Особенности процесса дыхания у человека и высших животных
Источником энергии в организме служат питательные вещества. Основной биохимической реакцией, освобождающей энергию этих веществ, является окисление, сопровождающееся расходованием кислорода и образованием углекислого газа. В организме человека нет запасов кислорода, поэтому его непрерывное поступление жизненно необходимо. Прекращение доступа кислорода в клетки организма приводит к их гибели. Образующийся при окислении веществ углекислый газ должен быть удален из организма, так как его накопление в значительном количестве опасно для жизни. Обмен кислорода и углекислого газа между организмом и окружающей средой называется дыханием. У человека и высших животных процесс дыхания осуществляется в следующей последовательности: обмен воздуха между атмосферой и альвеолами легких, обмен газов между альвеолами легких и кровью (внешнее дыхание), транспорт газов кровью, обмен газов между кровью и тканями (внутреннее, тканевое дыхание). Органы дыхания включают воздухоносные пути и легкие. Нос, носоглотка, гортань, трахея, бронхи и бронхиолы служат для проведения воздуха в альвеолы легких, где осуществляется газообмен.
Полость носа
Дыхательная система начинается полостью носа, которая образована костями лицевой части черепа и хрящами. Входом в полость носа служат ноздри, а выходом хоаны – отверстия, сообщающие его полость с носоглоткой. Стенки носовой полости образуют неровный рельеф, за счет чего увеличивается площадь контакта воздуха с наружным слоем клеток слизистой оболочки. Многие из них имеют реснички. Вдыхаемый воздух, проходя через носовую полость, согревается кровью, протекающей по многочисленным, пронизывающим оболочку сосудам, и, кроме того, соприкасаясь со слизистой, увлажняется и частично очищается от пыли, микробов и ряда других примесей. Из носовой полости воздух попадает в носоглотку, далее в ротовую часть глотки и затем в гортань.
Гортань
Гортань имеет сложное строение, так как служит не только для проведения воздуха, но и для образования звуков. Гортань состоит из хрящей различной формы, соединенных связками и суставами, приводимыми в движение мускулатурой. Скелет гортани образован непарными (щитовидный, перстневидный и надгортанный) и парными (черпаловидные, рожковидные и клиновидные) хрящами. Самый крупный – щитовидный хрящ – находится спереди. Полость гортани выстлана слизистой оболочкой, образующей голосовые связки. Между свободными краями связок расположена в продольном направлении голосовая щель.
Голосовые связки
Напряжение и расслабление голосовых связок регулируется специальными мышцами. В спокойном состоянии, когда человек молчит, голосовая щель открыта и имеет вид равнобедренного треугольника. Во время разговора или пения голосовые связки натягиваются, сближаются и при прохождении выдыхаемого воздуха вибрируют, производя звук. Однако окончательное формирование звука происходит в полостях рта, носа, глотки и зависит от положения языка, губ, нижней челюсти. Высота звука определяется длиной голосовых связок: чем длиннее связки, тем меньше частота их колебания и тем ниже голос. Вход в гортань прикрывает надгортанник, препятствующий попаданию пищи в дыхательные пути. Книзу гортань переходит в трахею (дыхательное горло).
Трахея
Трахея у взрослого человека имеет форму трубки длиной 10-13 см и служит для прохождения воздуха в легкие и обратно. Она образована 16-20 полукольцами из гиалинового хряща, которые придают жесткость и не дают спадаться трахее. Между собой хрящевые полукольца соединены плотной соединительной тканью. Сзади между концами полуколец находится соединительнотканная перепонка. Благодаря наличию эластичных волокон в соединительной ткани между полукольцами, трахея может удлиняться при движении гортани вверх и укорачивается при ее опускании. Полость трахеи выстлана мерцательным эпителием, реснички которого перемещают попадающие с воздухом частицы пыли вместе со слизью вверх в глотку, где они проглатываются. Нижний конец трахеи делится на две более тонкие трубки – бронхи (правый и левый). Место деления называется бифуркацией трахеи.
Бронхи
Бронхи постепенно разветвляются на более мелкие, доходя до тонких и тончайших веточек – бронхиол, диаметр которых не превышает долей миллиметра. В целом разветвление бронхов образует густую сеть – бронхиальное дерево. Крупные бронхи, как и трахея, состоят из хрящевых колец, связанных между собой соединительной тканью. В бронхиолах хрящевой скелет отсутствует, однако из стенки не спадается, так как состоят из гладкомышечных волокон. Бронхиолы – последние элементы воздухоносных путей.
