть О2 (около 2%), переносимого кровью, растворена в плазме. Основная его часть транспортируется в форме непрочного соединения с гемоглобином, который у позвоночных содержится в эритроцитах. В молекулы этого дыхательного пигмента входят видоспецифичный белок — глобин и одинаково построенная у всех животных простетическая группа — гем, содержащая двухвалентное железо (рис. 27). Присоединение кислорода к гемоглобину (оксигенация гемоглобина) происходит без изменения валентности железа, т. е. без переноса электронов, характеризующего истинное окисление. Тем не менее гемоглобин, связанный с кислородом, принято называть окисленным (правильнее — оксигемоглобин), а отдавший кислород — восстановленным (правильнее — дезоксигемоглобин). 1 г гемоглобина может связать 1,36 мл газообразного О2 (при нормальном атмосферном давлении). Учитывая, к примеру, что в крови человека содержится примерно 150 г/л гемоглобина, 100 мл крови могут переносить около 21 мл О2. Это так называемая кислородная емкость крови. Оксигенация гемоглобина (иначе говоря, процент, на который используется кислородная емкость крови) зависит от парциального давления 02 в среде, с которой контактирует кровь. Такая зависимость описывается кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 28). Сложная S—образная форма этой кривой объясняется кооперативным эффектом четырех полипептидных цепей гемоглобина, кислородсвязывающие свойства (сродство к О2) которых различны. Благодаря такой особенности венозная кровь, проходя легочные капилляры (альвеолярное РO2 приходится на верхнюю часть кривой), оксигенируется почти полностью, а артериальная кровь в капиллярах тканей (где Ро2 соответствует крутой части кривой) эффективно отдает О2. Отдаче кислорода способствует Рис. 27 Строение молекулы гема Рис. 28 Кривые диссоциации оксигемоглобина А — кривая насыщения гемоглобина кислородом при нормальном содержании СО2, Б — влияние изменения напряжения СО2 на кривую диссоциации оксигемоглобина; 1 — при низком содержании СО2, 2 — норма, 3 — при высоком содержании CО2. содержащийся в эритроцитах 2,3—дифосфоглицерат, синтез которого усиливается при гипоксии и интенсификации окислительного процесса в тканях. Кривая диссоциации оксигемоглобина сдвигается вправо при повышении температуры и при увеличении концентрации водородных ионов в среде которая, в свою очередь, зависит от Рсо 2 (эффект Вериго—Бора). Поэтому создаются условия для более полной отдачи кислорода оксигемоглобином в тканях особенно там, где выше интенсивность метаболизма, например в работающих мышцах. Однако и в венозной крови большая или меньшая часть (от 40 до 70%) гемоглобина остается в оксигенированной форме. Так, у человека каждые 100 мл крови отдают тканям 5—6 мл О2 (так называемая артерио— венозная разница по кислороду) и, естественно, на ту же величину обогащаются кислородом в легких. Сродство гемоглобина к кислороду измеряется величиной парциального давления кислорода, при которой гемоглобин насыщается на 50% (Р50) у человека оно составляет в норме 26,5 мм рт. ст. для артериальной крови. Параметр Р50 отражает способность дыхательного пигмента связывать кислород. Этот параметр выше для гемоглобина животных, обитающих в бедной кислородом среде, а также для так называемого фетального гемоглобина, который содержится в крови плода, получающего кислород из крови матери через плацентарный барьер. 