Жизнедеятельность всех живых существ требует значительного количества энергии, получение которой происходит при дыхании. Этот процесс возможен благодаря закону сохранения энергии, согласно которому при распаде веществ происходит выделение энергии, которая у живых организмов запасается в форме АТФ, что осуществляется путем фосфорилирования в митохондриях клеток или цитоплазме. В зависимости от использования кислорода, различают анаэробный и аэробный типы дыхания. Возможность использования кислорода в процессе дыхания стала возможной благодаря эволюции, так как это существенно повысило чистый выход энергии – так, в то время как окисление в анаэробных условиях одной молекулы глюкозы приносит 2 молекулы АТФ, в аэробных условиях та же молекула позволяет получить 38 молекул АТФ. Однако, так как кислород является газом, для поддержания достаточного количества этого соединения в организме потребовалось значительное изменение дыхательной, кровеносной и ферментных систем. Таким образом, выделяют тканевое дыхание, которое происходит на уровне тканей, и внешнее, в основе которого лежит адекватное обеспечение газового состава крови путем обмена с внешней средой.
Дыхание у человека
Дыхание – комплекс процессов, обеспечивающих доставку и потребление кислорода, а также вывод углекислого газа.
В зависимости от уровня, на котором происходят интересующие изменения, принято выделять:
- внешнее дыхание;
- тканевое дыхание.
Внешнее дыхание включает движение воздуха наружу и внутрь легких, в процессе которого происходит диффузия кислорода и углекислого газа в кровь или из нее в альвеолах. Главная задача этого процесса – поддержание кислорода в крови на уровне, достаточном для обеспечения аэробного клеточного дыхания.
Тканевое дыхание включает совокупность процессов, протекающих на уровне тканей, основной целью которого является получение энергии в форме АТФ. Аэробное (с использованием кислорода) тканевое дыхание характерно для птиц, рептилий и млекопитающих.
Внешнее и внутреннее дыхание связаны между собой посредством сердечно-сосудистой системы, благодаря которой осуществляется доставка кислорода от легких к периферическим тканям.
Дыхание является необходимым условием для поддержания жизни в организме.
Дыхание у детей
Дыхание у детей может иметь особенности, обусловленные строением дыхательной системы маленьких детей.
Дыхание у плода начинается еще до рождения и осуществляется путем диффузии кислорода через гемоплацентарный барьер. Это возможно благодаря более высокому сродству гемоглобина плода к кислороду, чем у новорожденных или взрослых. У новорожденных некоторое время после рождения преобладает HbF, который после активизации легочного дыхания заменяется на HbA.
Также значительное влияние на дыхание оказывает срок, в который произошло рождение ребенка. Так, если ребенок недоношен и родился в возрасте 26-27 недель, может развиться тяжелый респираторный дистресс синдром, что при отсутствии действий, направленных на компенсацию нарушений, приведет к гибели плода. Такое тяжелое нарушение обусловлено отсутствием сурфактанта – поверхностно-активного вещества, позволяющего альвеолам не спадаться.
У маленьких детей носовые ходы узкие и формируются лишь к 3 годам. Слизистая носовой полости нежная и имеет богатую васкуляризацию, в связи с чем при ее отеке, обусловленном аллергическими или воспалительными процессами, быстро развивается заложенность носа. Также отмечаются особенности и у околоносовых пазух. В то время как лобная пазуха у них не сформирована, гайморовы, этмоидальная и клиновидная пазухи развиваются только к 14 годам.
Имеет особенности и строение глотки, лимфоидная ткань которой может подвергнуться гиперплазии с развитием нарушений дыхания у детей (при аденоидах – гипертрофии глоточной миндалины). В связи узостью просвета и богатой васкуляризацией у детей часто развиваются стенозирующие ларингиты. Изменение же голосовых связок приводит к изменению голоса.
Дыхание у детей, в связи с особенностями строения грудной клетки, преимущественно брюшное и имеет поверхностный характер. Диафрагма с возрастом сокращается интенсивнее. После 5-6 лет у девочек увеличивается частота грудного дыхания. В связи с особенностями строения бронхиального дерева и продукцией большого количества вязкой слизи, у детей высока вероятность развития бронхиальной обструкции. Также с возрастом увеличивается количество альвеол в легочной ткани. Так, при рождении их число составляет порядка 60 млн, в то время как к 11-14 годам их количество составляет 375 млн. Запасов кислорода у детей хватает на 5-7 минут.
Частота дыхания у детей меняется с возрастом, что связано с повышением эффективности дыхательного процесса и составляет у:
- новорожденных от 45 до 65 в минуту;
- детей 1 года от 30 до 40 в минуту;
- детей 5 лет от 20 до 30 минуту;
- детей 10 лет от 18 до 19 в минуту.
