28 внешнее дыхание

Методическая разработка лекции «ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЫХАНИЯ. ФИЗИОЛОГИЯ ВНЕШНЕГО ДЫХАНИЯ»

План: 1. Структурно-функциональная

характеристика

ФУС дыхания. Этапы

осуществления дыхательной функции в организме.

2. Внешнее дыхание:

2.1. Механизмы вдоха и выдоха. Вентиляция легких.

2.2. Давление в плевральной полости (щели).

2.3. Изменение давления в альвеолах в динамике дыхательного цикла.

2.4. Функциональные показатели внешнего дыхания.

111

1.

Структурно-функциональная характеристика ФУС дыхания.

Дыхание – совокупность процессов, обеспечивающих потребление организмом кислорода и выделение двуокиси углерода. Данную функцию в организме обеспечивает функциональная система дыхания (ФУС).

222

Дыхание как функция включает следующие процессы: 1) Внешнее дыхание (вентиляция легких); 2) Обмен газов между альвеолярным воздухом и кровью малого круга

кровообращения; 3) Транспорт газов кровью; 4) Газообмен

между

кровью

капилляров

большого

круга

кровообращения и клетками тканей; 5) Внутреннее дыхание (биологическое окисление в митохондриях

клеток). Дыхание осуществляется в три этапа: I. Внешнее дыхание (п. 1 и п. 2).

II. Транспорт газов кровью.

III. Внутреннее дыхание

Физиология

изучает

первые

4

процесса.

Внутреннее

дыхание

(биологическое окисление в митохондриях клеток) – биохимия.

333

2. Внешнее дыхание.

2.1. Механизмы вдоха и выдоха. Вентиляция легких. Внешнее дыхание осуществляет функцию создания внутренней газовой среды организма. Это – альвеолярный воздух, постоянство газового состава которого является залогом успеха газообмена между объемом альвеолярного воздуха и объемом крови в альвеолярных капиллярах малого круга кровообращения.

Постоянство

газового

состава

этой

среды

создается

обновлением воздуха в альвеолах, происходящим в результате дыхательных движений: вдоха (инспирации) и выдоха (экспирации), т.е. вентиляции легких. Вентиляция лёгких осуществляется в результате изменения объема грудной клетки (полости). Увеличение объёма грудной полости обеспечивает вдох, а уменьшение – выдох. Фаза вдоха (а), последующая за ней фазы выдоха (в), а также дыхательная пауза называются вместе дыхательным циклом (ДЦ)

Продолжительность дыхательного цикла зависит от частоты дыхания (ЧД). ЧД=12/мин: 60с:12=5с;

ЧД=20: 60с:20=3с.

Физиологическая норма ЧД = 16/мин (от 12 до 18). При

спокойном

дыхании

вдох

осуществляется

сокращением

инспираторных мышц, а выдох – пассивно за счет эластической энергии, накопленной во время предшествующего вдоха. При глубоком вдохе сокращаются экспираторные мышцы. Такой выдох называется активным. Дыхательные мышцы. Сокращение и расслабление дыхательных мышц обеспечивает вентиляцию лёгких. Основной инспираторной мышцей является мышечная часть диафрагмы. Мышца диафрагмы состоит из поперечно-полосатых волокон. В результате сокращения мышечных волокон наружных частей диафрагмы верхняя её часть вместе с сухожильным центром смещается вниз. При этом несжимаемые 444

органы брюшной полости оттесняются вниз и в стороны, растягивая стенки брюшной полости, а купол диафрагмы опускается приблизительно на 1,5 см, что увеличивает вертикальный размер грудной полости. Горизонтальный размер грудной полости увеличивается в результате сокращения

наружных

межрёберных

и

межхрящевых

мышц

(также

инспираторных). Вследствие косого направления волокон этих мышц, расстояние от места прикрепления рёбер к позвоночнику и хрящей к грудине до места прикрепления мышечных волокон к ним больше у нижних рёбер, чем у верхних (АО>ОВ, А1О1>В1О1). Поэтому момент силы, определяющий движение рычагов, оказывается большим у нижнего ребра и хряща. При спокойном дыхании

возбуждаются

и

сокращаются

только

межхрящевые

и

межрёберные мышцы верхних 3-5 межреберных промежутков. В результате подъёма рёбер увеличивается смещение грудины вперёд и отклонение боковых частей рёбер в стороны.

При глубоком (форсированном) дыхании в акте вдоха участвует ряд вспомогательных дыхательных мышц, которые могут поднимать рёбра: лестничные,

большая

и

малая

грудные,

передняя

зубчатая

мышцы,

разгибающие грудной отдел позвоночника и фиксирующие плечевой пояс. При опоре на откинутые назад руки задействуются трапециевидная и ромбовидные мышцы, а также мышца, поднимающая лопатку.

