б). Сокращение мышц брюшного пресса еще больше усиливает это давление. Вследствие этого объем грудной полости уменьшается, создается высокое давление и воздух выходит из легких.
Межреберные мышцы за счет разворачивания ребер в стороны и некоторого поднятия их вверх увеличивают объем грудной полости, что и приводит к засасыванию в нее воздуха. При выдохе они расслабляются и в силу анатомических особенностей устройства ребер и грудной клетки и их тяжести грудная клетка принимает свое исходное положение. В результате этого в легких создается повышенное давление и воздух устремляется наружу. Внутренние межреберные мышцы и мышцы живота помогают сделать форсированный выдох.
В зависимости от того, какие мышцы задействованы во время дыхания, различают четыре типа дыхания: нижнее, среднее, верхнее и смешанное (рис. 4).
Рис. 4. Типы дыхания: а – нижнее; б – среднее; в – верхнее; г – смешанное
НИЖНЕЕ ДЫХАНИЕ, или «брюшное», «диафрагмальное» – это когда в дыхательных движениях участвует только диафрагма, а грудная клетка остается неподвижной. При этом в основном вентилируется нижняя часть легких и немного средняя.
СРЕДНЕЕ ДЫХАНИЕ, или «реберное», – когда в дыхательных движениях участвуют межреберные мышцы, грудная клетка расширяется в стороны и несколько поднимается вверх. Диафрагма при этом слегка поднимается.
ВЕРХНЕЕ ДЫХАНИЕ, или «ключичное», – когда дыхание осуществляется только за счет поднятия ключиц и плеч вверх, при неподвижной грудной клетке и некотором втягивании диафрагмы. При этом в основном вентилируются верхушки легких и немного средняя часть.
СМЕШАННОЕ ДЫХАНИЕ, или «полное дыхание», объединяет в себе все вышеуказанные типы дыхания, равномерно вентилируя все части легких.
При спокойном дыхании не все альвеолы участвуют в дыхании одновременно, часть альвеол находится в состоянии покоя. Они раскрываются при усиленном дыхании во время мышечной работы и при действии на организм разреженного воздуха (в горах). Таким образом, в легких, как и в капиллярах кровеносной системы, при небольшом уровне активности происходит попеременное включение в деятельность то одних, то других «функциональных единиц» (альвеол).
Легкие в зависимости от глубины вдоха и выдоха заполняются воздухом в разной степени. Воздух, содержащийся в легких после максимального выдоха, называется остаточным. Объем вдоха и выдоха при спокойном дыхании составляет 500 мл и называется дыхательным воздухом. Разница между дыхательным воздухом и остаточным, который выдыхается только при максимальном выдохе, называется резервным воздухом. И наконец, то количество воздуха, которое человек может вдохнуть сверх среднего вдоха при максимальном, называется дополнительным. Воздух, не участвующий в газообмене, но находящийся в воздухоносных путях, называется вредным пространством. Его объем примерно равен 150 мл. Сумма дыхательного, резервного и дополнительного воздуха называется жизненной емкостью легких.
Вдыхаемый воздух является смесью альвеолярного и атмосферного воздуха, имеющегося в воздухоносных путях. Если собирать выдыхаемый за один выдох воздух последовательными порциями, то получается следующее: вначале выходит воздух, состав которого такой же, как и атмосферного, далее процент углекислого газа растет, а кислорода снижается. В самом конце выдоха в воздухе содержится 5,5% углекислого газа, а кислорода только 14%. Разница в составе объясняется тем, что выдыхаемый воздух содержит не только воздух, заполнивший альвеолы и участвующий в газообмене с кровью, но и воздух вредного пространства.
Глубокое и быстрое дыхание вымывает из организма углекислый газ, дефицит которого в организме вызывает сужение бронхов и сосудов, приводит к кислородному голоданию клеток мозга, сердца, почек и других органов, поднимает артериальное давление, нарушает обмен веществ. Физиолог Д. Гендерсон многочисленными экспериментами на животных доказал пагубность такого дыхания. Эти эксперименты проводились им в начале нынешнего столетия.
После разбора первой ступени дыхательного процесса – внешнего дыхания, разберем вторую ступень – транспортировку газов кровью.
Обмен газов между легкими и кровью происходит в силу разности их парциального давления. У человека в альвеолярном воздухе в норме углекислого газа содержится 5—6%, кислорода – 13,5—15%, азота – 80%. При таком процентном содержании кислорода и общем давлении в одну атмосферу его парциальное давление составляет 100—110 мм рт. ст. Парциальное давление этого газа в притекающей в легкие венозной крови всего 60—75 мм рт. ст. Образующейся разности в давлении вполне достаточно для обеспечения диффузии в кровь 6 л кислорода в минуту. Такого количества вполне достаточно для того, чтобы человек мог выполнять самую тяжелую работу. Во время покоя в кровь поступает около 300 мл кислорода.
