Страница:
Как известно, клетки зеленых растений, используя световую энергию, излучаемую солнцем, образуют энергосодержащие вещества. Например, в нашем случае в глюкозе энергия сохраняется в химической форме и может быть выделена при определенных условиях. Полученную глюкозу растения частично преобразуют в органические кислоты, а затем, добавляя к ним азот и другие элементы, поступающие из почвы, создают в своих тканях белки и жиры. Так внутри сложных молекул в виде химических связей консервируется солнечная энергия.
В природе издавна установилось некое равновесие: животные в процессе своей жизнедеятельности потребляют кислород и выделяют углекислый газ, а растения поглощают углекислый газ и воду для образования углеводов. Полученные с помощью фотосинтеза углеводы зеленые растения превращают в жиры, белки и другие вещества.
В конечном счете, животные и человек получают от растений готовые органические вещества и запакованную в них энергию, которую освобождают, медленно окисляя с помощью кислорода, разрывая химические связи внутри молекул углеводов, белков и жиров, принятых с пищей.
При сгорании органических веществ вне организма (допустим, дров на костре) атмосферный кислород непосредственно присоединяется к окисляемому веществу, в результате чего образуются исходные продукты (углекислый газ и вода). В клетках животных и человека глюкоза перерабатывается постепенно, и при этом энергия выделяется поэтапно, а не вся сразу.
Рассмотрим в сокращенном варианте последовательность процесса тканевого дыхания. Стенки клеток, из которых построен наш организм, представляют собой полупроницаемые мембраны. Через них избирательно проходят молекулы и ионы различных веществ и газов. В протоплазме клеток (помимо ядра и заключенного в нем ядрышка) имеются тельца разной величины и формы. Сравнительно большие образования, имеющие, как правило, вытянутую форму, называют митохондриями; более мелкие структуры округлой формы – микросомами.
Митохондрии представляют собой главные энергетические станции клетки, ее органы дыхания. Здесь по преимуществу протекают окислительные процессы.
Митохондрии имеют две оболочки. Внутренняя образует многочисленные складки, которые создают перегородки и как бы делят содержимое митохондрий на несколько камер. В складках оболочек сосредоточены дыхательные ферменты. Это очень активные биологические катализаторы, ускоряющие химические реакции. Они расположены в строгом порядке, благодаря которому процесс клеточного дыхания протекает не случайно, а в закономерной последовательности.
Катализаторы сначала расщепляют глюкозу, а затем отрывают водород и переносят электроны водорода на кислород, делая его химически активным отрицательно заряженным ионом. И только после столь сложных превращений окислительные процессы в клетке завершаются образованием конечных продуктов: воды и углекислого газа.
Процесс переработки глюкозы в углекислый газ и воду проходит около 30 стадий, и на каждой выделяется небольшая порция энергии, так что в конце концов организм порциями получает ту же самую энергию, которую можно было бы получить из глюкозы сразу, сжигая ее на костре.
Таким путем в живой клетке идет постепенная многоступенчатая переработка глюкозы. Кислород, столь нужный клетке элемент, без которого она буквально задыхается, участвует в одной из множества реакций, а именно – на последнем этапе добычи энергии.
Как видим, кислород является важнейшим звеном всей длинной цепи – эта-то цепь и называется дыхательной. Если в клетку не поступает кислород, то последний дыхательный фермент не может освободиться от своего лишнего электрона. Цепочка передатчика замирает – клетка перестает дышать.
В результате ступенчатого перерабатывания питательных веществ в клетке постепенно, но непрерывно освобождается энергия, постоянно необходимая для жизнедеятельности организма.
Окислительные процессы, происходящие в митохондриях, замечательны еще и тем, что здесь образуются и накапливаются вещества с непрочными связями, разрыв которых сопровождается выделением энергии. Накопление молекул с высокоэргическими связями создает энергетический резерв организма. К числу таких веществ-аккумуляторов в первую очередь относится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Замечательное свойство этого соединения, имеющего три остатка фосфорной кислоты, состоит в том, что при разрыве высокоэргической фосфатной связи освобождается огромная энергия. Энергия ее всегда готова к употреблению, ее легко извлечь, если разорвать посредством окисления высокоэргическую связь, тем самым превратив АТФ в аденозиндифосфорную кислоту. АТФ, образовавшись в митохондриях, в зависимости от функционального предназначения клетки может быть использована на различные нужды организма: движение, размножение, мышление и т. д.
Защитные механизмы
Нервная регуляция дыхания
Недыхательные функции дыхательного аппарата
В природе издавна установилось некое равновесие: животные в процессе своей жизнедеятельности потребляют кислород и выделяют углекислый газ, а растения поглощают углекислый газ и воду для образования углеводов. Полученные с помощью фотосинтеза углеводы зеленые растения превращают в жиры, белки и другие вещества.
В конечном счете, животные и человек получают от растений готовые органические вещества и запакованную в них энергию, которую освобождают, медленно окисляя с помощью кислорода, разрывая химические связи внутри молекул углеводов, белков и жиров, принятых с пищей.
При сгорании органических веществ вне организма (допустим, дров на костре) атмосферный кислород непосредственно присоединяется к окисляемому веществу, в результате чего образуются исходные продукты (углекислый газ и вода). В клетках животных и человека глюкоза перерабатывается постепенно, и при этом энергия выделяется поэтапно, а не вся сразу.
Рассмотрим в сокращенном варианте последовательность процесса тканевого дыхания. Стенки клеток, из которых построен наш организм, представляют собой полупроницаемые мембраны. Через них избирательно проходят молекулы и ионы различных веществ и газов. В протоплазме клеток (помимо ядра и заключенного в нем ядрышка) имеются тельца разной величины и формы. Сравнительно большие образования, имеющие, как правило, вытянутую форму, называют митохондриями; более мелкие структуры округлой формы – микросомами.
