Дыхание

Дыхание (далее по тексту — «Д.»; эта статья на английском — Breath) — это совокупность процессов, которые обеспечивают поступление в организм кислорода и выделение из него углекислого газа (внешнее Д.) и использование кислорода клетками и тканями для окисления органических веществ с освобождением содержащейся в них энергии, необходимой для жизнедеятельности (тканевое дыхание, клеточное Д.). Бескислородный путь освобождения энергии свойствен только небольшой группе организмов — так называемым анаэробам; в ходе эволюции освобождение энергии в результате Д. стало у подавляющего большинства организмов главным процессом, а анаэробные реакции сохранились в основном как промежуточные этапы обмена веществ.

Дыхание животных и человека

У простейших, губок, кишечнополостных и некоторых других организмов О₂ диффундирует непосредственно через поверхность тела. С усложнением организации и увеличением размеров тела появляются специальные дыхания органы, а также система кровообращения, в которой циркулирует жидкость — кровь или гемолимфа, содержащая вещества, способные связывать и переносить О₂ и CО₂ (см. гемоглобин). У насекомых О₂ поступает в ткани из системы воздухоносных трубочек — трахей. У водных животных, использующих растворённый в воде О₂, органами дыхания служат жабры, снабжённые богатой сетью кровеносных сосудов. В этом случае О₂, растворённый в воде, диффундирует в кровь, циркулирующую в сосудах жаберных щелей. У многих рыб значительную роль играет кишечное Д., при котором воздух заглатывается и О₂ поступает в кровь через кровеносные сосуды кишечника; некоторую роль в Д. рыб играет также плавательный пузырь; у многих обитающих в воде животных обмен газов (главным образом СО2) происходит и через кожу.

У сухопутных животных внешнее дыхание обеспечивается преимущественно лёгкими. У земноводных и многих других животных наряду с этим функционирует кожное Д. У птиц существенное значение имеют сообщающиеся с лёгкими воздушные мешки, которые изменяются в объёме при летательных движениях и облегчают Д. в полёте. У земноводных и пресмыкающихся воздух в лёгкие нагнетается движениями мышц дна рта. У птиц, млекопитающих и человека внешнее Д. обеспечивается ритмической работой дыхательных мышц (главным образом диафрагмы и межрёберных мышц), координируемой нервной системой. При сокращении этих мышц объём грудной клетки увеличивается и происходит растяжение находящихся в ней лёгких; поэтому возникает разность между атмосферным и внутрилёгочным давлением и воздух поступает в лёгкие (вдох). Выдох может быть пассивным — за счёт спадения растянутой во время вдоха грудной клетки, а вслед за ней и лёгких; активный выдох обусловлен сокращением некоторых групп мышц. Количество воздуха, поступающее в легкие за 1 вдох, называется дыхательным объёмом.

При дыхании дыхательная мускулатура преодолевает эластичное сопротивление, связанное с упругостью грудной клетки, тягой лёгких и поверхностным натяжением альвеол. Последнее, однако, значительно снижается под влиянием поверхностно активного вещества, вырабатываемого клетками альвеолярного эпителия; поэтому альвеолы при выдохе не спадаются, а при вдохе легко расширяются. Чем выше эластичное сопротивление, тем труднее растягиваются грудная клетка и лёгкие; при глубоком Д. работа дыхательной мускулатуры, затрачиваемая на его преодоление, резко возрастает. Неэластичное сопротивление Д. обусловлено главным образом трением воздуха при его движении по носовым ходам, гортани, трахее и бронхам. Оно зависит от скорости потока воздуха во время Д. и от его характера. При спокойном дыхании поток близок к ламинарному (линейному) в прямых участках воздухоносных путей и к турбулентному (вихревому) в местах разветвления или сужения. С увеличением скорости потока (при форсированном Д.) турбулентность возрастает и для продвижения воздуха требуется более высокая разность давлений, а следовательно, и увеличение работы дыхательных мышц. Неравномерное распределение сопротивления движению воздуха по дыхательным путям приводит к тому, что поступление воздуха в разные группы лёгочных альвеол происходит неравномерно; такая разница в вентиляции особенно значительна при лёгочных заболеваниях.

Количество воздуха, вентилирующее лёгкие в 1 минуту, называется минутным объёмом дыхания (МОД). МОД равен произведению дыхательного объёма на частоту Д. (число дыхательных движений в 1 мин, равное у человека примерно 15 — 18) и составляет у взрослого человека в покое 5 — 8 ^л/_мин. Только часть МОД (около 70%) участвует в обмене газов между вдыхаемым и альвеолярным воздухом, эту часть называют объёмом альвеолярной вентиляции; остальная часть МОД используется для «промывания» так называемого мёртвого, или вредного, пространства дыхательных путей, в котором к началу выдоха сохраняется наружный воздух, заполнивший его в конце предшествовавшего вдоха (объём мёртвого пространства около 160 мл). Вентиляция альвеол обеспечивает постоянство состава альвеолярного воздуха. Парциальное давление О₂(p_О2) и CО₂ (p_CО2) в альвеолярном воздухе колеблется в очень узких пределах и составляет для О₂ около 13 кн/м² (100 мм рт. cт.) и для СО₂ около 5,4 кн/м² (40 мм рт. ст.).