555

При глубоком выдохе сокращаются вспомогательные экспираторные мышцы: мышцы брюшной стенки (косые, поперечная и прямая) и внутренние косые межреберные мышцы. При сокращении первых – объём брюшной полости уменьшается и в ней повышается давление, которое через органы брюшной полости передаётся на диафрагму и поднимает её, при этом дополнительно уменьшается вертикальный размер грудной клетки. При сокращении второй группы мышц дополнительно уменьшается горизонтальный размер грудной полости: внутренние косые межрёберные мышцы также косо крепятся к рёбрам, но расстояние от места прикрепления рёбер к позвоночнику до места прикрепления к ним мышечных волокон больше у верхнего ребра, чем у нижнего. Поэтому их сокращение опускает ребра и сближает их латеральные края, так как момент силы больше для каждого верхнего ребра, чем для нижнего. К вспомогательным экспираторным мышцам относятся также мышцы, сгибающие позвоночник.

2.2. Давление в плевральной полости (щели). Лёгкие постоянно находятся в грудной полости в растянутом состоянии. Оно формируется в результате существования плевральной полости и наличия в ней отрицательного давления. Плевральная полость образуется следующим образом: лёгкие и стенки грудной полости покрыты серозной оболочкой – плеврой. Между листками висцеральной и париетальной плевры имеется узкая (5-10 мкм) щель, формируется полость, содержащая серозную жидкость, по составу близкую к лимфе. Эта жидкость имеет низкую концентрацию белков, что обуславливает низкое онкотическое давление по сравнению с плазмой крови. Это обстоятельство препятствует накоплению жидкости в плевральной полости. Давление в плевральной полости ниже атмосферного, что определяется как отрицательное давление. Оно обусловлено эластической тягой лёгких, т.е. постоянным стремлением лёгких уменьшить свой объём. Давление в плевральной

полости

ниже

альвеолярного

на

величину,

создаваемую

666

эластической тягой лёгких: Рпл = Ральв – Рэ.т.л.. эластическая тяга лёгких обусловлена тремя факторами: 1) Поверхностным

натяжением

плёнки

жидкости,

покрывающей

внутреннюю поверхность альвеол – сурфактантом. Это вещество имеет низкое поверхностное натяжение. Сурфактант образуется пневмоцитами II типа, состоит из белков и липидов. Обладает свойством уменьшать поверхностное натяжение стенки альвеолы при уменьшении размеров альвеол. Это стабилизирует состояние стенки альвеол при изменении их объёма. Если бы поверхность альвеол была покрыта слоем водного раствора, то это увеличило бы поверхность натяжения в 5-8 раз. В таких условиях наблюдалось полное спадение одних альвеол (ателектаз) при перерастяжении других. Наличие сурфактанта предотвращает развитие подобного состояния лёгких в здоровом организме.

2) Упругостью ткани стенок альвеол, которые имеют в стенке эластические

волокна.

3) Тонусом бронхиальных мышц.

Эластическая тяга лёгких обуславливает упругие свойства лёгких. Количественно упругие свойства лёгких принято выражать растяжимостью легочной ткани С: C=

∆V ∆P ,

где ∆V – прирост объёма лёгких при их растяжении (в мл), ∆Р – изменение транспульмонального давления при растяжении лёгких (в см вод. ст.).

У взрослых С равно 200 мл/см вод. ст, у новорожденных и детей грудного возраста – 5-10 мл/см вод. ст. Данный показатель (его уменьшение) изменяется при заболеваниях лёгких и используется с диагностическими целями. Плевральное давление изменяется в динамике дыхательного цикла. В конце спокойного выдоха давление в альвеолах равно атмосферному, а в плевральной полости – 3 мм рт. ст. Разность Р альв – Рпл = Рл называется транспульмональным давлением и равна +3 мм рт. ст. Именно это давление поддерживает растянутое состояние лёгких в конце выдоха.

777

При вдохе, вследствие сокращения инспираторных мышц, объём грудной клетки

увеличивается.

Давление

плевральное

(Р пл)

становится

более

отрицательным – к концу спокойного вдоха оно равно –6 мм рт. ст., транспульмональное давление (Рл) нарастает до +6 мм рт.ст., вследствие чего лёгкие расправляются, их объём увеличивается за счёт атмосферного воздуха. При глубоком вдохе Рпл может снизиться до −20 мм рт. ст. Во время глубокого выдоха это давление может стать положительным, тем не менее оставаясь ниже давления в альвеолах на величину давления, создаваемого эластической тягой лёгких. Если в плевральную щель попадает небольшое количество воздуха, лёгкое частично спадается, но вентиляция его продолжается. Такое состояние называется закрытым пневмотораксом. Через некоторое время воздух из плевральной полости всасывается и лёгкое расправляется (Всасывание газов из плевральной полости происходит вследствие того, что в крови мелких вен малого круга кровообращения напряжение растворенных газов ниже, чем в атмосфере). При вскрытии грудной клетки, например, при ранениях или внутригрудных (торокальных) операциях, давление вокруг лёгкого становится равным атмосферному, и лёгкое спадается полностью. Его вентиляция прекращается, несмотря на продолжающиеся сокращения дыхательных мышц. Такой пневмоторакс называется открытым. Двусторонний открытый пневмоторакс без экстренной помощи приводит к летальному исходу. Для предотвращения последнего применяют искусственное дыхание с немедленной герметизацией плевральной полости.