Митохондрии представляют собой главные энергетические станции клетки, ее органы дыхания. Здесь по преимуществу протекают окислительные процессы.
Митохондрии имеют две оболочки. Внутренняя образует многочисленные складки, которые создают перегородки и как бы делят содержимое митохондрий на несколько камер. В складках оболочек сосредоточены дыхательные ферменты. Это очень активные биологические катализаторы, ускоряющие химические реакции. Они расположены в строгом порядке, благодаря которому процесс клеточного дыхания протекает не случайно, а в закономерной последовательности.
Катализаторы сначала расщепляют глюкозу, а затем отрывают водород и переносят электроны водорода на кислород, делая его химически активным отрицательно заряженным ионом. И только после столь сложных превращений окислительные процессы в клетке завершаются образованием конечных продуктов: воды и углекислого газа.
Процесс переработки глюкозы в углекислый газ и воду проходит около 30 стадий, и на каждой выделяется небольшая порция энергии, так что в конце концов организм порциями получает ту же самую энергию, которую можно было бы получить из глюкозы сразу, сжигая ее на костре.
Таким путем в живой клетке идет постепенная многоступенчатая переработка глюкозы. Кислород, столь нужный клетке элемент, без которого она буквально задыхается, участвует в одной из множества реакций, а именно – на последнем этапе добычи энергии.
Как видим, кислород является важнейшим звеном всей длинной цепи – эта-то цепь и называется дыхательной. Если в клетку не поступает кислород, то последний дыхательный фермент не может освободиться от своего лишнего электрона. Цепочка передатчика замирает – клетка перестает дышать.
В результате ступенчатого перерабатывания питательных веществ в клетке постепенно, но непрерывно освобождается энергия, постоянно необходимая для жизнедеятельности организма.
Окислительные процессы, происходящие в митохондриях, замечательны еще и тем, что здесь образуются и накапливаются вещества с непрочными связями, разрыв которых сопровождается выделением энергии. Накопление молекул с высокоэргическими связями создает энергетический резерв организма. К числу таких веществ-аккумуляторов в первую очередь относится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Замечательное свойство этого соединения, имеющего три остатка фосфорной кислоты, состоит в том, что при разрыве высокоэргической фосфатной связи освобождается огромная энергия. Энергия ее всегда готова к употреблению, ее легко извлечь, если разорвать посредством окисления высокоэргическую связь, тем самым превратив АТФ в аденозиндифосфорную кислоту. АТФ, образовавшись в митохондриях, в зависимости от функционального предназначения клетки может быть использована на различные нужды организма: движение, размножение, мышление и т. д.
Защитные механизмы
Для беспрепятственного прохождения воздуха и защиты от вредных воздействий газовой среды дыхательный аппарат вооружен различными приспособлениями. Одной из постоянно действующих природных линий самообороны организма являются реснитчатые клетки воздухопроводящих путей, которые очищают воздух и, ритмически колеблясь, удаляют из воздухоносных путей излишек слизи и инородные тела микроскопических размеров. Другим мощным врожденным приемом самозащиты, например чиханием и кашлем, организм пользуется эпизодически при раздражении дыхательных путей.
Мы рассмотрели процесс дыхания, главная цель которого – обеспечивать организм кислородом и тем самым создавать основное условие для получения энергии и поддержания жизни. Однако сам процесс внешнего дыхания чрезвычайно чувствителен к разного рода воздействиям, ибо дыхательный аппарат служит также своеобразным защитным барьером между внешней и внутренней средой организма. Это сопряжено с выполнением многих других функций, например очистки воздухоносных путей и защиты организма от инородных тел, раздражающих и ядовитых веществ. Практически любой раздражитель, действующий на человека, вызывает изменение дыхания или кратковременную задержку дыхательных движений. Это может быть резкий или неожиданный звук, сильный или внезапный свет, химическое (запахи) и механическое раздражение оболочки носа и верхних дыхательных путей, кожи, брюшных органов, болевое воздействие и т. п. Большое значение имеют разветвленные в носовой полости окончания чувствительных нервов, осуществляющих своеобразный качественный анализ вдыхаемого воздуха.
Говоря о регуляции акта дыхания, необходимо упомянуть о так называемых защитных рефлексах дыхательной системы. К ним относят рефлекторную остановку дыхания во время глотания, которая предотвращает попадание пищи в дыхательное горло, а также кашель и чихание, которые направлены на удаление из дыхательных путей инородных тел или излишка слизи.
Чихание и кашель возникают при раздражении эпителия дыхательных путей накапливающейся слизью, а также попадающими в дыхательные пути химическими раздражителями и инородными телами.
Кашель и чихание начинаются с возникающего рефлекторно глубокого вдоха. Затем происходит спазм голосовых связок, приводящий к закрытию голосовой щели, и одновременное резкое сокращение мышц, обеспечивающих форсированный выдох. Вследствие этого давление воздуха в альвеолах, бронхах и трахее резко повышается. Следующее за этим мгновенное раскрытие голосовой щели приводит к выбросу воздуха из легких толчком в верхние дыхательные пути и наружу через нос (при чихании) или через рот (при кашле). Пыль, слизь, инородные тела увлекаются этой быстрой струей воздуха и выбрасываются из легких и дыхательных путей.
