Дихателната система: структура и действие

Дихателната система на човека се състои от дихателните пътища (горни и долни) и белите дробове. Дихателната система е отговорна за газообмена между организма и околната среда. Как е изградена дихателната система и как работи тя?

Човешката дихателна система трябва да позволява дишането - процесът на газообмен, а именно кислород и въглероден диоксид, между тялото и околната среда. Всяка клетка в тялото ни се нуждае от кислород, за да функционира правилно и да генерира енергия. Процесът на дишане е разделен на:

• външно дишане - донасяне на кислород до клетките
• вътрешно дишане - вътреклетъчно

Външното дишане възниква поради синхронизацията на дихателната система с нервните центрове и е разделено на редица процеси:

• белодробна вентилация
• дифузия на газове между алвеоларен въздух и кръв
• транспортиране на газове през кръвта
• дифузия на газове между кръвта и клетките

За да видите това видео, моля активирайте JavaScript и помислете за надстройка до уеб браузър, който поддържа видео

Структура на дихателната система

Дихателните пътища се състоят от:

• горните дихателни пътища, т.е. носната кухина (нашия кавум) и гърлото (фаринкса)
• долни дихателни пътища: ларинкс (ларинкса), трахея (трахея), бронх (бронхи) - отдясно и отляво, които допълнително се разделят на по-малки клонове, а най-малките стават бронхиоли (бронхиоли)

Крайната част на дихателните пътища води до алвеолите (алвеоли белодробни). Вдишваният въздух преминава през дихателните пътища и се изчиства от прах, бактерии и други малки примеси, овлажнява се и се затопля. От друга страна, структурата на бронхите, чрез комбинацията от хрущялни, еластични и гладкомускулни елементи, позволява регулирането на техния диаметър. Гърлото е мястото, където се пресичат дихателната и храносмилателната системи. Поради тази причина при преглъщане дишането спира и дихателните пътища се затварят през епиглотиса.

• бели дробове - сдвоени органи, разположени в гърдите.

По отношение на анатомичните и функционалните аспекти белите дробове са разделени на лобове (левият бял дроб на два, а десният на три), лобовете допълнително са разделени на сегменти, сегменти на лобули и лобули на клъстери.

Всеки бял дроб е заобиколен от два слоя съединителна тъкан - париеталната плевра (pleura parietalis) и белодробна плевра (pleura pulmonalis). Между тях е плевралната кухина (cavum pleurae), а течността в него позволява прилепването на белия дроб, покрит с белодробната плевра, към париеталната плевра, слята с вътрешната стена на гръдния кош.На мястото, където бронхите навлизат в белите дробове, има белодробни кухини, в които освен бронхите, също и артерии и белодробни вени.
Освен това скелетните набраздени мускули, кръвта и сърдечно-съдовата система и нервните центрове участват в сложния процес на дишане.

Белодробна вентилация

Същността на вентилацията е да привлича атмосферен въздух в алвеолите. Тъй като въздухът винаги тече от по-високо налягане към по-ниско налягане, подходящите мускулни групи участват във всяко вдишване и издишване, позволявайки всмукателните и налягащите движения на гърдите.

В края на издишването налягането в алвеолите е равно на атмосферното налягане, но докато вдишвате въздух, диафрагмата се свива (диафрагма) и външни междуребрени мускули (musculi intercostales externi), благодарение на което обемът на гърдите се увеличава и създава вакуум, който изсмуква въздуха.

Когато търсенето на вентилация се увеличи, се активират допълнителни инспираторни мускули: стерноклеидомастоидните мускули (musculi sternocleidomastoidei), гръдни мускули (musculi pectorales minores), предни зъбни мускули (musculi serrati anteriores), трапецовидни мускули (musculi trapezia), мускулите на лопатката на леватора (musculi levatores лопатки), големи и малки паралелограмни мускули (musculi rhomboidei maiores et minores) и наклонени мускули (мускулите се слеха).