В связи с недостаточным развитием иммунной защиты и низкой эффективностью мукоцилиарного клиренса (в основе которого лежит движение ресничек слизистой, обеспечивающее эвакуацию слизи в направлении ротовой полости), у детей часто развиваются острые респираторные заболевания. Также значительное влияние на развитие инфекционного поражения оказывает скученность детей в коллективах (детском саду, школе, секциях).
Дыхание у взрослых
Дыхание у взрослого человека, как правило, бывает двух типов:
- грудное – вентиляция легочной ткани обеспечивается преимущественно за счет расширения грудной клетки, в чем принимает активное участие дыхательная мускулатура;
- брюшное – вентиляция легочной ткани обеспечивается преимущественно за счет сокращения диафрагмы, опущение которой увеличивает грудную полость, создавая условия для дыхательного процесса.
У женщин преобладает грудное дыхание, что связано с возможной беременностью, при которой важно уменьшить движение диафрагмы. Это имеет большое значение для дыхания, когда увеличенная матка повышает давление в брюшной полости, что затрудняет движение диафрагмы.
У мужчин же преобладает брюшной тип дыхания.
Частота дыхания у взрослого человека в норме составляет от 16 до 18 в минуту.
Существенное влияние на дыхание оказывают воспалительные процессы, связанные с курением. При длительном курении на фоне воздействия вредных веществ, возникает воспаление в верхних дыхательных путях, которое в большинстве случаев приводит к хроническому бронхиту, нередко вызывающему обструктивные нарушения дыхания (в основе которых лежит ухудшение проходимости бронхов). По статистике, распространенность курящего населения в России составляет 23%, то есть практически каждый 4-й взрослый человек страдает от этой вредной привычки, в связи с чем этой проблеме следует уделять значительное влияние.
Дыхание у пожилых
Дыхание у пожилого человека зависит от большого количества факторов. Так, с возрастом наблюдается большое количество сопутствующих заболеваний, затрагивающих дыхательные процессы прямо или косвенно.
Так, прогрессирующие с возрастом изменения хрящевой ткани вызывают уменьшение подвижности реберного каркаса грудной клетки. Это затрудняет ее увеличение для легочной вентиляции и повышает энергозатраты, сопряженные с работой дыхательной мускулатуры.
Также существенные изменения отмечаются в воздухоносных путях. Так, уменьшается просвет бронхиального дерева на фоне дегенеративных изменений бронхов и перенесенных воспалительных процессов. Также, с возрастом прогрессируют атрофические изменения в эпителии бронхов, отмечается ухудшение работы бронхиальных желез, практически отсутствует мукоцилиарный клиренс. Кроме того, на фоне снижения чувствительности, отмечается ослабление кашлевого рефлекса, что оказывает значительное влияние на развитие и динамику воспалительных процессов в легочной ткани.
С возрастом изменяются характеристики легочной ткани. Так, отмечается снижение эластичности и дыхательной емкости легких, что обусловлено увеличением количества воздуха, не принимающего участия в процессе дыхания.
Кроме того, у пожилых людей, в большинстве случаев, имеются проблемы с работой сердца, что становится причиной появления одышки, обусловленной нарастающей гипоксией тканей.
В связи со снижением компенсаторных возможностей, воспалительные процессы в органах системы дыхания нередко проходят тяжелее, чем у более молодых людей. Также, ввиду снижения выраженности иммунного ответа, воспалительные процессы протекают у пожилых преимущественно в стертой форме, в связи с чем к состоянию их здоровья требуется повышенное внимание близких.
Система дыхания
Система дыхания, состоящая из внутреннего (тканевого) и внешнего компонентов, обеспечивает организм энергией.
Также значительное влияние на ее работу оказывают:
- внешние факторы (температура, влажность воздуха, атмосферное давление);
- функционирование сердечно-сосудистой системы;
- болезни крови (как правило, с нарушением функций эритроцитов);
- нервные факторы;
- гуморальные факторы;
- потребность тканей в кислороде (возрастает при нагрузках и уменьшается в покое).
Система внешнего дыхания
Система внешнего дыхания обеспечивает своевременное поступление кислорода в кровь и вывод избытка углекислого газа из нее, что играет огромное значение для жизни организма. Регулирование деятельности осуществляется из дыхательного центра, расположенного в продолговатом мозге.
Органы внешнего дыхания
Органы внешнего дыхания обеспечивают снижение концентрации углекислого газа и повышение концентрации кислорода в бронхиальном дереве и респираторных отделах дыхательного тракта, а также эффективный газообмен между кровью и воздухом в просвете альвеол.