Рефлекс, лежащий в основе кашля, начинается с чувствительных окончаний блуждающего нерва, расположенных в стенках (слизистой) трахеи и бронхов, или верхнегортанного нерва, находящихся в стенке (слизистой) гортани. Особенно много их в области разделения трахеи на два бронха и мест деления бронхов. Раздражение достигает кашлевого центра в продолговатом мозге по блуждающему и верхнегортанному нервам и оттуда, распространяясь по двигательным волокнам нижнегортанного нерва, вызывает замыкание голосовой щели, а доходя по двигательным волокнам диафрагмального нерва до мышц диафрагмы и по волокнам межреберных нервов до выдыхательных мышц, обусловливает быстрый и шумный выдох. Так как голосовая щель в это время закрыта, возникает значительное повышение давления воздуха в воздухоносных путях, которое, достигнув определенной степени, с силой раскрывает голосовую щель. Воздух, вырываясь с большой скоростью через голосовую щель, уносит с собой мокроту, гной и другие посторонние массы, находящиеся в дыхательных путях. В большинстве случаев струя воздуха доносит мокроту до рта, и человек выплевывает ее. В других случаях она задерживается в гортани и тогда удаляется при отхаркивании.
Наиболее чувствительная кашлевая зона – это межчерпаловидная область, задняя стенка гортани и область деления (бифуркации) трахеи. Менее чувствительна слизистая оболочка крупных и мелких бронхов.
Кашлевой центр может возбуждаться под влиянием раздражений, поступающих из мест, расположенных и вне дыхательных путей (желудок, печень и др.). Кашель можно произвольно задерживать и воспроизводить.
Чихание представляет собой сложнокоординированное сокращение дыхательных мышц и мышц глотки, то есть форсированный спазматический выдох, при котором возросший поток воздуха, устремляясь главным образом через нос, выносит раздражающие вещества и отторгает слизь, производя в то же время взрывные звуковые эффекты.
Рефлекторная зона чихания – это слизистая полость носа, а именно чувствительные окончания второй ветви тройничного нерва. Центральный нервный аппарат чихания расположен в ретикулярной формации продолговатого мозга, и его центробежные пути проходят по двигательным волокнам к диафрагмальной, межреберным и мышцам глотки, языка и лица.
Механизмы чихания во многом подобны механизмам кашля. Правда, скрытый период чихательного рефлекса при равноценных раздражениях длиннее, чем кашлевого рефлекса. Во время усиленного выдоха при чихании выталкивающие воздух мышцы сокращаются быстрее, чем при кашле, что способствует созданию более высокого градиента давления по обе стороны голосовой щели.
Являясь безусловно-рефлекторным актом, чихание хорошо выражено уже у плода человека. Чихательный рефлекс сохраняется в состоянии сна и при общем наркозе.
Каждому также известно, что кашель и чихание обычно являются спутниками и признаками воспаления в органах дыхания и всегда в большей или меньшей степени восстанавливают их воздухопроводные функции.
Повышать устойчивость органов дыхания к простудным заболеваниям и инфекциям следует не только путем закаливания организма, но также посредством выполнения специальных дыхательных упражнений и решительной борьбой со злоупотреблением алкоголем и табаком. Обе привычки тесно связаны с дыханием. Ведь помимо общего вредного действия на организм, вызывающего глубокие нарушения функций нервной системы и многих других органов, алкоголь оказывает непосредственно пагубное действие на ткань легких и слизистые дыхательных путей, потому что выводится из организма именно через органы дыхательной системы. Этим, между прочим, и объясняется характерный запах изо рта после употребления алкогольных напитков.
Что же касается курения, которое неразрывно соединено с дыханием, то его вредное влияние на дыхательные органы, пожалуй, еще хуже алкоголя. Курение тормозит синтез сурфактанта и тем самым увеличивает поверхностное натяжение альвеол, из-за чего курильщику по сравнению с некурящими людьми необходимо прилагать большие усилия на вдохе для наполнения легких одинаковым объемом воздуха. Большинство курильщиков страдает хроническими бронхитами. Кроме того, в составе табачного дыма, помимо никотина, аммиака, синильной кислоты и многих других раздражающих ядовитых веществ, содержится бензопирен, вызывающий образование раковой опухоли.
Таким образом, система первостепенной жизненной важности – дыхание – защищена от возможных нарушений специализированными приспособлениями, однако совершенно безоружна перед нашей беспечностью.
Мы рассмотрели процесс дыхания, главная цель которого – обеспечивать организм кислородом и тем самым создавать основное условие для получения энергии и поддержания жизни. Однако сам процесс внешнего дыхания чрезвычайно чувствителен к разного рода воздействиям, ибо дыхательный аппарат служит также своеобразным защитным барьером между внешней и внутренней средой организма. Это сопряжено с выполнением многих других функций, например очистки воздухоносных путей и защиты организма от инородных тел, раздражающих и ядовитых веществ. Практически любой раздражитель, действующий на человека, вызывает изменение дыхания или кратковременную задержку дыхательных движений. Это может быть резкий или неожиданный звук, сильный или внезапный свет, химическое (запахи) и механическое раздражение оболочки носа и верхних дыхательных путей, кожи, брюшных органов, болевое воздействие и т. п. Большое значение имеют разветвленные в носовой полости окончания чувствительных нервов, осуществляющих своеобразный качественный анализ вдыхаемого воздуха.
Говоря о регуляции акта дыхания, необходимо упомянуть о так называемых защитных рефлексах дыхательной системы. К ним относят рефлекторную остановку дыхания во время глотания, которая предотвращает попадание пищи в дыхательное горло, а также кашель и чихание, которые направлены на удаление из дыхательных путей инородных тел или излишка слизи.
Чихание и кашель возникают при раздражении эпителия дыхательных путей накапливающейся слизью, а также попадающими в дыхательные пути химическими раздражителями и инородными телами.
Кашель и чихание начинаются с возникающего рефлекторно глубокого вдоха. Затем происходит спазм голосовых связок, приводящий к закрытию голосовой щели, и одновременное резкое сокращение мышц, обеспечивающих форсированный выдох. Вследствие этого давление воздуха в альвеолах, бронхах и трахее резко повышается. Следующее за этим мгновенное раскрытие голосовой щели приводит к выбросу воздуха из легких толчком в верхние дыхательные пути и наружу через нос (при чихании) или через рот (при кашле). Пыль, слизь, инородные тела увлекаются этой быстрой струей воздуха и выбрасываются из легких и дыхательных путей.