Следващата стъпка е да издишате. Започва, когато инспираторните мускули се отпуснат в пика на вдишването. Обикновено това е пасивен процес, тъй като силите, генерирани от опънатите еластични елементи в белодробната тъкан, са достатъчни за намаляване на обема на гръдния кош. Налягането в алвеолите се повишава над атмосферното налягане и получената разлика в налягането отвежда въздуха навън.

Ситуацията е малко по-различна при силно издишване. Справяме се с него, когато дихателният ритъм е бавен, когато издишването изисква преодоляване на повишено дихателно съпротивление, например при някои белодробни заболявания, но също така и при фонаторна активност, особено при пеене или свирене на духови инструменти. Стимулират се мотонейроните на мускулите на издишването, които включват: вътрешни междуребрени мускули (musculi intercostales interni) и мускулите на предната коремна стена, особено на ректуса на корема (musculi recti abdominis).

Дихателна честота

Честотата на дишане е силно променлива и зависи от много различни фактори. Възрастен в покой трябва да диша 7-20 пъти в минута. Факторите, водещи до увеличаване на честотата на дишане, технически известни като тахипнея, включват упражнения, белодробни състояния и извънбелодробен дихателен дистрес. От друга страна, брадипнеята, т.е. значително намаляване на броя на вдишванията, може да е резултат от неврологични заболявания или централни странични ефекти на наркотични лекарства. Децата се различават от възрастните в това отношение: колкото по-малко е малкото дете, толкова по-висока е физиологичната честота на дишане.

Обеми и капацитет на белите дробове

• TLC (общ белодробен капацитет) - обемът, който е в белия дроб след най-дълбокия дъх
• IC - капацитет за вдишване - изтеглен в белите дробове по време на най-дълбокото вдишване след спокойно издишване
• IRV (инспираторен резервен обем) - инспираторен резервен обем - изтеглен в белите дробове по време на максималното вдишване, извършено в горната част на свободното вдишване
• Телевизор (дихателен обем) - дихателен обем - вдишване и издишване при свободно вдишване и издишване
• FRC - функционален остатъчен капацитет - остава в белите дробове след бавно издишване
• ERV (резервен обем на издишване) - резервен обем на издишване - отстранен от белите дробове по време на максимално издишване след свободно вдишване
• RV (остатъчен обем) - остатъчният обем - остава в белите дробове винаги по време на максимално издишване
• VC (жизнена вместимост) - жизнена способност - отстранява се от белите дробове след максимално вдишване по време на максимално издишване
• IVC (жизнена способност за вдишване) - жизнена способност за вдишване - изтеглена в белите дробове след най-дълбоко издишване при максимално вдишване може да бъде малко по-голяма от VC, тъй като при максимално издишване, последвано от максимално вдишване, алвеоларните проводници се затварят преди въздухът, запълващ мехурчетата, да бъде отстранен

С безплатно вдъхновение дихателният обем е 500 ml. Не всички от този обем обаче достигат до алвеолите. Около 150 ml запълва дихателните пътища, които нямат условия за газообмен между въздуха и кръвта, т.е. носната кухина, фаринкса, ларинкса, трахеята, бронхите и бронхиолите. Това се казва анатомично дихателно мъртво пространство. Останалите 350 ml се смесват с въздух, съставляващ остатъчния функционален капацитет, едновременно нагряван и наситен с водна пара. В алвеолите не целият въздух отново е газообразен. В капилярите на стените на някои от алвеолите няма кръв или недостатъчен кръвен поток, който да използва целия въздух за газообмен. Това е физиологичното дихателно мъртво пространство и е малко при здрави хора. За съжаление може да се увеличи значително при болестни състояния.

