Эколого-физиологические особенности дыхательной системы человека

1. ВВЕДЕНИЕ.

 

Человек по природе своей любознателен. И больше всего, естественно, его интересует все, что касается устройства и жизнедеятельности собственного организма. Особое место в этом плане занимает дыхание. Мы ощущаем дыхание больше, чем какую-либо другую физиологическую функцию. Можем наблюдать свое дыхание, можем им управлять. От того, чем и как мы дышим, насколько исправно работает наш дыхательный аппарат, в немалой степени зависит наша работоспособность, здоровье, в конечном счете - жизнь.

Классическое представление о дыхании как о процессе, состоящем из многих звеньев, сложилось в конце XIX - начале XX века. Уже тогда было ясно, что процесс дыхания включает в себя не только газообмен между легкими и окружающей средой, между воздухом альвеол и кровью, но и транспорт газов кровью, и газообмен между кровью и тканями, и окислительные процессы в тканях. Основным назначением дыхания стали считать доставку кислорода к тканям и удаление образовавшемся в результате окислительных процессов углекислоты.

Это представление о дыхании могло сложиться только на основе ряда крупных открытий на рубеже XVIII-XIX веков: роли кислорода и окислительных процессов в поддержании жизни, диффузии газов через альвеоло-капиллярную мембрану легких, кислород-транспортных свойств гемоглобина. Важное значение в развитии представлений о саморегуляции дыхания имело открытие в конце XIX века независимости потребления кислорода от его содержания во вдыхаемом воздухе, прямой связи потребления кислорода с величиной энергозатрат организма, взаимозависимости между содержанием кислорода в артериальной крови и легочной вентиляцией, постоянства состава альвеолярного воздуха, роли рефлексов с легочных рецепторов растяжением в саморегуляции дыхания.

В соответствии с общепринятой концепцией функциональной системы II.К.Анохина дыхательная система - комплекс образований, включающий центральные (регуляторные) и периферические (воспринимающее) нервные компоненты и рабочие аппараты, функционально объединенные в единую систему, конечным эффектом деятельности котором является поддержание относительного постоянства газового состава крови и тканей организма. Развитие функциональной дыхательной системы подчиняется всем закономерностям, выявленным для других систем организма и определенным П.К. Анохиным в концепции системогенеза.

 

В последнее время ученые выяснили, что в контроле дыхательного ритма участвуют многие гармоны и другие биологически активные вещества, действующие на определенные нервные структуры. В числе этих веществ выделили особый класс белков, нейропептиды - эндорфины и энкефалии (они вырабатываются самим мозгом), - участвующие, можно сказать, в регуляции нашего настроения.

В практическом и теоретическом плане стоит проблема адаптации человека к различным внешним экстремальным воздействиям и влияниям, вызывающим изменения, не выходящие за рамки физиологических. Эта проблема имеет особое значение в связи с социальными и многими другими факторами: быстрым изменением среды и необходимостью долгосрочного прогнозирования, эндогенными (биологическими, физиологическими и психологическими особенностями человека ) экологическими - обеспечением не только сохранения, но и прогрессивного развития последующих поколений человеческой популяции.

 

 
Особенности процесса дыхания у человека и высших животных

 

Источником энергии в организме служат питательные вещества. Основной биохимической реакцией, освобождающей энергию этих веществ, является окисление, сопровождающееся расходованием кислорода и образованием углекислого газа. В организме человека нет запасов кислорода, поэтому его непрерывное поступление жизненно необходимо. Прекращение доступа кислорода в клетки организма приводит к их гибели. Образующийся при окислении веществ углекислый газ должен быть удален из организма, так как его накопление в значительном количестве опасно для жизни. Обмен кислорода и углекислого газа между организмом и окружающей средой называется дыханием. У человека и высших животных процесс дыхания осуществляется в следующей последовательности: обмен воздуха между атмосферой и альвеолами легких, обмен газов между альвеолами легких и кровью (внешнее дыхание), транспорт газов кровью, обмен газов между кровью и тканями (внутреннее, тканевое дыхание). Органы дыхания включают воздухоносные пути и легкие. Нос, носоглотка, гортань, трахея, бронхи и бронхиолы служат для проведения воздуха в альвеолы легких, где осуществляется газообмен.

 

Полость носа

 

Дыхательная система начинается полостью носа, которая образована костями лицевой части черепа и хрящами. Входом в полость носа служат ноздри, а выходом хоаны – отверстия, сообщающие его полость с носоглоткой. Стенки носовой полости образуют неровный рельеф, за счет чего увеличивается площадь контакта воздуха с наружным слоем клеток слизистой оболочки. Многие из них имеют реснички. Вдыхаемый воздух, проходя через носовую полость, согревается кровью, протекающей по многочисленным, пронизывающим оболочку сосудам, и, кроме того, соприкасаясь со слизистой, увлажняется и частично очищается от пыли, микробов и ряда других примесей. Из носовой полости воздух попадает в носоглотку, далее в ротовую часть глотки и затем в гортань.