Рефлекс, лежащий в основе кашля, начинается с чувствительных окончаний блуждающего нерва, расположенных в стенках (слизистой) трахеи и бронхов, или верхнегортанного нерва, находящихся в стенке (слизистой) гортани. Особенно много их в области разделения трахеи на два бронха и мест деления бронхов. Раздражение достигает кашлевого центра в продолговатом мозге по блуждающему и верхнегортанному нервам и оттуда, распространяясь по двигательным волокнам нижнегортанного нерва, вызывает замыкание голосовой щели, а доходя по двигательным волокнам диафрагмального нерва до мышц диафрагмы и по волокнам межреберных нервов до выдыхательных мышц, обусловливает быстрый и шумный выдох. Так как голосовая щель в это время закрыта, возникает значительное повышение давления воздуха в воздухоносных путях, которое, достигнув определенной степени, с силой раскрывает голосовую щель. Воздух, вырываясь с большой скоростью через голосовую щель, уносит с собой мокроту, гной и другие посторонние массы, находящиеся в дыхательных путях. В большинстве случаев струя воздуха доносит мокроту до рта, и человек выплевывает ее. В других случаях она задерживается в гортани и тогда удаляется при отхаркивании.
Наиболее чувствительная кашлевая зона – это межчерпаловидная область, задняя стенка гортани и область деления (бифуркации) трахеи. Менее чувствительна слизистая оболочка крупных и мелких бронхов.
Кашлевой центр может возбуждаться под влиянием раздражений, поступающих из мест, расположенных и вне дыхательных путей (желудок, печень и др.). Кашель можно произвольно задерживать и воспроизводить.
Чихание представляет собой сложнокоординированное сокращение дыхательных мышц и мышц глотки, то есть форсированный спазматический выдох, при котором возросший поток воздуха, устремляясь главным образом через нос, выносит раздражающие вещества и отторгает слизь, производя в то же время взрывные звуковые эффекты.
Рефлекторная зона чихания – это слизистая полость носа, а именно чувствительные окончания второй ветви тройничного нерва. Центральный нервный аппарат чихания расположен в ретикулярной формации продолговатого мозга, и его центробежные пути проходят по двигательным волокнам к диафрагмальной, межреберным и мышцам глотки, языка и лица.
Механизмы чихания во многом подобны механизмам кашля. Правда, скрытый период чихательного рефлекса при равноценных раздражениях длиннее, чем кашлевого рефлекса. Во время усиленного выдоха при чихании выталкивающие воздух мышцы сокращаются быстрее, чем при кашле, что способствует созданию более высокого градиента давления по обе стороны голосовой щели.
Являясь безусловно-рефлекторным актом, чихание хорошо выражено уже у плода человека. Чихательный рефлекс сохраняется в состоянии сна и при общем наркозе.
Каждому также известно, что кашель и чихание обычно являются спутниками и признаками воспаления в органах дыхания и всегда в большей или меньшей степени восстанавливают их воздухопроводные функции.
Повышать устойчивость органов дыхания к простудным заболеваниям и инфекциям следует не только путем закаливания организма, но также посредством выполнения специальных дыхательных упражнений и решительной борьбой со злоупотреблением алкоголем и табаком. Обе привычки тесно связаны с дыханием. Ведь помимо общего вредного действия на организм, вызывающего глубокие нарушения функций нервной системы и многих других органов, алкоголь оказывает непосредственно пагубное действие на ткань легких и слизистые дыхательных путей, потому что выводится из организма именно через органы дыхательной системы. Этим, между прочим, и объясняется характерный запах изо рта после употребления алкогольных напитков.
Что же касается курения, которое неразрывно соединено с дыханием, то его вредное влияние на дыхательные органы, пожалуй, еще хуже алкоголя. Курение тормозит синтез сурфактанта и тем самым увеличивает поверхностное натяжение альвеол, из-за чего курильщику по сравнению с некурящими людьми необходимо прилагать большие усилия на вдохе для наполнения легких одинаковым объемом воздуха. Большинство курильщиков страдает хроническими бронхитами. Кроме того, в составе табачного дыма, помимо никотина, аммиака, синильной кислоты и многих других раздражающих ядовитых веществ, содержится бензопирен, вызывающий образование раковой опухоли.
Таким образом, система первостепенной жизненной важности – дыхание – защищена от возможных нарушений специализированными приспособлениями, однако совершенно безоружна перед нашей беспечностью.
Нервная регуляция дыхания
Дыхание считается адекватным, нормальным и потому может быть названо «правильным», когда обеспечивает доставку O2 тканям (и удаление СO2 из организма) в соответствии с текущими потребностями организма при минимальном расходе энергии на самообеспечение дыхательного процесса.
Все изменения дыхательных движений в рамках полноценного газового обеспечения организма считаются нормальными. Ненормальным, неадекватным, патологическим и, можно сказать, «нетрадиционным» дыхание становится тогда, когда не обеспечивает потребности организма в O2 или же слишком много тратится энергии на поддержание минимального соответствия газовым запросам организма.
Для непрерывного обеспечения жизнедеятельности человека постоянно автоматически осуществляется нервная регуляция дыхательного процесса. Именно нервная система объединяет все звенья дыхательного аппарата в единое целое, реализующее дыхательную функцию.
Внешнее дыхание представляет собой ритмический процесс, который можно охарактеризовать в первую очередь длительностью цикла, измеряемого от начала одного вдоха до начала следующего вдоха. Другим важным параметром внешнего дыхания является частота, связанная с длительностью дыхательного цикла обратной зависимостью.