Средната честота на дишане в покой е 16 в минута, а дихателният обем е 500 ml, умножавайки тези две стойности, получаваме белодробна вентилация. От това следва, че приблизително 8 литра въздух се вдишват и издишват на минута. Докато извършвате бързи и дълбоки вдишвания, стойността може да се увеличи значително, дори от дузина до двадесет пъти.

Всички тези сложни параметри: капацитетите и обемите бяха въведени не само за да ни объркат, но имат значително приложение при диагностицирането на белодробни заболявания. Има тест - спирометрия, който измерва: VC, FEV1, FEV1 / VC, FVC, IC, TV, ERV и IRV. От съществено значение е за диагностика и мониторинг на заболявания като астма и ХОББ.

Дифузия на газове между алвеоларен въздух и кръв

Алвеолите са основната структура, която изгражда белите дробове. Има около 300-500 милиона от тях, всеки с диаметър от 0,15 до 0,6 мм, а общата им площ е от 50 до 90 m².

Стените на фоликулите са изградени от тънък, плосък, еднослоен епител. В допълнение към клетките, които изграждат епитела, фоликулите съдържат два други типа клетки: макрофаги (чревни клетки) и също фоликуларни клетки тип II, които произвеждат повърхностноактивното вещество. Това е смес от протеини, фосфолипиди и въглехидрати, произведени от мастни киселини в кръвта. Повърхностноактивното вещество, като намалява повърхностното напрежение, предотвратява слепването на алвеолите и намалява силите, необходими за разтягане на белите дробове. Отвън мехурчетата са покрити с мрежа от капиляри. Капилярите, попадащи в алвеолите, носят кръв, богата на въглероден диоксид, вода, но с малко количество кислород. За разлика от тях, в алвеоларния въздух парциалното налягане на кислорода е високо, а на въглеродния диоксид ниско. Газовата дифузия следва градиент на молекулярното налягане на газа, така че капилярните еритроцити улавят кислорода от въздуха и се отърват от въглеродния диоксид. Газовите частици трябва да преминат през алвеоларната стена и капилярната стена и по-точно през: слоя течност, покриващ алвеоларната повърхност, алвеоларния епител, базалната мембрана и капилярния ендотел.

Транспорт на газове през кръвта

• пренос на кислород

Първо, кислородът се разтваря физически в плазмата, но след това се дифузира през обвивката в червените кръвни клетки, където се свързва с хемоглобина, за да образува оксихемоглобин (оксигениран хемоглобин). Хемоглобинът играе много важна роля в транспорта на кислород, тъй като всяка от неговите молекули се комбинира с 4 кислородни молекули, като по този начин увеличава способността на кръвта да транспортира кислород до 70 пъти. Количеството транспортиран кислород, разтворен в плазмата, е толкова малко, че е без значение за дишането. Благодарение на кръвоносната система, кръвта, наситена с кислород, достига до всяка клетка на тялото.

• транспорт на въглероден диоксид

Въглеродният диоксид от тъканите навлиза в капилярите и се транспортира до белите дробове:

• приблизително 6% физически разтворени в плазмата и в цитоплазмата на еритроцитите
• приблизително 6%, свързани със свободни аминогрупи на плазмените протеини и хемоглобина (като карбамати)
• по-голямата част, т.е. около 88%, като HCO3 йони - свързани от бикарбонатната буферна система на плазмата и еритроцитите

Дифузия на газ между кръвта и клетките

За пореден път газовите молекули в тъканите преминават по градиента на налягането: кислородът, освободен от хемоглобина, се дифузира в тъканите, докато въглеродният диоксид се разпространява в обратна посока - от клетките към плазмата. Поради разликите в търсенето на кислород в различните тъкани, има и разлики в кислородното напрежение. В тъканите с интензивен метаболизъм напрежението на кислорода е ниско, така че те консумират повече кислород, докато дрениращата венозна кръв съдържа по-малко кислород и повече въглероден диоксид. Артериовенозната разлика в съдържанието на кислород е параметър, който определя степента на консумация на кислород от тъканите. Всяка тъкан е снабдена с артериална кръв със същото съдържание на кислород, докато венозната кръв може да съдържа повече или по-малко от нея.

