Эколого-физиологические особенности дыхательной системы человека

Совокупность дыхательных нейронов следовало бы рассматривать как созвездие структур, осуществляющих центральный механизм дыхания. Таким образом, вместо термина "дыхательный центр" правильнее говорить о системе центральной регуляции дыхания, которая включает в себя структуры коры головного мозга, определенные зоны и ядра промежуточного, среднего, продолговатого мозга, варолиева моста, нейроны шейного и грудного отделов спинного мозга, центральные и периферические хеморецепторы, а также механорецепторы органов дыхания.

Своеобразие функции внешнего дыхания состоит в том, что она одновременно и автоматическая, и произвольно управляемая.

 

 

 

 

 

 

 

Дыхание в измененных условиях.

В различных условиях среды обитания системы нейрогуморальной регуляции дыхания и кровообращения функционируют в тесном взаимодействии как единая кардиореспираторная система. Особенно четко это проявляется при интенсивной физической нагрузке и в условиях гипоксии - недостаточном снабжении организма кислородом. В процессе жизнедеятельности в организме возникают различные виды гипоксии, имеющие эндогенную и экзогенную природу.

Дыхание при физической нагрузке

Во время выполнения физической работы мышцам необходимо большое количество кислорода. Потребление 02 и продукция СО2 возрастают при физической нагрузке в среднем в 15 - 20 раз. Обеспечение организма кислородом достигается сочетанным усилением функции дыхания и кровообращения. Уже в начале мышечной работы вентиляция легких быстро увеличивается.

В возникновении гиперпноэ в начале физической работы периферические и центральные хеморецепторы как важнейшие чувствительные структуры дыхательного центра еще не участвуют. Уровень вентиляции в этот период регулируется сигналами, поступающими к дыхательному центру главным образом из гипоталамуса, лимбической системы и двигательной зоны коры большого мозга, а также раздражением проприорецепторов работающих мышц. По мере продолжения работы к нейрогенным стимулам присоединяются гуморальные воздействия, вызывающие дополнительный прирост вентиляции. При тяжелой физической работе на уровень вентиляции оказывают влияние также повышение температуры, артериальная двигательная гипоксия и другие лимитирующие факторы.

Таким образом, наблюдаемые при физической работе изменения дыхания обеспечиваются сложным комплексом нервных и гуморальных механизмов. Однако из-за индивидуально лимитирующих факторов биомеханики дыхания, особенностей экопортрета человека, не всегда удается при выполнении одной и той же нагрузки полностью объяснить точное соответствие вентиляции легких уровню метаболизма в мышцах.

Постоянная физическая тренировка ведёт к перестройке:

- органов дыхания;

- дыхательных мышц;

- вентиляции и перфузии лёгких;

- системы транспорта дыхательных газов;

- системы регуляции дыхания;

- окислительных процессов в клетках тканей и органов. Долговременные приспособительные реакции организма при

этом направлены на развитие мощности системы дыхания, её эффективности и экономичности.

Вентиляция лёгких в условиях покоя у спортсменов и лиц, постоянно занимающихся физическим трудом различной интенсивности (тренированных), характеризуется:

•  снижением частоты дыхательных актов;

•  снижением МОД (в среднем на 30%);

•  увеличением вентиляционного эквивалента кислорода - объё- ма дыхания, затрачиваемого на 1 л потреблённого О2(основной причиной повышения вентиляционного эквивалента О2 является оптимальное соотношение альвеолярной вентиляции и перфузии, а также возросшая диффузионная способность лёгких).

Индекс экономичности внешнего дыхания (ЭВД). Для оценки ЭВД введён специальный индекс - уровень ЭВД в покое и при физической деятельности (УЭВД), позволяющий определить уровень физической работоспособности человека. Этот индекс определяют по формуле:

УЭВД = УЖЕЛ + УМВЛ/УМОД X 50,

где:

ЖЕЛ, МВЛ и МОД рассчитаны в % к должным величинам; в условиях физической активности УЭВД определяется отношением физической работы (кгхм/мин) к МОД во время физической работы (л/мин) и измеряется в кгхм/л.

Изменения УЭВД подразделяют на два основных типа - резерв и дефицит.

'Резерв ЭВД (УЭВД больше 100%), свидетельствующий о высокой экономичности внешнего дыхания, наблюдается у здоровых людей с хорошим физическим развитием. Наиболее высок резерв ЭВД у высококвалифицированных спортсменов и у лиц тяжёло- го физического труда.