Практически любое внешнее и внутреннее воздействие влияет на деятельность дыхательной системы. К дыхательному центру поступают импульсы от хемо-, термо– и механорецепторов, на его работу оказывают влияние зрительные, слуховые и другие соматические раздражители, его деятельность изменяют психогенные факторы, его активность модулируют белки и другие биологически активные вещества (рис. 3).
Особое значение имеют воспринимающие концевые нервные аппараты – хеморецепторы, расположенные в стенках аорты и в местах разветвления общих сонных артерий. Они воспринимают изменения газового состава крови и посылают соответствующие сигналы в дыхательный центр.
Повышение концентрации углекислого газа и понижение концентрации кислорода в крови приводят к возбуждению дыхательного центра, к учащению дыхания и увеличению вентиляции легких.
Понижение концентрации углекислого газа угнетает дыхательный центр, вентиляция легких при этом уменьшается.
Если искусственно, путем усиленных и частых вдохов и выдохов максимально повысить вентиляцию легких, то содержание углекислоты в крови снизится, и может наступить временная остановка дыхания.
Правда, сигнализация со специальных хеморецепторов не доходит до нашего сознания, до высших уровней регуляции в коре головного мозга и непосредственно не воспринимается человеком.
Дыхательный центр, вырабатывающий ритмические стимулы, которые вызывают сокращение дыхательных мышц, локализован в продолговатом мозге. Он работает под непрерывным влиянием сигнализации о химическом составе внутренней среды, поступающей от хемо рецепторов артериальных сосудов и самого мозгового ствола, а также о механических условиях вентиляции легких, обеспечиваемой механорецепторами легких и воздухоносных путей. Эта система обратных связей определяет соответствие между легочной вентиляцией и потребностями организма в обмене газов и так устанавливает оптимальный, наиболее экономичный режим дыхания. И наконец, влияния из вышележащих центров головного мозга могут изменять дыхательные движения в зависимости от тех или иных обстоятельств: мышечной активности, температуры тела, разнообразных сигналов из внешней среды.
Рис. 3. Регулятор дыхания – дыхательный центр
Изменения дыхания могут вызвать громкий звук или вспышка света, боль от ожога или эмоциональные переживания. Кроме того, к дыхательному центру постоянно приходят импульсы от специальных чувствительных клеток, расположенных в кровеносных сосудах легких, других органах и тканях. В первую очередь они реагируют на изменения состава крови (хеморецепторы). Другие клетки реагируют на сокращение и расслабление мышц или растяжение легких (механорецепторы), третьи – на охлаждение или перегревание. Вся эта многоплановая информация перерабатывается в дыхательном центре, который затем формирует команду дыхательным мышцам: изменить ритм и глубину дыхательных движений в соответствии с потребностями организма.
Таким путем, в конечном счете происходит оптимизация вентиляции легких в отношении газообмена и биомеханики дыхания. Обеспечение клеток кислородом и удаление из организма углекислого газа являются главным, но не единственным назначением системы дыхания, которая во многих звеньях связана с другими функциональными системами организма. Работа дыхательных мышц протекает в тесном взаимодействии и координации с общей моторной деятельностью. Процессы газообмена при дыхании взаимосвязаны с функционированием сердечнососудистой системы. Вентиляторный аппарат обеспечивает ра боту обонятельного анализатора, а также звуковыражение у животных и речь у человека. Регулярное ритмическое поступление импульсов от рецепторов слизистой оболочки носа и рецепторных образований дыхательного аппарата, а также распространение (иррадиация) ритмической активности из дыхательного центра оказывают огромное тонизирующее влияние на центральную нервную систему.
Дыхательная система содержит два основных механизма регулирования: хеморецепторный и механорецепторный. Механизм механорецепторного регулирования включает дыхательный центр, эфферентные (двигательные) пути, дыхательные мышцы, вентиляторный аппарат, механорецепторы легких и мышц и афферентные (механочувствительные) пути. Механизм хеморецепторного (газообменного) регулирования включает дыхательный центр, вентиляторный аппарат, систему транспорта газов, хеморецепторы и центростремительные, приносящие (хемочувствительные) пути (рис. 4).
Рис. 4. Автоматическая регуляция дыхания
Регулирование дыхательной системы происходит по двум контурам – хеморецепторному (ХРК) и механорецепторному (МРК). В некоторых органах (например, в стенке аорты и в месте разветвления общей сонной артерии) есть клетки (хеморецепторы), реагирующие на изменение состава крови – содержание кислорода и углекислого газа. От них по чувствительным нервам поступают сигналы в дыхательный центр продолговатого мозга. В ответ посылается импульс к дыхательным мышцам, обеспечивая вдох и газообмен в легких.
Налицо оптимальность регуляции дыхания в соответствии с минимизацией работы дыхания, или минимизации мышечных усилий, то есть обеспечение необходимой вентиляции легких при наименьших энергетических затратах. Минимум энергетических затрат достигается путем выбора наилучшей комбинации глубины и частоты дыхательных движений, а также посредством изменения соотношения вдоха и выдоха, то есть посредством направленных изменений в мышечной (механорецепторной) подсистеме контроля.
Здоровый человек, выполняющий минимально необходимую физическую нагрузку, обычно дышит в оптимальном (наилучшем) режиме – спокойно и ровно, без напряжения и усилий. И не только потому, что автоматическая система управления дыханием непроизвольно поддерживает такой объем вентиляции легких, который гарантирует требуемый уровень содержания кислорода и углекислого газа в крови. Но также еще и потому, что та же система обеспечивает работу дыхательных мышц с наименьшим расходом энергии. Опыты показали, что человек дышит в таком ритме и при такой глубине каждого вдоха, что затрачивает на 1 л прошедшего через легкие воздуха наименьшие усилия дыхательных мышц.
Если же произвольно дышать глубже или чаще, нежели при естественном непроизвольном дыхании, то расход кислорода на работу дыхательных мышц сразу возрастает и дыхательные движения становятся неэкономичными. Не заставляйте себя усердно дышать каким-то искусственным способом постоянно, чтобы не нарушать нормальную работу автоматической системы управления дыханием.