В крови, оттекающей от легких, почти весь кислород находится в химически связанном с гемоглобином состоянии, а не растворен в плазме крови. Наличие дыхательного пигмента – гемоглобина в крови позволяет при небольшом собственном объеме жидкости переносить значительное количество газов.
Кислородная емкость крови определяется количеством кислорода, которое может связать гемоглобин. Реакция между кислородом и гемоглобином обратима. Когда гемоглобин связан с кислородом, он переходит в оксигемоглобин. На высотах до 2000 м над уровнем моря артериальная кровь насыщена кислородом на 96—98%. При мышечном покое содержание кислорода в венозной крови, притекающей к легким, составляет 65—75% того содержимого, которое имеется в артериальной крови. При напряженной мышечной работе эта разница увеличивается.
При превращении оксигемоглобина в гемоглобин цвет крови изменяется: из ало-красной она становится темно-лиловой и наоборот. Чем меньше оксигемоглобина, тем темнее кровь, а когда его совсем мало – слизистые оболочки приобретают серовато-синюшную окраску. (Используя это свойство, вы можете контролировать степень насыщения кислородом организма после дыхательной тренировки. Если конъюнктива глаза становится алой – все нормально, если нет – тренировка слаба или неправильно проводится.)
Насыщение организма кислородом можно выразить следующей формулой: О2 = К (Ра – Рк), где Ра – парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе; Рк – парциальное давление его в крови; К – индивидуальная константа.
Теперь подробно разберем каждый показатель этой формулы. Ра альвеолярного воздуха до высоты 2000 м почти не изменяется и практически мы на него мало чем можем повлиять. Зато на Рк – парциальное давление кислорода в крови – мы можем сильно влиять. Повышение температуры значительно увеличивает скорость отдачи оксигемоглобина кислорода, мало сказываясь на скорости реакции его соединения с кислородом в легких. Уменьшение Рк повышает насыщение крови кислородом. Этому же способствует и сдвиг кислотно-щелочной реакции крови в кислую сторону. Сдвиг же в щелочную, наоборот, приводит к повышению связывания кислорода с кровью, в результате чего оксигемоглобин хуже отдает кислород тканям. Наиболее важной причиной изменения реакции крови является содержание в ней углекислоты, которая в свою очередь зависит от наличия в крови углекислого газа.
Поэтому чем больше в крови углекислого газа, тем больше углекислоты, а следовательно, и сильнее сдвиг кислотно-щелочной реакции крови в кислую сторону, что способствует насыщению крови кислородом и облегчает отдачу его оксигемоглобином в ткани. При этом концентрация в крови углекислого газа наиболее сильно из всех вышеуказанных факторов влияет на насыщение кислородом крови и отдачи его тканям. Но особенно сильно на Рк влияет мышечная работа или повышенная активность органа, приводящая к повышению температуры, значительному образованию углекислого газа, естественно большему сдвигу в кислую сторону, понижению напряженности кислорода.
Именно в этих случаях происходит наибольшее насыщение кислородом крови и всего организма в целом. К – индивидуальная константа человека – зависит от многих факторов, главными из которых являются следующие: общая поверхность мембран альвеол, толщина и свойства самой мембраны, качество гемоглобина, психическое состояние человека. Раскроем эти понятия.
1. Общая поверхность мембран альвеол, через которую идет диффузия газов, меняется от 30 м2 при выдохе до 100 м2 при глубоком вдохе.
2. Толщина и свойства альвеолярной мембраны зависят от наличия на ней слизи, выделяемой из организма через легкие (рис. 5), а свойства самой мембраны – от ее эластичности, которая, увы, с возрастом ухудшается и определяется питанием человека.
3. Ввиду того что в стенках альвеол имеются нервные окончания, различные нервные импульсы, вызванные эмоциями и т. д., могут значительно влиять на проницаемость альвеолярных мембран. Например, когда человек в подавленном состоянии, ему и дышится тяжело, а когда в веселом – воздух сам вливается в легкие.
Рис. 5. Альвеолы: а – чистые; б – загрязненные слизью, ухудшающей качество газообмена
Поэтому величина К (индивидуальная константа диффузного коэффициента кислорода) у каждого человека своя и зависит от возраста, типа дыхания, чистоты организма и эмоциональной устойчивости человека. В зависимости от вышеуказанного даже у одного и того же человека она значительно колеблется, составляя 25—65 мм кислорода в одну минуту.
Обмен кислорода между кровью и тканями осуществляется подобно обмену между альвеолярным воздухом и кровью. Ввиду того что в тканях происходит непрерывное потребление кислорода, концентрация его падает. В результате кислород диффундирует (переходит) из тканевой жидкости в клетки, где и потребляется. При недостатке кислорода тканевая жидкость, соприкасаясь со стенкой содержащего кровь капилляра, способствует диффузии кислорода из крови в тканевую жидкость. Чем выше тканевый обмен, тем ниже концентрация кислорода в ткани. И чем больше эта разность (между кровью и тканью), тем большее количество кислорода может поступать из крови в ткани при одной и той же концентрации кислорода в капиллярной крови.