'Дефицит ЭВД (УЭВД меньше 100%), характеризующий недостаточную экономичность внешнего дыхания, характерен для большинства детей и пожилых людей, а также для лиц, длительное время находящихся в условиях гипокинезии и детренированности.

Оптимальная экономизация дыхания на протяжении всей жизни человека - важный фактор гармоничного развития организма. Высокий резерв ЭВД должен препятствовать её снижению в среднем и пожилом возрасте. Резерв ЭВД у лиц среднего возраста в пределах 30-40%, т.е. при УЭВД 130-140%, позволяет сохранить УЭВД в пожилом возрасте в пределах 100-115%.

Большое значение ЭВД приобретает при физической деятельности. Физическая работоспособность человека при выполнении им работы с возрастающей мощностью в значительной мере лимитируется степенью повышения МОД. Интенсивный прирост МОД при этом уменьшает экономичность лёгочной вентиляции и снижает физическую работоспособность.

•  Фаза повышения ЭВД при физической деятельности (с 16,6 до 25,8 кгХм/л) наблюдается при возрастании мощности физической работы в пределах режима минимальной и средней физической нагрузки (до 800 кгхм/мин).

•  Фаза дезэкономизации физической работы происходит в режиме субмаксимальной нагрузки. Так, при нагрузке 1400 кгХм/мин ЭВД снижается до 15,2 кгХм/л.

Таким образом, для наибольшего повышения ЭВД, а также для восстановления утраченной ЭВД вследствие патологических нарушений необходимы систематические физические тренировки с минимальной и средней физической нагрузкой.

Параметры лёгочной вентиляции

У спортсменов и лиц физического труда увеличены максимальные величины лёгочной вентиляции (МВЛ).

Например, у бегунов-стайеров во время бега на длинные дистанции лёгочная вентиляция длительное время поддерживается на уровне 120-140 л/мин. Прирост лёгочной вентиляции у тренированных людей идёт преимущественно за счёт увеличения дыхательного объёма. У нетренированных людей того же возраста и пола МВЛ не превышает 70-100 л/мин.

Мощность и выносливость человека при выполнении физических нагрузок определяется уровнем максимального потребления кислорода (МПК) и способностью длительное время поддерживать высокую скорость потребления О2.

У высококвалифицированных спортсменов значение МПК увеличено (до 80 мл/минХкг веса), что превышает показатели нетренированных людей на 60-80%.

Вентиляционный анаэробный порог. У хорошо тренированных людей повышается вентиляционный анаэробный порог, то есть мощность работы, начиная с которой лёгочная вентиляция растёт быстрее, чем интенсивность нагрузки.

У нетренированных людей вентиляционный анаэробный порог соответствует мощности нагрузки в пределах 50-60%; у тренирован- ных спортсменов - 80-85% от максимального потребления О2.

Транспорт дыхательных газов зависит от ряда факторов:

- работа сердечно-сосудистой системы;

- объём циркулирующей крови;

- количество эритроцитов и гемоглобина.

У тренированных людей все перечисленные звенья транспорта дыхательных газов имеют более высокую мощность. В частности, систолический (ударный) объём сердца, его величина в полной мере характеризуют уровень тренированности сердечно-сосудистой системы.

• В условиях покоя ЧСС значительно уменьшается - у спортсменов находится на уровне 40 и ниже уд./мин, ударный объём

сердца уменьшается на 20-40%, МОК остаётся таким же или увеличивается незначительно (в среднем на 10%).

• При физической нагрузке ударный объём сердца и МОК увеличивается по сравнению с нетренированными на 50-60%, т.е. функциональные резервы миокарда у тренированных лиц намного выше и легко включаются в работу.

Артерио-венозная разница по О2. Высокий уровень работоспособности спортсменов и лиц физического труда зависит не только от величины ударного объёма сердца и МОК, но и от способности его эффективного использования. Эту способность характеризует величина артерио-венозной разницы по О2. Чем она выше, тем эффективней МОК.

По мере тренированности к физическим нагрузкам величина артерио-венозной разницы по О2 закономерно увеличивается. Содержание О2 в смешанной венозной крови у нетренированных лиц снижается в среднем до 55 мл О2/л крови, а у тренированных - до 25 мл О2/л крови.

Таким образом, тренированные люди более эффективно используют один и тот же объём крови, протекающий по тканям и органам, извлекая из него больше О2.

Объём циркулирующей крови (ОЦК). Система крови у лиц с высокой мышечной активностью характеризуется увеличением её объёма в циркуляции. Увеличение объёма крови идёт преимущественно за счёт плазмы, а не массы эритроцитов, что не приводит к увеличению вязкости крови.