Все изменения дыхательных движений в рамках полноценного газового обеспечения организма считаются нормальными. Ненормальным, неадекватным, патологическим и, можно сказать, «нетрадиционным» дыхание становится тогда, когда не обеспечивает потребности организма в O2 или же слишком много тратится энергии на поддержание минимального соответствия газовым запросам организма.
Для непрерывного обеспечения жизнедеятельности человека постоянно автоматически осуществляется нервная регуляция дыхательного процесса. Именно нервная система объединяет все звенья дыхательного аппарата в единое целое, реализующее дыхательную функцию.
Внешнее дыхание представляет собой ритмический процесс, который можно охарактеризовать в первую очередь длительностью цикла, измеряемого от начала одного вдоха до начала следующего вдоха. Другим важным параметром внешнего дыхания является частота, связанная с длительностью дыхательного цикла обратной зависимостью.
Практически любое внешнее и внутреннее воздействие влияет на деятельность дыхательной системы. К дыхательному центру поступают импульсы от хемо-, термо– и механорецепторов, на его работу оказывают влияние зрительные, слуховые и другие соматические раздражители, его деятельность изменяют психогенные факторы, его активность модулируют белки и другие биологически активные вещества (рис. 3).
Особое значение имеют воспринимающие концевые нервные аппараты – хеморецепторы, расположенные в стенках аорты и в местах разветвления общих сонных артерий. Они воспринимают изменения газового состава крови и посылают соответствующие сигналы в дыхательный центр.
Повышение концентрации углекислого газа и понижение концентрации кислорода в крови приводят к возбуждению дыхательного центра, к учащению дыхания и увеличению вентиляции легких.
Понижение концентрации углекислого газа угнетает дыхательный центр, вентиляция легких при этом уменьшается.
Если искусственно, путем усиленных и частых вдохов и выдохов максимально повысить вентиляцию легких, то содержание углекислоты в крови снизится, и может наступить временная остановка дыхания.
Правда, сигнализация со специальных хеморецепторов не доходит до нашего сознания, до высших уровней регуляции в коре головного мозга и непосредственно не воспринимается человеком.
Дыхательный центр, вырабатывающий ритмические стимулы, которые вызывают сокращение дыхательных мышц, локализован в продолговатом мозге. Он работает под непрерывным влиянием сигнализации о химическом составе внутренней среды, поступающей от хемо рецепторов артериальных сосудов и самого мозгового ствола, а также о механических условиях вентиляции легких, обеспечиваемой механорецепторами легких и воздухоносных путей. Эта система обратных связей определяет соответствие между легочной вентиляцией и потребностями организма в обмене газов и так устанавливает оптимальный, наиболее экономичный режим дыхания. И наконец, влияния из вышележащих центров головного мозга могут изменять дыхательные движения в зависимости от тех или иных обстоятельств: мышечной активности, температуры тела, разнообразных сигналов из внешней среды.
Изменения дыхания могут вызвать громкий звук или вспышка света, боль от ожога или эмоциональные переживания. Кроме того, к дыхательному центру постоянно приходят импульсы от специальных чувствительных клеток, расположенных в кровеносных сосудах легких, других органах и тканях. В первую очередь они реагируют на изменения состава крови (хеморецепторы). Другие клетки реагируют на сокращение и расслабление мышц или растяжение легких (механорецепторы), третьи – на охлаждение или перегревание. Вся эта многоплановая информация перерабатывается в дыхательном центре, который затем формирует команду дыхательным мышцам: изменить ритм и глубину дыхательных движений в соответствии с потребностями организма.
Таким путем, в конечном счете происходит оптимизация вентиляции легких в отношении газообмена и биомеханики дыхания. Обеспечение клеток кислородом и удаление из организма углекислого газа являются главным, но не единственным назначением системы дыхания, которая во многих звеньях связана с другими функциональными системами организма. Работа дыхательных мышц протекает в тесном взаимодействии и координации с общей моторной деятельностью. Процессы газообмена при дыхании взаимосвязаны с функционированием сердечнососудистой системы. Вентиляторный аппарат обеспечивает ра боту обонятельного анализатора, а также звуковыражение у животных и речь у человека. Регулярное ритмическое поступление импульсов от рецепторов слизистой оболочки носа и рецепторных образований дыхательного аппарата, а также распространение (иррадиация) ритмической активности из дыхательного центра оказывают огромное тонизирующее влияние на центральную нервную систему.
Дыхательная система содержит два основных механизма регулирования: хеморецепторный и механорецепторный. Механизм механорецепторного регулирования включает дыхательный центр, эфферентные (двигательные) пути, дыхательные мышцы, вентиляторный аппарат, механорецепторы легких и мышц и афферентные (механочувствительные) пути. Механизм хеморецепторного (газообменного) регулирования включает дыхательный центр, вентиляторный аппарат, систему транспорта газов, хеморецепторы и центростремительные, приносящие (хемочувствительные) пути (рис. 4).
Регулирование дыхательной системы происходит по двум контурам – хеморецепторному (ХРК) и механорецепторному (МРК). В некоторых органах (например, в стенке аорты и в месте разветвления общей сонной артерии) есть клетки (хеморецепторы), реагирующие на изменение состава крови – содержание кислорода и углекислого газа. От них по чувствительным нервам поступают сигналы в дыхательный центр продолговатого мозга. В ответ посылается импульс к дыхательным мышцам, обеспечивая вдох и газообмен в легких.
Налицо оптимальность регуляции дыхания в соответствии с минимизацией работы дыхания, или минимизации мышечных усилий, то есть обеспечение необходимой вентиляции легких при наименьших энергетических затратах. Минимум энергетических затрат достигается путем выбора наилучшей комбинации глубины и частоты дыхательных движений, а также посредством изменения соотношения вдоха и выдоха, то есть посредством направленных изменений в мышечной (механорецепторной) подсистеме контроля.