3.3. Транспорт углекислого газа кровью Хотя СО2 растворяется в жидкости гораздо лучше, чем O2, только 3—6% общего количества продуцируемого тканями C02 переносится плазмой крови в физически растворенном состоянии. Остальная часть вступает в химические связи (рис. 29). Поступая в тканевые капилляры, С02 гидратируется, образуя нестойкую угольную кислоту: СО2 + Н20 ↔ Н2СОз ↔H+ + НСО3— Направление этой обратимой реакции зависит от Рсо2 в среде. Она резко ускоряется под действием фермента карбоангидразы, находящегося в эритроцитах, куда СО2 быстро диффундирует из плазмы. Около 4/5 углекислого газа транспортируется в виде гидрокарбоната НСО3—. Связыванию С02 способствует уменьшение кислотных свойств (протонного сродства) гемоглобина в момент отдачи им кислорода — дезоксигенирование (эффект Холдейна). При этом гемоглобин высвобождает связанный с ним ион калия, с которым, в свою очередь, реагирует угольная кислота: К+ + HbO2 + H+ + НСОз— = HHb + КНСО3 + 02 Часть ионов НСО3— диффундирует в плазму, связывая там ионы натрия, в эритроцит же поступают в порядке сохранения ионного равновесия ионы хлора. Кроме того, также за счет уменьшения протонного сродства дезоксигенированный гемоглобин легче образует карбаминовые соединения, связывая при этом еще около 15% переносимого кровью СО2. В легочных капиллярах происходит высвобождение части CO2, который диффундирует в альвеолярный газ. Этому способствует более низкое чем в плазме, альвеолярное Pco2, а также усиление кислотных свойств гемоглобина при его оксигенации. В ходе дегидратации угольной кислоты в эритроцитах (эта реакция тоже резко ускоряется карбоангидразой) оксигемоглобин вытесняет ионы калия из гидрокарбоната. Ионы НСОз— поступают из плазмы в эритроцит, Рис. 29 Реакции, происходящие в процессе обмена кислородом и углекислым газом между эритроцитом (I), плазмой (II) и легочной альвеолой (III) Объяснение см. в тексте. а ионы Сl— — в обратном направлении. Таким путем каждые 100 мл крови отдают в легких 4—5 мл С02 — то же количество, какое кровь получает в тканях (артерио—венозная разница по СО2). Гемоглобин (в силу амфотерных свойств) и гидрокарбонат являются важными буферными системами крови. Гидрокарбонатная система играет особую роль благодаря тому, что в ее состав входит летучая угольная кислота. Так, при поступлении в кровь кислых продуктов метаболизма гидрокарбонат как соль слабой (угольной) кислоты отдает свой анион, а избыток углекислого газа выводится легкими, что способствует нормализации рН крови. Поэтому гиповентиляция легких сопровождается наряду с гиперкапнией увеличением концентрации водородных ионов в крови — дыхательным (респираторным) ацидозом, а гипервентиляция наряду с гипокапнией — сдвигом активной реакции крови в щелочную сторону — дыхательным алкалозом. 3.4. Транспорт кислорода и углекислого газа в тканях Кислород проникает из крови в клетки тканей путем диффузии, обусловленной разностью (градиентом) его парциальных давлений по обе стороны, так называемого гематопаренхиматозного барьера. Так, среднее Ро2 артериальной крови составляет около 100 мм рт. ст., а в клетках, где кислород непрерывно утилизируется (рис. 30), стремится к нулю. Было показано, что кислород диффундирует в ткани не только из капилляров, но частично из артериол. Гематопаренхиматозный барьер помимо эндотелия кровеносного сосуда и клеточной мембраны включает и разделяющую их межклеточную (тканевую) жидкость. Перемещение тканевой жидкости, конвективные токи в ней могут Рис. 30 Химические реакции в эритроцитах при газообмене в тканях (слева) и легких (справа) Рис. 31 «Каскады» парциальных давлений (напряжений) кислорода и углекислого газа в звеньях газотранспортной системы, организма I — газовая среда, II — кровь; а — атмосфера, б — воздухоносные пути, в — легочные альвеолы, г — аэрогематический барьер, д — артерии, е — тканевые капилляры, ж — гематопаренхиматозный барьер, з — тканевая жидкость — клетки — митохондрии, и. — вены, к — легочные капилляры, л — артерии; цифрами обозначены капилляры почек (2), мышц (2), мозга (3) и сердца (4), где поглощение О2 и продукция СО2 идут наиболее интенсивно; сплошными линиями показан конвективный перенос газов, пунктирными — Диффузионный. способствовать транспорту кислорода между