Легкие
Легкие представляют собой парные губчатые органы конусовидной формы. Ткань легкого образована бронхиолами и множеством крошечных легочных пузырьков – альвеол, которые имеют вид полушаровидных выпячиваний бронхиол. Стенки альвеол состоят из одного слоя эпителиальных клеток, окруженных густой сетью кровеносных капилляров. Из нутрии альвеолы покрыты жидким поверхностно-активным веществом (сурфактантом), ослабляющим силы поверхностного натяжения и предупреждающим полное спадение альвеол во время выдоха. Суммарная толщина стенок альвеолы и капилляра составляет несколько микрометров. Благодаря такому строению кислород легко проникает из альвеолярного воздуха в кровь, а углекислый газ – из крови в альвеолы. Диаметр альвеол составляет в среднем 0,3 мм, однако благодаря тому, что в легких альвеол насчитывается до 300 млн. и их суммарная поверхность у взрослого человека равна 50-100 квадратных метров, газообмен в легких совершается чрезвычайно быстро. Легкие (правое и левое) расположено в грудной клетке и тесно прилегает к ее стенкам. Поверхность легких покрыта особой оболочкой – плеврой, состоящей из двух листков: наружный листок выстилает внутреннюю поверхность грудной клетки, а внутренний покрывает поверхность легкого. Между листками сохраняется герметически замкнутое щелевидное пространство, называемое плевральной полостью. В ней содержится небольшое количество жидкости, увлажняющей листки плевры и способствующей скольжению их относительно друг друга.
Газообмен в легких
В легких и тканях происходит газообмен. Во время вдоха атмосферный воздух поступает в легкие и в альвеолах смешивается с воздухом, оставшимся в них после выдоха, так как альвеолы даже при самом энергичном и глубоком выдохе полностью не спадаются. По своему составу поступающей легкие воздух отличается от воздуха, находящегося в альвеолах. Несмотря на периодическое поступление атмосферного воздуха, состав альвеолярного, хотя и отличается от вдыхаемого, постоянен. Это обеспечивается интенсивным обменом газов: непрерывным поступлением кислорода и удалением углекислого газа и имеет большое значение для поддержания постоянства внутренней среды организма. У здорового человека пребывающего в условиях нормального барометрического давления, парциальное давление Р кислорода в альвеолярном воздухе составляет 100 мм рт.ст. и значительно выше, чем в венозной крови, протекающей по легочным капиллярам (40 мм рт.ст.). парциальное давление углекислого газа выше в венозной крови (46 мм рт.ст.), чем в альвеолярном воздухе (40 мм рт.ст.). Разность парциального давления газов обеспечивает переход кислорода из альвеолярного воздуха в кровь, а углекислого газа – из крови в альвеолярный воздух. Скорость диффузии газов в легочных капиллярах довольно высокая: за время протекания крови по легочным капиллярам (в среднем 0,3 с) давление газов в крови и альвеолах выравнивается. Это зависит от большой поверхности и особенностей строения альвеолярно-капиллярного барьера. Поступившие в кровь молекулы кислорода взаимодействуют с гемоглобином эритроцитов и в виде образовавшегося вещества – оксигемоглобина – переносятся к тканям. Газообмен в тканях происходит по такому же принципу, что и в легких. В процессе жизнедеятельности тканей концентрация кислорода в клетках уменьшается, а образующийся углекислый газ выделяется в тканевую жидкость и в кровь. Избыток углекислоты способствует распаду оксигемоглобина. Освободившийся кислород через стенки капилляров путем диффузии поступает в клетки тканей, а углекислый газ соединяется с гемоглобином и венозной кровью транспортируется в легкие, где вновь совершается обмен углекислого газа на кислород.
Профилактика заболеваний органов дыхания
Дыхательной системе, как и другим физиологическим системам организма, присущи специализированные защитные механизмы, предназначенные для предупреждения возможных нарушений в процессе их функционирования. Например, защитные дыхательные рефлексы – чихание и кашель – способствуют удалению попавших в дыхательные пути инородных тел, излишков образующейся во время воспалительных заболеваний слизи и т.д. Несмотря на наличие защитных механизмов, органы дыхания чрезвычайно чувствительны к воздействию различных физических и химических факторов, которые присутствуют в загрязненном атмосферном воздухе. Для профилактики заболеваний органов дыхания необходимо проветривать жилые помещения, совершать продолжительные прогулки на свежем воздухе и т.д. Отрицательное влияние на органы дыхания (и на весь организм) оказывают такие вредные привычки, как употребление алкогольных напитков и курение. Алкоголь в значительных количествах выводится из организма через легкие, повреждая при этом ткань легкого и слизистые оболочки дыхательных путей. Никотин и другие вещества, содержащиеся в табачном дыме, тормозят образование сурфактанта в альвеолах легких, и курильщику приходится затрачивать больше усилий на осуществление дыхательных движений (вдоха). В составе табачного дыма обнаружены вещества (например, бензопирен и др.), которые способствуют образованию и росту злокачественных опухолей (рак легкого, гортани). Курильщики значительно чаще страдают такими заболеваниями легких, как хронический бронхит, пневмония, эмфизема легких и др.