Органы внешнего дыхания включают в себя:
- дыхательные, или воздухоносные пути;
- эластическую ткань легких;
- грудную клетку.
К дыхательным путям относят органы дыхания, через которые происходит доставка и выведение воздуха из респираторных отделов легких. К ним относят:
- нос;
- полость носа;
- носоглотку;
- гортань;
- трахею;
- бронхи;
- бронхиолы.
Эти органы не принимают непосредственного участия в газообмене, однако расширение или сужение их просвета может существенно влиять на него.
В носу происходит очищение воздуха от крупных частиц и его согревание.
В носовой полости, кроме этих функций добавляется защитная реакция иммунитета, которая обеспечивается за счет секреторных иммуноглобулинов группы А. В носоглотке находится большое количество лимфоидной ткани, обеспечивающей своевременную реакцию организма на различных возбудителей.
Над гортанью, которая выполняет преимущественно речевую функцию (формируются сила, высота и тембр голоса), находится надгортанник, который, в процессе глотания, опускается. Это обеспечивает закрытие дыхательных путей от попадания в них инородных тел с последующей обтурацией просвета.
Трахея представлена трубкой, в составе которой имеются хрящевые полукольца, обеспечивающие сохранение просвета. Трахея разделяется на два бронха – правый (более короткий и составляет меньший угол с трахеей, что обусловливает большую частоту его обтурации при попадании инородных тел) и левый (реже подвергается обтурации).
Бронхи дают более мелкие ответвления, переходя в итоге в бронхиолы – терминальные отделы бронхиального дерева, дистальнее которых находится альвеолярная ткань легких в форме ацинусов (от слова виноград). Установлено, что бронхиолы в норме ветвятся 23 раза, из которых первые 16 ответвлений носят исключительно транспортную функцию, в то время как 17-23 поколения ответвлений принимают участие в дыхании, так как непосредственно от них отходят альвеолы. Также интересным является тот факт, что по мере ветвления площадь общего сечения дыхательных путей увеличивается почти в 5 тысяч раз.
Эластическая ткань легких является наиболее важной из органов внешнего дыхания. В ней находится бронхиальное дерево, в то время как сама легочная ткань отвечает непосредственно за газообмен. В респираторном отделе системы внешнего дыхания представлены альвеолоциты. Именно в этом отделе происходят основные процессы внешнего дыхания.
Функции альвеолоцитов:
- I типа – компонент аэрогематического барьера, занимают более 96% ткани легких;
- II типа – обеспечивают синтез сурфактанта, слизи, интерферона и регулируют транспорт жидкостей в просвет альвеол;
- III типа – обеспечивают всасывание жидкости и являются хеморецепторами.
Грудная клетка представлена реберно-хрящевым каркасом, окруженным группами мышц, обеспечивающих дыхательные движения. Также внутри грудной клетки находится диафрагма – мышца куполообразной формы (в состоянии расслабления), принимающая активное участие при дыхании.
Процесс дыхания у человека сопровождается расширением грудной полости (вдох), после чего происходит растяжение ткани легких с увеличением их внутреннего объема. Отрицательное давление внутри легочной ткани приводит к появлению потоков воздуха, стремящихся внутрь. При выдохе происходит возвращение грудной клетки в первоначальное состояние, в результате чего отмечается сокращение легочной ткани. Это приводит к возрастанию давления внутри легких и частичному выходу воздуха.
Процесс дыхания в легких
Процесс дыхания включает два компонента:
- доставку и эвакуацию воздуха из респираторных отделов легочной ткани;
- газообмен в альвеолах.
Доставка и эвакуация воздуха через воздухоносные пути осуществляется, как правило, в норме, с определенной регулярностью, которую также называют частота дыхания.
Процесс дыхания в альвеолах основан на принципах диффузии газов через мембрану и имеет два этапа:
- переход газов через аэрогематический барьер;
- связывание газов с плазмой и эритроцитами.
Переход газов и их связывание с кровью обеспечивается парциальным давлением, под которым подразумевает давление, создаваемое одним газом (например, кислородом) из общей смеси нескольких газов (например, воздуха). В связи с тем, что ткани захватывают кислород, используя его для тканевого дыхания, побочным продуктом которого является углекислый газ, парциальное давление газов значительно меняется с током крови. Так, парциальное давление кислорода в крови, выходящей из легких приближается к парциальному давлению кислорода в воздухе в альвеол, однако в капиллярной и венозной крови, выходящей из тканей, парциальное давление кислорода з