Здоровый человек, выполняющий минимально необходимую физическую нагрузку, обычно дышит в оптимальном (наилучшем) режиме – спокойно и ровно, без напряжения и усилий. И не только потому, что автоматическая система управления дыханием непроизвольно поддерживает такой объем вентиляции легких, который гарантирует требуемый уровень содержания кислорода и углекислого газа в крови. Но также еще и потому, что та же система обеспечивает работу дыхательных мышц с наименьшим расходом энергии. Опыты показали, что человек дышит в таком ритме и при такой глубине каждого вдоха, что затрачивает на 1 л прошедшего через легкие воздуха наименьшие усилия дыхательных мышц.
Если же произвольно дышать глубже или чаще, нежели при естественном непроизвольном дыхании, то расход кислорода на работу дыхательных мышц сразу возрастает и дыхательные движения становятся неэкономичными. Не заставляйте себя усердно дышать каким-то искусственным способом постоянно, чтобы не нарушать нормальную работу автоматической системы управления дыханием.
Недыхательные функции дыхательного аппарата
Помимо решения своей главной задачи дыхательный аппарат участвует в выполнении многих негазообменных функций. Сокращения дыхательных мышц тесно связаны и координированы с общей двигательной активностью: трудовой, спортивной и др. Дыхательные движения деятельно способствуют функционированию сердечно-сосудистой системы. Вентиляторный аппарат обеспечивает распознавание запахов, а также звуковыражение и речь. Легкие выполняют очистительную (фильтрационную) функцию, активно участвуют в энергетическом балансе, водно-солевом, белковом и жировом обмене, деятельности свертывающей и антисвертывающей систем крови и синтезе некоторых биологически активных веществ. Регулярное ритмическое поступление сигналов от рецепторов слизистой оболочки носа, воздухопроводных путей и чувствительных образований легких, плевры и мышц вместе с распространением ритмической импульсации из дыхательного центра оказывает огромное тонизирующее и стабилизирующее влияние на деятельность нервной системы и психическое состояние человека.
Необходимо подчеркнуть, что в легких не только совершается обмен газов. Они фактически являются наибольшей в организме многофункциональной железой и выполняют некоторые негазообменные и выделительные функции. В легких производится очистка венозной крови от механических примесей. Исключительно важна роль емкого русла легочных сосудов в системе кровообращения. Они участвуют в деятельности свертывающей системы крови и синтезе некоторых белков и жиров. Без легких немыслима полноценная регуляция водно-солевого обмена и поддержание кислотно-щелочного равновесия в организме. Значительна доля легких в общей теплопродукции и теплоотдаче организма.
Мало изученной, но доказанно важной является недыхательная (нереспираторная, негазообменная) функция легких, активно участвующих в обмене биологически активных веществ.
Защитные механизмы бронхиального дерева, связь морфологических, биохимических, иммунологических факторов в работе внешнего защитного барьера в основном характеризуют отношение к поступлению чужеродных веществ через дыхательные пути. Попадающие с вдыхаемым воздухом посторонние примеси могут задерживаться, обволакиваться слизью и выводиться из организма. Существуют и более сложные механизмы обезвреживания, связанные со специфическими ферментами, обеспечивающими детоксикацию газовых примесей, обезвреживание вирусных и бактериальных агентов. Таким образом, создаются условия, в которых обеспечивается стерильность бронхиальных путей.
В работе такого барьера усматривается совокупность механизмов защиты от проникновения чужеродных частиц и газов непосредственно в легкие и далее – в кровоток. Выделительная функция охватывает выведение продуктов обмена веществ, избытков биологически активных веществ, лекарственных и других соединений эндогенного (внутреннего) и экзогенного (наружного) происхождения.
Известна способность эндотелия (ткани внутренней оболочки) к синтезу ряда веществ, в том числе гормонов. На поверхности эндотелия совершаются реакции, связанные с метаболизмом аденозина, нуклеотидов и их соединений, кининов и ангиотензина.
В легких обнаруживается не менее десяти биологически активных белков и содержится большой набор ферментов, необходимых для биосинтеза и распада липидов.
Антиоксиданты (вещества, нейтрализующие избыток активной формы кислорода) легочной ткани активно участвуют в адаптационных реакциях. Существенна роль антиоксидантной системы и в модуляции иммунологических реакций.
А сколь важна такая функция аппарата дыхания, как звуковыражение! Ведь люди говорят, поют и играют на духовых инструментах во время фазы выдоха. Вздыхание, зевота, свист, крик и другие виды звуковыражения производятся видоизмененными сокращениями дыхательных мышц.
Все переживания человека легко наблюдаются по характерному изменению дыхания. В самом деле, объективное проявление радости или веселья, смех – не что иное, как быстро следующие друг за другом короткие, прерывистые выдыхания. Рыдания являются, наоборот, быстро повторяющимися, отрывистыми и короткими вдыханиями, производимыми в основном за счет энергичных сокращений диафрагмы.
И пьем мы с помощью дыхательных движений. Одновременно с легким вдохом вследствие разрежения воздуха (понижения его давления в полости рта) поднесенная к губам жидкость под давлением воздуха извне поступает в рот. Дыхательный аппарат участвует в глотании и рвоте, икоте и зевоте, а также в таких важных актах, как мочеиспускание, дефекация, роды (схватки) и др.