888

2.3. Изменение давления в альвеолах в динамике дыхательного цикла. В конце выдоха при открытых воздухоносных путях давление в альвеолах равно атмосферному. Во время вдоха в результате растяжения лёгких объём альвеол увеличивается, а давление в них снижается, что обеспечивает движение атмосферного воздуха в легких. Во время выдоха давление в альвеолах, наоборот, становится выше атмосферного.

2.4. Функциональные показатели внешнего дыхания. Эти показатели исследуются в клинике с помощью метода спирографии. Кривая, записанная в условиях этого метода, называется спирограммой. При спокойном дыхании человек вдыхает и выдыхает равные объёмы воздуха – ДО (дыхательный объём) – 500 мл воздуха. Сверх него при глубоком вдохе человек дополнительно может вдохнуть ещё около 2,5-3 л воздуха – резервный объём вдоха (РВД). После спокойного выдоха человек может ещё дополнительно выдохнуть 1300 мл воздуха – резервный объём выдоха (РВЫД). Сумма этих статических объёмов называется жизненной ёмкостью лёгких – ЖЕЛ: ЖЕЛ = РВД + РВЫД + ДО = 500+3000+1300 = 4,8 л ДО характеризует глубину дыхания, а ЖЕЛ – максимальный объём воздуха, который можно ввести или вывести из лёгких в течение одного глубокого вдоха или выдоха. Таким образом, этот показатель характеризует потенциальные способности дыхательной системы. ЖЕЛ имеет половые и возрастные различия. Этот показатель больше в положении стоя, чем в положении сидя или лёжа. Тренировочные режимы увеличивают ЖЕЛ. К статическим показателям внешнего дыхания также относится объем воздуха, который остаётся в лёгких после глубокого выдоха – остаточный объём (ОО) – 1200 мл и общая ёмкость лёгких (ОЕЛ), равная сумме жизненной ёмкости лёгких и остаточного объема лёгких: ОЕЛ = ЖЕЛ + ОО = 4,8 + 1,2 = 6,0 л 999

Общая ёмкость легких ОЕЛ является показателем максимального количества воздуха, которое может находиться в лёгких. Ещё одним показателем, характеризующим эффективность внешнего дыхания, является функциональная остаточная ёмкость – ФОЕ. Это объём воздуха, находящийся в лёгких в конце спокойного выдоха (при расслабленной дыхательной мускулатуре). Она равна сумме остаточного и резервного объёма выдоха ФОЕ = ОО + РВЫД = 1200+1300=2500 мл. Из этого объёма только 350 мл (ДО - О МЁРТ.

=800-150) обновляется в

ПР.

результате одного вдоха и выдоха, т.е. 1/7. Именно это обстоятельство создаёт постоянство газового состава альвеолярного воздуха, как газообразной внутренней

среды

организма.

Именно

эта

среда

будет

обеспечивать

оксигенацию крови малого круга кровообращения через газообмен в лёгких. Динамические показатели внешнего дыхания характеризуют вентиляцию лёгких. К ним относится минутный объём дыхания (МОД) – то количество воздуха, которое вдыхается или выдыхается в единицу времени: МОД = ЧД × ДО При частоте дыхания 16 /мин и ДО = 500 мл МОД = 8 л; вариации от 6 л (12/мин×500 мл) до 9 л (18/мин×500 мл). При одной и том же показателе МОД эффективность внешнего дыхания зависит не от общего объема вдыхаемого воздуха, а от объёма того воздуха, который через легочную мембрану (стенку альвеолы) обменивается с кровью альвеолярных

капилляров

малого

круга

кровообращения.

Этот

объём

называется минутной альвеолярной вентиляцией (МАВ). Его рассчитывают, учитывая то обстоятельство, что из дыхательного объема (ДО) объем воздуха, заполняющий воздухоносные пути (анатомически мёртвое пространство), не участвует

в

газообмене

в

лёгких.

Величина

анатомически

мёртвого

пространства составляет около 150 мл. Тогда МАВ = ЧД×(ДО − ОМЁРТ. ПР.) = 16 × 0,35 л = 5,6 л

101010

Таким образом, можно утверждать, что МАВ меньше МОД на величину вентиляции мертвого пространства. Поэтому, чем глубже дыхание при одной и той же ЧД, тем меньше вентиляция мертвого пространства и больше МАВ. При поверхностном и частом дыхании вентиляция мертвого пространства увеличивается, а МАВ уменьшается. Так, при МОД=8000 мл и ЧД=16/мин вентиляция

мёртвого

пространства

осуществляется

объёмом

воздуха

150×16=2400 мл, МАВ=8000−2400=5600 мл. При увеличении ЧД в 2 раза (32/мин) вентиляция мёртвого пространства 32×150 мл = 4800 мл, а МАВ=8000−4800=3200мл, что почти в 2 раза меньше, чем в первом случае. Это означает, что глубокое, но редкое дыхание является наиболее эффективным.

111111