Вътрешно дишане

Дишането на клетъчно ниво е многоетапен биохимичен процес, който включва окисляване на органични съединения, в които се произвежда биологично полезна енергия. Това е основен процес, който се случва дори когато други метаболитни процеси са спрени (анаеробните алтернативни процеси са неефективни и с ограничено значение).

Ключовата роля се играе от митохондриите - клетъчни органели, които приемат молекули кислород, дифузиращи вътре в клетката. Във външната мембрана на митохондриите има всички ензими от цикъла на Кребс (или цикъла на трикарбоксилните киселини), докато във вътрешната мембрана има ензими на дихателната верига.

В цикъла на Кребс метаболитите на захари, протеини и мазнини се окисляват до въглероден диоксид и вода с освобождаването на свободни водородни атоми или свободни електрони. По-нататък в дихателната верига - последният етап на вътреклетъчното дишане - чрез прехвърляне на електрони и протони към следващите конвейери се синтезират високоенергийни фосфорни съединения. Най-важният от тях е АТФ, т.е.аденозин-5'-трифосфат, универсален носител на химическа енергия, използван в клетъчния метаболизъм. Консумира се от множество ензими в процеси като биосинтеза, движение и клетъчно делене. Обработката на АТФ в живите организми е непрекъсната и се изчислява, че всеки ден човек преобразува количеството АТФ, сравнимо с телесното му тегло.

Регулиране на дишането

В разширеното ядро ​​има дихателен център, който регулира честотата и дълбочината на дишането. Състои се от два центъра с противоположни функции, изградени от два вида неврони. И двете са разположени в рамките на ретикуларната формация. В единичното ядро ​​и в предната част на задно-двусмисления блуждаещ нерв се намира инспираторният център, който изпраща нервни импулси към гръбначния мозък, към двигателните неврони на инспираторните мускули. За разлика от нея в двусмисленото ядро ​​на блуждаещия нерв и в задната част на задно-двусмисления блуждаещ нерв има център за издишване, който стимулира двигателните неврони на мускулите на издишването.

Невроните на центъра за вдъхновение изпращат залп от нервни импулси няколко пъти в минута, които преминават по клона, спускащ се до моторните неврони в гръбначния мозък и едновременно с аксоновия клон, изкачващ се до невроните на ретикуларната формация на моста. Има пневмотаксичен център, който инхибира инспираторния център за 1-2 секунди и след това инспираторният център отново стимулира. Поради последователни периоди на стимулация и инхибиране на центъра за вдишване се осигурява ритмичност на вдишванията.
Инспираторният център се регулира от нервни импулси, възникващи в:

• цервикални и аортни гломерулни хеморецептори, които реагират на повишаване на концентрацията на въглероден диоксид, концентрация на водородни йони или значително намаляване на артериалната концентрация на кислород; импулсите от аортните бучки пътуват през глософарингеалните и блуждаещите нерви. и ефектът е да се ускорят и задълбочат вдишванията
• интерорецептори на белодробната тъкан и гръдни проприорецептори;
• между гладките мускули на бронхите има механични рецептори за надуване, те се стимулират чрез разтягане на белодробната тъкан, което задейства издишването; след това намалява разтягането на белодробната тъкан по време на издишване, активира други механични рецептори, този път дефлационни, които задействат вдъхновение; Това явление се нарича рефлекси на Херинг-Бройер;
• Позицията на вдишване или издишване на гръдния кош дразни съответните проприорецептори и променя честотата и дълбочината на вдишванията: колкото по-дълбоко е вдишването, толкова по-дълбоко е издишването след него;
• центрове на горните нива на мозъка: мозъчната кора, лимбичната система, центърът за терморегулация в хипоталамуса