В оболочке носовой полости заложены чувствительные окончания нервов, которые реагируют на пахучие и раздражающие летучие вещества, примешивающиеся к вдыхаемому воздуху. Таким путем человек различает запахи. И это не только предохраняет дыхательный аппарат от возможного попадания в дыхательные пути вредных и ядовитых газообразных веществ, но и способствует вкусовой чувствительности, помогая различать приятные и зловонные (дурно пахнущие) пищевые продукты. Кроме того, дыхание через нос оказывает большое влияние на весь организм в целом. В слизистой оболочке, а также на наружной поверхности носа и расположенных близ него кожных покровах локализована рецепторная зона, раздражение которой потоком воздуха, увлажнением, механическими, электрическими, температурными и химическими стимулами вызывает многочисленные рефлексы. Раздражение рецепторной зоны носовых полостей влияет на функцию разных органов и функциональных систем (рис. 5 и 6). Уместно напомнить, что длительное прекращение носового дыхания, например у детей в результате заболевания носа и глотки, нередко сопровождается выраженными нарушениями жизнедеятельности, включая умственную отсталость. Глубокие, медленные ритмические дыхательные движения благотворно влияют на общее самочувствие человека. Периодическое поступление импульсов в головной мозг от чувствительных окончаний верхних дыхательных путей, легких, плевры и дыхательных мышц упорядочивает и стабилизирует деятельность всей нервной системы, что играет особую роль при выполнении дыхательных упражнений.
Необходимо подчеркнуть, что в легких не только совершается обмен газов. Они фактически являются наибольшей в организме многофункциональной железой и выполняют некоторые негазообменные и выделительные функции. В легких производится очистка венозной крови от механических примесей. Исключительно важна роль емкого русла легочных сосудов в системе кровообращения. Они участвуют в деятельности свертывающей системы крови и синтезе некоторых белков и жиров. Без легких немыслима полноценная регуляция водно-солевого обмена и поддержание кислотно-щелочного равновесия в организме. Значительна доля легких в общей теплопродукции и теплоотдаче организма.
Мало изученной, но доказанно важной является недыхательная (нереспираторная, негазообменная) функция легких, активно участвующих в обмене биологически активных веществ.
Защитные механизмы бронхиального дерева, связь морфологических, биохимических, иммунологических факторов в работе внешнего защитного барьера в основном характеризуют отношение к поступлению чужеродных веществ через дыхательные пути. Попадающие с вдыхаемым воздухом посторонние примеси могут задерживаться, обволакиваться слизью и выводиться из организма. Существуют и более сложные механизмы обезвреживания, связанные со специфическими ферментами, обеспечивающими детоксикацию газовых примесей, обезвреживание вирусных и бактериальных агентов. Таким образом, создаются условия, в которых обеспечивается стерильность бронхиальных путей.
В работе такого барьера усматривается совокупность механизмов защиты от проникновения чужеродных частиц и газов непосредственно в легкие и далее – в кровоток. Выделительная функция охватывает выведение продуктов обмена веществ, избытков биологически активных веществ, лекарственных и других соединений эндогенного (внутреннего) и экзогенного (наружного) происхождения.
Известна способность эндотелия (ткани внутренней оболочки) к синтезу ряда веществ, в том числе гормонов. На поверхности эндотелия совершаются реакции, связанные с метаболизмом аденозина, нуклеотидов и их соединений, кининов и ангиотензина.
В легких обнаруживается не менее десяти биологически активных белков и содержится большой набор ферментов, необходимых для биосинтеза и распада липидов.
Антиоксиданты (вещества, нейтрализующие избыток активной формы кислорода) легочной ткани активно участвуют в адаптационных реакциях. Существенна роль антиоксидантной системы и в модуляции иммунологических реакций.
А сколь важна такая функция аппарата дыхания, как звуковыражение! Ведь люди говорят, поют и играют на духовых инструментах во время фазы выдоха. Вздыхание, зевота, свист, крик и другие виды звуковыражения производятся видоизмененными сокращениями дыхательных мышц.
Все переживания человека легко наблюдаются по характерному изменению дыхания. В самом деле, объективное проявление радости или веселья, смех – не что иное, как быстро следующие друг за другом короткие, прерывистые выдыхания. Рыдания являются, наоборот, быстро повторяющимися, отрывистыми и короткими вдыханиями, производимыми в основном за счет энергичных сокращений диафрагмы.
И пьем мы с помощью дыхательных движений. Одновременно с легким вдохом вследствие разрежения воздуха (понижения его давления в полости рта) поднесенная к губам жидкость под давлением воздуха извне поступает в рот. Дыхательный аппарат участвует в глотании и рвоте, икоте и зевоте, а также в таких важных актах, как мочеиспускание, дефекация, роды (схватки) и др.
В оболочке носовой полости заложены чувствительные окончания нервов, которые реагируют на пахучие и раздражающие летучие вещества, примешивающиеся к вдыхаемому воздуху. Таким путем человек различает запахи. И это не только предохраняет дыхательный аппарат от возможного попадания в дыхательные пути вредных и ядовитых газообразных веществ, но и способствует вкусовой чувствительности, помогая различать приятные и зловонные (дурно пахнущие) пищевые продукты. Кроме того, дыхание через нос оказывает большое влияние на весь организм в целом. В слизистой оболочке, а также на наружной поверхности носа и расположенных близ него кожных покровах локализована рецепторная зона, раздражение которой потоком воздуха, увлажнением, механическими, электрическими, температурными и химическими стимулами вызывает многочисленные рефлексы. Раздражение рецепторной зоны носовых полостей влияет на функцию разных органов и функциональных систем (рис. 5 и 6). Уместно напомнить, что длительное прекращение носового дыхания, например у детей в результате заболевания носа и глотки, нередко сопровождается выраженными нарушениями жизнедеятельности, включая умственную отсталость. Глубокие, медленные ритмические дыхательные движения благотворно влияют на общее самочувствие человека. Периодическое поступление импульсов в головной мозг от чувствительных окончаний верхних дыхательных путей, легких, плевры и дыхательных мышц упорядочивает и стабилизирует деятельность всей нервной системы, что играет особую роль при выполнении дыхательных упражнений.