 

Гортань

 

Гортань имеет сложное строение, так как служит не только для проведения воздуха, но и для образования звуков. Гортань состоит из хрящей различной формы, соединенных связками и суставами, приводимыми в движение мускулатурой. Скелет гортани образован непарными (щитовидный, перстневидный и надгортанный) и парными (черпаловидные, рожковидные и клиновидные) хрящами. Самый крупный – щитовидный хрящ – находится спереди. Полость гортани выстлана слизистой оболочкой, образующей голосовые связки. Между свободными краями связок расположена в продольном направлении голосовая щель.

 

Голосовые связки

 

Напряжение и расслабление голосовых связок регулируется специальными мышцами. В спокойном состоянии, когда человек молчит, голосовая щель открыта и имеет вид равнобедренного треугольника. Во время разговора или пения голосовые связки натягиваются, сближаются и при прохождении выдыхаемого воздуха вибрируют, производя звук. Однако окончательное формирование звука происходит в полостях рта, носа, глотки и зависит от положения языка, губ, нижней челюсти. Высота звука определяется длиной голосовых связок: чем длиннее связки, тем меньше частота их колебания и тем ниже голос. Вход в гортань прикрывает надгортанник, препятствующий попаданию пищи в дыхательные пути. Книзу гортань переходит в трахею (дыхательное горло).

 

Трахея

 

Трахея у взрослого человека имеет форму трубки длиной 10-13 см и служит для прохождения воздуха в легкие и обратно. Она образована 16-20 полукольцами из гиалинового хряща, которые придают жесткость и не дают спадаться трахее. Между собой хрящевые полукольца соединены плотной соединительной тканью. Сзади между концами полуколец находится соединительнотканная перепонка. Благодаря наличию эластичных волокон в соединительной ткани между полукольцами, трахея может удлиняться при движении гортани вверх и укорачивается при ее опускании. Полость трахеи выстлана мерцательным эпителием, реснички которого перемещают попадающие с воздухом частицы пыли вместе со слизью вверх в глотку, где они проглатываются. Нижний конец трахеи делится на две более тонкие трубки – бронхи (правый и левый). Место деления называется бифуркацией трахеи.

 

Бронхи

 

Бронхи постепенно разветвляются на более мелкие, доходя до тонких и тончайших веточек – бронхиол, диаметр которых не превышает долей миллиметра. В целом разветвление бронхов образует густую сеть – бронхиальное дерево. Крупные бронхи, как и трахея, состоят из хрящевых колец, связанных между собой соединительной тканью. В бронхиолах хрящевой скелет отсутствует, однако из стенки не спадается, так как состоят из гладкомышечных волокон. Бронхиолы – последние элементы воздухоносных путей.

 

Легкие

 

Легкие представляют собой парные губчатые органы конусовидной формы. Ткань легкого образована бронхиолами и множеством крошечных легочных пузырьков – альвеол, которые имеют вид полушаровидных выпячиваний бронхиол. Стенки альвеол состоят из одного слоя эпителиальных клеток, окруженных густой сетью кровеносных капилляров. Из нутрии альвеолы покрыты жидким поверхностно-активным веществом (сурфактантом), ослабляющим силы поверхностного натяжения и предупреждающим полное спадение альвеол во время выдоха. Суммарная толщина стенок альвеолы и капилляра составляет несколько микрометров. Благодаря такому строению кислород легко проникает из альвеолярного воздуха в кровь, а углекислый газ – из крови в альвеолы. Диаметр альвеол составляет в среднем 0,3 мм, однако благодаря тому, что в легких альвеол насчитывается до 300 млн. и их суммарная поверхность у взрослого человека равна 50-100 квадратных метров, газообмен в легких совершается чрезвычайно быстро. Легкие (правое и левое) расположено в грудной клетке и тесно прилегает к ее стенкам. Поверхность легких покрыта особой оболочкой – плеврой, состоящей из двух листков: наружный листок выстилает внутреннюю поверхность грудной клетки, а внутренний покрывает поверхность легкого. Между листками сохраняется герметически замкнутое щелевидное пространство, называемое плевральной полостью. В ней содержится небольшое количество жидкости, увлажняющей листки плевры и способствующей скольжению их относительно друг друга.

 

 

 

 

 

 

1. Характеристика понятия "дыхание"

 

Человек и все высокоорганизованные живые существа нуждаются для своей нормальной жизнедеятельности в постоянном поступлении к тканям организма кислорода, который используется в сложном биохимическом процессе окисления питательных веществ, в результате чего выделяется энергия и образуется двуокись углерода и вода.

Дыхание  синоним и неотъемлемый признак жизни. «Пока дышу - надеюсь», утверждали древние римляне, а греки называли атмосферу «пастбищем жизни».

Человек в день съедает примерно 1,24 кг пищи, выпивает 2 л воды, но вдыхает свыше 9 кг воздуха (более 10 000 л).

Дыхание это совокупность процессов, обеспечивающих потребление организмом кислорода и выделение двуокиси углерода.

В условиях покоя в организме за 1 минуту потребляется в среднем 250...300 мл 02 и выделяется 200...250 мл СО2.

