Главная площадка для газообмена — альвеолы. Чтобы понять, как кислород и углекислый газ проходят через дыхательную поверхность, нужно вспомнить два газовых закона, сформулированных английскими химиками Джоном Дальтоном (1766–1844 гг.) и Уильямом Генри (1774–1836 гг.). Однако, поскольку это не учебник по физике или химии, вам следует помнить лишь одно: газы оказывают давление. Представьте, что вы пытаетесь надуть воздушный шар так, чтобы он лопнул, — вот вам давление!
Внешнее дыхание происходит в альвеоле (справа), которая является частью легочной доли (слева).
Альвеолы состоят из трех типов клеток. Первые два называются пневмоцитами. Тип I образует сплющенные стенки альвеолярных мешков, в которых происходит диффузия газа. Тип II, кубовидный по форме, выделяет в альвеолярное пространство смесь белков и жирных соединений — легочный сурфактант. Он уменьшает поверхностное натяжение, которое создает выдыхаемая влага. Это позволяет альвеолам и легким расширяться без давления.
Третья группа клеток — это альвеолярные макрофаги, которые защищают воздушное пространство от попавших в него патогенов. Недосмотр на этом уровне чреват развитием тяжелых инфекций (например, пневмонии), которые возникают, когда воздушные мешки воспаляются и заполняются жидкостью или гноем. Если вдохнуть другие вещества, кроме воздуха (рвоту, желудочный сок, еду, жидкости и проч.), и они дойдут до легких, то может возникнуть аспирационная пневмония. Как правило, в таком случае эффективное лечение включает облегчение симптомов и прием антибиотиков или противовирусных препаратов.
Переход из высокой области давления в низкую
Каждая молекула газа оказывает свое давление — парциальное давление, связанное с концентрацией газа. Газы, как и жидкости, переходят из областей высокого давления в области низкого. Поэтому углекислый газ на дыхательной поверхности перемещается из области высокого парциального давления (в легочном капилляре) в область низкого парциального давления (альвеолярное пространство). Кислород движется в обратном направлении: из области высокого парциального давления (альвеолярное пространство) в область низкого парциального давления (легочный капилляр). Это происходит до тех пор, пока газы не будут уравновешены. Если по какой-либо причине в альвеолярном пространстве не хватает кислорода, то парциальное давление снижается, а капилляры ловко сужаются, предотвращая потерю кислорода и перенаправляя кровь в другую альвеолу с более высоким парциальным давлением. Когда ненасыщенные кислородом эритроциты проходят через дыхательную поверхность, углекислый газ диффундирует наружу, а кислород проходит внутрь и обогащает кровь.
Помните: когда мы говорим о «дыхании», то подразумеваем газовый обмен, а не выработку энергии, которая характерна для клеточного дыхания (глюкоза + кислород → углекислый газ + вода + энергия).
Внешнее дыхание происходит только в альвеолах. Парциальное давление в этом случае будет такое:
Диффузия O2 в альвеолярном пространстве → кровь
Диффузия CO2 в крови → альвеолярное пространство.
Внутреннее дыхание происходит во всех тканях. Парциальное давление в этом случае работает так:
Диффузия O2 в крови → внеклеточная жидкость → клетки
Диффузия CO2 в клетках → внеклеточная жидкость → кровь.
Вдох-выдох
В среднем человек делает более 17 000 вдохов в день. Иногда к ним добавляется еще 6000. Несмотря на это, вы, должно быть, удивитесь, узнав, что многие люди не знают, как правильно дышать. Большинство из нас использует лишь небольшую часть объема легких для дыхания. Считается, что это приводит к множеству проблем со здоровьем, включая высокое кровяное давление, стресс и тревожность.
Дыхательный акт, или вентиляция легких, состоит из вдоха и выхода. В момент вдоха мышечно-фиброзный купол, отделяющий грудь от живота (диафрагма), сокращается и уплощается. В это же время межреберные мышцы, пролегающие между ребрами, сокращаются и расправляются, из-за чего грудная клетка расширяется и приподнимается. Объем легких увеличивается, давление в них падает ниже атмосферного, а воздух начинается затягиваться внутрь. При выдохе мышцы расслабляются, а легкие и грудная клетка возвращаются в исходное состояние. В результате давление в легких повышается и воздух вытесняется наружу.
Диафрагма
В диафрагме есть белая фиброзная часть, отверстия для крупных кровеносных сосудов и пищевода, а также периферические поперечно-полосатые мышцы для прикрепления к соседним структурам. Диафрагма получает команду для сокращения или расслабления по диафрагмальным нервам (слева и справа), которые находятся в шее. Повреждение этих нервов может привести к параличу диафрагмы — если затронуты обе стороны.