сосудом и клетками. Ту же роль, как полагают, играют внутриклеточные цитоплазматические токи. И все же преобладающим механизмом переноса кислорода здесь служит диффузия, которая протекает тем интенсивнее, чем выше его потребление данной тканью. Напряжение кислорода в тканях в среднем составляет 20—40 мм рт. ст. Однако эта величина в различных участках живой ткани отнюдь не одинакова. Наибольшее значение Ро2 фиксируется вблизи артериального конца кровеносного капилляра, наименьшая — в самой удаленной от капилляра точке («мертвый угол»). Функция газотранспортной системы организма (рис. 31) в конечном счете направлена на поддержание парциального давления кислорода на клеточной мембране не ниже критического, т. е. минимального, необходимого для работы ферментов дыхательной цепи в митохондриях. Для клеток, интенсивно потребляющих кислород, критическое Ро2 составляет около 1 мм рт. ст. Отсюда следует, что доставка кислорода тканям должна гарантировать поддержание Роз не ниже критического в «мертвом углу». Это требование, как правило, выполняется. Вместе с тем следует иметь в виду, что напряжение О2 в тканях зависит не только от снабжения кислородом, но и от его потребления клетками. Наиболее чувствительны к недостатку кислорода клетки мозга, где окислительные процессы очень интенсивны. Именно поэтому мероприятия по реанимации человека (в том числе включение искусственной, аппаратурной вентиляции легких а в качестве первой помощи — искусственное дыхание способом «рот в рот») приносят успех только в том случае, если они начаты не более чем через 4—5 мин после остановки дыхания; позже гибнут нейроны, прежде всего корковые. По той же причине погибают участки сердечной мышцы, лишившиеся доставки кислорода при инфаркте миокарда, т. е. при стойком нарушении кровоснабжения части сердечной мышцы. В отличие от нервных клеток и клеток сердечной мышцы, скелетные мышцы относительно устойчивы к кратковременному прекращению кислородного снабжения. Они используют при этом в качестве источника энергии анаэробный гликолиз. Кроме того, мышцы (особенно «красные») более выносливы к длительной работе, располагают незначительным резервом кислорода, запасенного в миоглобине. Миоглобин представляет собой дыхательный пигмент, подобный гемоглобину. Однако его сродство с кислородом значительно выше (Р50 = 3—4 мм рт. ст.), поэтому он оксигенируется при относительно невысоком Ро2, зато отдает кислород при очень низком его напряжении в тканях. Перенос CO2 из клеток тканей в кровь тоже происходит главным образом путем диффузии, т. е. в силу разности напряжений СО2 по обе стороны гемато—паренхиматозного барьера. Среднее артериальное значение Рсо2 в среднем составляет 40 мм рт. ст., а в клетках может достигать 60 мм рт. ст. Локальное парциальное давление углекислого газа и, следовательно, скорости его диффузионного транспорта в значительной мере определяются продукцией СО2 (т. е. интенсивностью окислительных процессов) в данном органе. По той же причине Рсо2 и Ро2 в различных венах не одинаковы. Так, в крови, оттекающей от работающей мышцы, напряжение 02 гораздо ниже, а напряжение СО2 гораздо выше, чем, например, в крови, оттекающей от соединительной ткани. Поэтому для определения артериовенозной разницы, характеризующей суммарный обмен газов в организме, исследуют их содержание наряду с артериальной кровью (ее газовый состав практически одинаков в любой артерии) в смешанной венозной крови правого предсердия. Рассматривая теперь все звенья газотранспортной системы в их совокупности (рис. 31), можно увидеть, что парциальные давления (напряжения) дыхательных газов образуют своего рода каскады, по которым поток 02 движется из атмосферы к тканям, а поток CO2 — в обратном направлении. На пути этих каскадов чередуются участки конвективного и диффузионного переноса.
