Как работает дыхание: что происходит в лёгких при каждом вдохе
Дыхание работает по принципу насоса с газообменным фильтром: дыхательные мышцы создают перепад давления, который нагнетает воздух в лёгкие, а в альвеолах кислород переходит в кровь, одновременно выводя углекислый газ. За сутки человек делает около 20 000 вдохов и прокачивает через лёгкие порядка 10 000 литров воздуха.
Механика вдоха и выдоха
Главная дыхательная мышца — диафрагма, куполообразная перегородка между грудной и брюшной полостями. При вдохе диафрагма сокращается и опускается примерно на 1–2 сантиметра при спокойном дыхании и до 10 сантиметров при глубоком. Одновременно наружные межрёберные мышцы поднимают рёбра, расширяя грудную клетку в стороны. Объём грудной полости увеличивается, давление в ней падает ниже атмосферного примерно на 2–3 миллиметра ртутного столба, и воздух устремляется в лёгкие по градиенту давления.
Выдох в покое пассивен: диафрагма и межрёберные мышцы расслабляются, грудная клетка возвращается к исходному положению за счёт упругости лёгочной ткани. При физической нагрузке в выдох включаются внутренние межрёберные мышцы и мышцы живота, ускоряя выброс воздуха. Дыхательный центр в продолговатом мозге непрерывно посылает ритмические сигналы дыхательным мышцам: при нормальном состоянии организма ритм составляет 12–16 дыхательных циклов в минуту.
Путь воздуха: от носа до альвеолы
Воздух последовательно проходит через носовую полость, глотку, гортань, трахею, которая на уровне пятого грудного позвонка делится на два главных бронха. Они ветвятся примерно 23 раза, образуя бронхиальное дерево с общим числом конечных ветвей, бронхиол, около 150 000. На концах бронхиол располагаются альвеолярные мешочки с альвеолами, крошечными пузырьками диаметром 0,2–0,3 миллиметра.
Суммарная площадь всех альвеол обоих лёгких составляет около 100–140 квадратных метров: размером с теннисный корт. Стенка альвеолы состоит из одного слоя клеток толщиной менее 0,5 микрометра. Каждую альвеолу оплетает густая сеть лёгочных капилляров с общей площадью около 70 квадратных метров.
Газообмен: как кислород переходит в кровь
Перенос газов через альвеолярно-капиллярную мембрану происходит исключительно путём пассивной диффузии, без затрат энергии. Движущая сила: разница парциального давления газов по обе стороны мембраны. В альвеолярном воздухе парциальное давление кислорода составляет около 100 мм рт. ст., а в венозной крови, притекающей к лёгким, около 40 мм рт. ст. Кислород устремляется из зоны высокого давления в зону низкого, проникая в эритроциты и связываясь с гемоглобином.
Обратный процесс идёт с углекислым газом: в венозной крови его парциальное давление около 46 мм рт. ст., в альвеолярном воздухе около 40 мм рт. ст. Газ диффундирует в альвеолу и удаляется с выдохом. Время контакта крови с альвеолярной поверхностью составляет всего 0,25–0,75 секунды, но этого достаточно для почти полного насыщения гемоглобина кислородом.
Регуляция дыхания: мозг следит за уровнем газов
Частота и глубина дыхания регулируются дыхательным центром продолговатого мозга, который получает сигналы от хеморецепторов. Центральные хеморецепторы в стволе мозга реагируют на уровень углекислого газа и pH спинномозговой жидкости. Периферические рецепторы в аорте и сонных артериях дополнительно отслеживают содержание кислорода в крови.
Главный регулятор — не кислород, а именно углекислый газ: даже небольшое повышение его концентрации мгновенно учащает дыхание. Именно поэтому при задержке дыхания невыносимое желание вдохнуть вызывает накопление углекислого газа, а не нехватка кислорода. Во время физической нагрузки мышцы производят больше углекислоты, дыхательный центр увеличивает частоту и глубину дыхания, и лёгочная вентиляция может возрастать с 6–8 литров в минуту в покое до 150 литров в минуту при максимальных нагрузках у тренированного спортсмена.