Обмен газов между альвеолярным воздухом и венозной кровью, поступающей в капилляры лёгких, осуществляется через альвеоло-капиллярную мембрану, общая поверхность которой очень велика (у человека около 90 м²). Диффузия О₂ в кровь обеспечивается разностью парциальных давлений О₂ в альвеолярном воздухе и в венозной крови (8 — 9 кн/м², или 60 — 70 мм рт. ст.). CО₂, приносимый кровью из тканей в связанной форме (бикарбонаты, соли угольной кислоты и карбгемоглобин), освобождается в капиллярах лёгких при участии фермента карбоангидразы и диффундирует из крови в альвеолы; разность p_CО2 между венозной кровью и альвеолярным воздухом составляет около 7 мм рт. ст.

Способность альвеолярной стенки пропускать О₂ и CО₂, так называемая диффузионная способность лёгких, очень велика: в покое она составляет в 1 мин примерно 30 мл О₂ на 1 мм разности pО₂ между альвеолярным воздухом и кровью; для CО₂ эта величина во много раз больше. Поэтому парциальное давление газов в оттекающей из лёгких артериальной крови успевает приблизиться к их давлению в альвеолярном воздухе. Переход О₂ в ткани и удаление из них CО₂ также происходят путём диффузии, т.к. p_О2 в тканевой жидкости 2,7 — 5,4 кн/м² (20 — 40 мм рт. ст.), а в клетках ещё ниже, а p_CО2 в клетках может достигать 60 мм рт. cт.:

Рис: Схема движение кислорода и углекислого газа в процессе дыхания (нажмите на картинку для увеличения)

Потребление О₂ клетками и тканями и образование ими CО₂, что составляет сущность тканевого, или клеточного, дыхания, — одна из основных форм диссимиляции, осуществляющейся у животных и растений в принципе одинаково. Высокое потребление О₂ характерно для тканей почек, коры больших полушарий головного мозга, сердца^[en]. В результате окислительно-восстановительных реакций тканевого Д. освобождается энергия, расходуемая на все жизненные проявления. Процесс этот осуществляется в митохондриях и складывается из дегидрирования субстратов Д. — углеводов и продуктов их расщепления, жиров и жирных кислот, аминокислот и продуктов их дезаминирования. Субстраты Д. поглощают О₂ и служат источником CО₂.

Отношение: CО₂/О₂ называется дыхательным коэффициентом.

Энергия, освобождающаяся при окислении органических веществ, не используется тканями непосредственно, т.к. около 70% её расходуется на образование АТФ — одной из аденозинфосфорных кислот, последующее ферментативное расщепление которой обеспечивает энергетические потребности тканей, органов и организма в целом (см. окисление биологическое, окислительное фосфорилирование). Таким образом, с биохимической точки зрения дыхание — это превращение энергии углеводов и других веществ в энергию макроэргических фосфатных связей.

Постоянство p_О2 и p_CО2 в альвеолярном воздухе, а стало быть, и в артериальной крови может поддерживаться лишь при условии, если альвеолярная вентиляция соответствует скорости потребления организмом О₂ и образования CО₂, т. е. уровню обмена веществ. Это условие обеспечивается благодаря совершенным механизмам регуляции Д. Управление частотой и глубиной Д. осуществляется рефлекторным путём. Так, повышение p_CО2 и снижение p_О2 в альвеолярном воздухе и в артериальной крови возбуждают хеморецепторы синокаротидной и кардиоаортальной зон, что приводит к возбуждению дыхательного центра и увеличению МОД. Согласно классическим представлениям, повышение p_CО2 в артериальной крови, омывающей дыхательный центр, также возбуждает его и вызывает увеличение МОД. Т. о., регуляция Д. по отклонению p_О2 и _CО2 в артериальной крови, осуществляемая по типу обратной связи, обеспечивает оптимальный МОД. Однако в ряде случаев, например при мышечной работе, МОД увеличивается до наступления в обмене веществ сдвигов, которые приводят к изменениям в газовом составе крови. Это усиление вентиляции обусловлено сигналами, поступающими в дыхательный центр от рецепторов двигательного аппарата, двигательной зоны коры больших полушарий мозга, а также условными рефлексами на различные сигналы, связанные с привычной работой и её обстановкой. Т. о., управление Д. осуществляется сложной самообучающейся системой не только по принципу регулирования по отклонению, но и по сигналам, предупреждающим о возможных отклонениях.

Смена вдоха и выдоха обеспечивается системой взаимодополняющих механизмов. Во время вдоха в дыхательный центр по волокнам блуждающих нервов поступают импульсы от рецепторов растяжения, находящихся в лёгких. При достижении лёгкими определённого объёма эта импульсация тормозит клетки дыхательного центра, возбуждение которых вызывает вдох. При выключении нервных путей, обеспечивающих поступление импульсов в дыхательный центр, ритмичность дыхания сохраняется благодаря автоматизму центра, однако характер ритма резко отличается от нормального. При нарушениях Д. и механизмов его регуляции возникают изменения газового состава крови (гипоксия).

Методы исследования дыхания разнообразны. В физиологии труда и спорта, клинической медицине широко применяют регистрацию глубины и частоты дыхательных движений, измерения газового состава выдыхаемого воздуха, артериальной крови, плеврального и альвеолярного давления. (Л. Л. Шик)

Смотрите также статью — Газообмен.

Подробнее о дыхании читайте^[en] в литературе:

• Сеченов И. М., Избранные труды, Москва, 1935;
• Холден Дж. и Пристли Дж., Дыхание, перевод с английского, М. — Л., 1937;
• Маршак М. Е., Регуляция дыхания у человека, М., 1961;
• Физиология человека, М., 1966;
• Comroe J. Н., Physiology of respiration, Chi., 1966;
• Dejours P., Respiration, Oxf., 1966.