У высококвалифицированных спортсменов ОЦК увеличивается на 10-20% по сравнению с нетренированными лицами.

Кислородная ёмкость крови, которая определяется количеством эритроцитов и гемоглобина, у тренированных и нетренированных лиц остаётся примерно одинаковой.

В то же время кривая диссоциации оксигемоглобина у лиц, тренированных к высоким физическим нагрузкам, приобретает особые качества: сдвиг верхней крутой части влево, а нижней - вправо, т.е. сродство к кислороду гемоглобина в резервуаре лёгочных капилля- ров увеличивается, а в резервуаре тканевых капилляров уменьшается. Этому способствует, прежде всего, повышенное содержание в эритроцитах у тренированных лиц 2,3-дифосфоглицерата. У спортсменов, тренирующих выносливость, концентрация 2,3-дифосфо- глицерата увеличивается в среднем на 15-20%, что способствует облегчённой отдаче О2 тканям.

Потребление О2 тканями у лиц с повышенной физической активностью также интенсифицируется путём следующих механизмов:

- увеличивается суммарная площадь тканевых капилляров, особенно в мышцах (у спортсменов-стайеров плотность капил- ляров в мышцах составляет 400-500 на 1 мм2 вместо 300-350 на 1 мм2 у нетренированных);

- улучшается транскапиллярный обмен жидкостью и дыхательными газами.

Повышение работоспособности и выносливости к физическим нагрузкам на этапе тканевого дыхания связано также со значитель- ными адаптивными изменениями мышц и метаболических процессов в них:

- у спортсменов и лиц физического труда гипертрофируются работающие мышцы;

- гипертрофия мышечных волокон приводит к значительному увеличению центральных (до 50%) и поверхностных митохондрий (до 300%);

- в мышцах увеличивается концентрация миоглобина в 1,5- 2 раза, содержание энергетических субстратов - на 30-50%, содержание и активность ферментов окислительного метаболизма - в 2-3 раза;

- в такой ситуации мышечные клетки усиливают способность использовать гликоген и жиры. В окислительном метабо- лизме при этом происходит своеобразный сдвиг в сторону жирового обмена, так как он более энергоёмкий, чем углеводный.

Таким образом, длительная тренировка с физическими нагрузками динамического характера приводит к повышению мощности и выносливости организма за счёт приспособительных изменений всех этапов дыхания. Общая схема адаптивных изменений системы дыхания в условиях тренированности к высоким физическим нагрузкам представлена на рис. 7-1.

ПОНИЖЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ

Снижение метаболических процессов в мышечных клетках при длительной гипокинезии приводит к ухудшению функций сокращения и расслабления мышц, в том числе и дыхательных, значительному снижению их силы и выносливости, а, следовательно, и работоспособности.

Рис. 7-1. Адаптивные изменения всех этапов дыхания человека в условиях тренированности к физическим нагрузкам

При отсутствии значительных физических нагрузок в органах дыхания наблюдают нижеперечисленные изменения.

•  Сниженные дыхательные объёмы и ёмкости.

•  Низкая экономичность внешнего дыхания; как правило, присутствует дефицит УЭВД.

•  Грудная клетка малоподвижна, лёгкие расправляются не полностью.

•  Частое, неглубокое дыхание со слабым развитием дыхательной мускулатуры и сниженной эластической тягой нередко сопровождается увеличением резистивного и респираторного сопротивления лёгких. Это приводит к снижению форсированного дыхания и МВЛ.

•  Сниженная активность синтеза сурфактанта сказывается на расправлении альвеол.

•  Слабо развитая капиллярная сеть и уменьшенная площадь альвеолярной поверхности лёгких ведут к снижению диффузионной способности лёгких, особенно при физических нагрузках.

•  Диффузия дыхательных газов между тканевыми капиллярами и интерстициальной жидкостью, а также скорость потребления О2 тканями отвечает низкому уровню окислительных процессов в клетках.

Изменения системы дыхания у человека в условиях длительной гипокинезии представлены на рис. 7-2.

Рис. 7-2. Изменения системы дыхания у человека в условиях длительной гипокинезии

 

 

Дыхание при гипоксии

Гипоксией (кислородной недостаточностью) называется состояние, наступающее в организме при неадекватном снабжении тканей и органов кислородом или при нарушении утилизации в них кислорода в процессе биологического окисления. Исходя из этого достаточно точного определения гипоксии, все гипоксические состояния целесообразно разделить на экзогенные и эндогенные.