При физической работе большой мощности потребность в кислороде существенно возрастает и максимальное потребление кислорода (МПК) достигает у высокотренированных людей около 6...7 л/мин.

Дыхание осуществляет перенос 02 из атмосферного воздуха к тканям организма, а в обратном направлении производит удаление СО2 из организма в атмосферу.

Различают несколько этапов дыхания:

1. Внешнее дыхание - обмен  газов между атмосферой и альвеолами.

2. Обмен газов между  альвеолами и кровью легочных  капилляров.

3. Транспорт газов кровью - процесс переноса О2 от легких к тканям и С02 от тканей  к легким.

4. Обмен 02 и С02 между кровью капилляров и клетками тканей организма.

5. Внутреннее, или тканевое, дыхание  - биологическое окисление в митохондриях.

Состав и свойства дыхательных сред

Дыхательной средой для человека является атмосферный воздух, состав которого отличается постоянством. В 1 л сухого воздуха содержится 780 мл азота, 210 мл кислорода и 0,3 мл двуокиси углерода (табл. 1). Остальные 10 мл приходятся на инертные газы - аргон, неон, гелий, криптон, ксенон и водород.

 

 

Таблица 1. Содержание и парциальное давление (напряжение) кислорода и углекислого газа в различных средах

Среда	Кислород			Углекислый газ
	%	мм рт. ст.	мл/л	%	мм рт. ст.	мл/л
Вдыхаемый воздух	20,93	159	209,3	0,03	0,2	0,3
Выдыхаемый воздух	16,0	121	160,0	4,5	34	45
Альвеолярный воздух	14,0	100	140,0	5,5	40	55
Артериальная кровь	-	100-96	200,0	-	40	560-540
Венозная кровь	-	40	140-160	-	46	580
Ткань	-	10-15	-	-	60	-
Около митохондрий	-	01-1	-	-	70	-

 

На уровне моря нормальное атмосферное давление составляет 760 мм рт ст. Согласно закону Дальтона эта величина складывается из парциальных давлений всех газов, входящих в состав воздуха. Атмосферный воздух содержит также пары воды. В умеренном климате при температуре 22°С парциальное давление водяного пара в воздухе составляет 20 мм рт.ст. Парциальное давление водяного пара, уравновешенного в легких с кровью при атмосферном давлении 760 мм рт.ст. и температуре тела 37°С, составляет 47 мм рт.ст. Учитывая, что давление водяных паров в организме выше, чем в окружающей среде, в процессе дыхания организм теряет воду.

 

2. Внешнее дыхание

 

Внешнее дыхание осуществляется благодаря изменениям объема грудной клетки и сопутствующим изменениям объема легких. Во время вдоха объем грудной клетки увеличивается, а во время выдоха - уменьшается. В дыхательных движениях участвуют:

Дыхательные пути, которые по своим свойствам являются слегка растяжимыми, сжимаемыми и создают поток воздуха. Дыхательная система состоит из тканей и органов, обеспечивающих легочную вентиляцию и легочное дыхание (воздухоносные пути, легкие и элементы костно-мышечной системы). К воздухоносным путям, управляющим потоком воздуха, относятся: нос, полость носа, носоглотка, гортань, трахея, бронхи и бронхиолы. Легкие состоят из бронхиол и альвеолярных мешочков, а также из артерий, капилляров и вен легочного круга кровообращения. К элементам костно-мышечной системы, связанным с дыханием, относятся ребра, межреберные мышцы, диафрагма и вспомогательные дыхательные мышцы. Нос и полость носа служат проводящими каналами для воздуха, где он нагревается, увлажняется и фильтруется. Полость носа выстлана богато васкулиризированной слизистой оболочкой. В верхней части полости носа лежат обонятельные рецепторы. Носовые ходы открываются в носоглотку. Гортань лежит между трахеей и корнем языка. У нижнего конца гортани начинается трахея и спускается в грудную полость, где делится на правый и левый бронхи. Установлено, что дыхательные пути от трахеи до концевых дыхательных единиц (альвеол) ветвятся (раздваиваются) 23 раза. Первые 16 "поколений" дыхательных путей - бронхи и бронхиолы выполняют проводящую функцию. "Поколения" 17-22 - респираторные бронхиолы и альвеолярные ходы, составляют переходную (транзиторную) зону, и только 23-е "поколение" является дыхательной респираторной зоной и целиком состоит из альвеолярных мешочков с альвеолами. Общая площадь поперечного сечения дыхательных путей по мере ветвления возрастает более чем в 4,5 тысячи раз. Правый бронх обычно короче и шире левого.

Эластическая и растяжимая легочная ткань.Респираторный отдел представлен альвеолами. В легких имеется три типа альвеолоцитов (пневмоцитов), выполняющих разную функцию. Альвеолоциты второго типа осуществляют синтез липидов и фосфолипидов легочного сурфактанта. Общая площадь альвеол у взрослого человека достигает 80-90 м2, т.е. примерно в 50 раз превышает поверхность тела человека.