Если вы с трудом выполняете физические упражнения и быстро начинаете задыхаться, возможно, у вас есть проблемы с диафрагмой (или иннервирующими ее нервами).
Односторонний паралич часто протекает бессимптомно, и его обнаруживают случайно на рентгеновских снимках. Двусторонний паралич проявляется в виде плохой переносимости физических упражнений, одышки и усталости.
Процесс дыхания требует слаженной работы различных структур, поддерживающих жизнь.
Частота дыхания
Частота дыхания служит признаком физической формы человека. Она зависит скорее от уровня углекислого газа в крови, чем от содержания в ней кислорода. Наш мозг, а точнее его отдельные области (продолговатый мозг и Варолиев мост в стволе головного мозга), содержат хеморецепторы, которые следят за изменением pH крови. Кислотность возникает при повышенном уровне ионов водорода из-за наличия углекислого газа. Продолговатый мозг регулирует непроизвольное дыхание, посылая сигналы нужным мышцам, а Варолиев мост контролирует частоту дыхания. Повреждение этих структур часто приводит к смерти.
Транспорт крови
Воздух, которым мы дышим, содержит только 21 % кислорода. Все остальное — это азот, аргон, углекислый газ, водород и неон. Несмотря на это, дыхательная система забирает из воздуха только кислород. Эта способность появилась у нее из-за сродства гемоглобина к кислороду.
Транспорт кислорода
Сама плазма переносит сравнительно малое количество кислорода. А перед тем как попасть в эритроциты (см. параграф «Эритроциты: трудная жизнь переносчика кислорода» на стр. 131–134), молекулы кислорода должны раствориться в плазме. Большая часть кислорода перемещается в форме оксигемоглобина в эритроцитах. Кислород «загружают» в легких. Это происходит при связывании молекул кислорода с гемоглобином. «Разгрузка кислорода» проводится в метаболизированных тканях и сводится к тому, что кислород диссоциирует из гемоглобина (в результате чего появляется дезоксигемоглобин) и диффундирует в плазму по направлению к клеткам. Отгрузке кислорода способствуют различные факторы: повышенная температура, концентрация углекислого газа и кислотность.
Транспорт углекислого газа
Есть три способа переноса углекислого газа, или диоксида углерода, в крови. Большая его часть транспортируется в форме бикарбоната: диоксид углерода, диффундирующий из тканей, попадает в эритроцит, где под действием фермента карбоангидразы он превращается в бикарбонат, который может диффундировать в плазму. Это помогает контролировать кислотность крови. Как только бикарбонат попадает в легкие, он вновь связывается с эритроцитом и восстанавливается, а затем уже диффундирует в виде молекулы свободного диоксида углерода.
Это модель молекулярной структуры оксигемоглобина — основного способа передвижения молекул кислорода в крови.
Чуть меньшее количество углекислого газа связывается напрямую с гемоглобином и образует карбаминогемоглобин. Вероятность такого объединения зависит от насыщенности гемоглобина кислородом. И совсем крохотный объем углекислого газа растворяется в плазме.
«Однолегочная вентиляция», или «изоляция легких», — так в торакальной анестезии обозначают избирательную вентиляцию одного из легких пациента при операции с коллапсом другого легкого. Такую процедуру часто проводят с использованием эндобронхиальной трубки, которую вставляют в трахею и опускают в один из бронхов. Однако анестезиологам с небольшим профессиональным опытом во время операции довольно трудно провести изоляцию легких. Особенно если у пациента сложные дыхательные пути. Современные способы отработки этого метода включают манекены и симуляторы виртуальной реальности. А группа американских врачей из Кливленда, штат Огайо, во главе с доктором Серхио Бустаманте провела исследование по использованию технологии 3D-печати. Вооружившись компьютерной томограммой классических дыхательных путей и тех, которые создавали трудности при изоляции легких, врачи воссоздали 3D-модели каждого из таких случаев, которые затем использовались для обучения.
Технологию 3D-печати можно использовать, чтобы подготовиться к операции пациентов с уникальной анатомией дыхательных путей.
Шалости дыхания
Дыхательные рефлексы помогают защитить дыхательные пути от потенциально вредных раздражителей. Кроме того, они регулируют процесс дыхания при определенных обстоятельствах. Эмоциональные центры в мозге запускают различные действия (смех или плач), в которых участвуют дыхательные пути. Но мы до сих пор не знаем, почему и как человек зевает и икает.
Глава 8. Транзитный узел
Нервная система
Если бы у систем органов был лидер, им бы была нервная система. Она предоставляет ресурсы, с которыми физиологические системы сверяются перед тем, как начать действовать. Нервная система контролирует все, что мы делаем, управляет основными функциями в организме и помогает нам двигаться. Эта система позволяет думать, понимать, запоминать и учиться, а также различать то, что приятно — и что причиняет боль.