Для начала восстановим в памяти несколько положений и понятий из области физики, без них изучение газообмена и транспорта газа в легких, невозможно. Итак, атмосферный воздух имеет довольно постоянный процентный состав газов. Это завидное постоянство характерно и для альвеолярного воздуха, то есть для того, который не просто заполняет легкие, а контактирует непосредственно с пневмоцитами, выстилающими альвеолы. Правда, О2 в альвеолярном воздухе меньше, чем его содержание в атмосферном (14 и 21%, соответственно), а СО2 значительно больше (5,5 против 0,03% в атмосферном), но значения эти (14 и 5,5%) постоянные (разница между альвеолярным и атмосферным воздухом - результат постоянно происходящего газообмена, находящегося вне зависимости от времени суток, а также от того вдох сейчас или выход, хочет того человек или нет).
А теперь вводим первое физическое понятие - парциальное давление газа . В воздухе, представленном в виде газовой смеси оно пропорционально процентному содержанию этого газа в общем давлении смеси. Атмосферное давление, как известно, равняется 760 мм рт.ст. Давление же газовой смеси в альвеолярном воздухе несколько меньше, так как часть его пришлась на возрастающее в дыхательной системе количество водяных паров, и составляет 713 мм рт.ст. Теперь не составит труда простыми пропорциями рассчитать парциальное давление в альвеолярном воздухе кислорода и углекислого газа. Если давление газовой смеси 713 мм рт.ст., а кислорода содержится 14%, значит парциальное давление О2 равно 100 мм рт.ст. Так же находим это значение и для углекислоты - оно будет равно 40 мм рт.ст. Стоит запомнить, что парциальное давление обоих газов в альвеолярном воздухе являет собой ту силу, с которой молекулы этих газов пытаются проникнуть через аэрогематинеский барьер в кровь из альвеол легких.
Что же мешает такому переходу? Оказывается, в плазме крови этих газов и без того достаточно. Они находятся там в растворенном виде, и, мало того, сами не прочь выйти из раствора в альвеолярный воздух. Здесь влияние оказывает напряжение газа , находящегося в жидкости. Напряжение газа - это величина, характеризующая силу стремления молекул растворенного газа выйти из водной среды в газовую. В физическом отношении понятия «парциальное давление» и «напряжение» очень близки, только относятся к разным средам: первое - к газовой смеси, а второе - к жидкости. Но самое главное в том, что они противостоят друг другу. Если бы парциальное давление, скажем, СО2 было равно напряжению СО2 в крови, то передвижение двуокиси углерода не наблюдалось бы ни в том, ни в другом направлении.
И все же газообмен происходит. И происходит он благодаря разнице характеристик парциального давления газов, находящихся в альвеолярном воздухе с напряжением тех же самых газов, находящихся в плазме крови. Взгляните на рисунок справа. Начнем с кислорода. К легким по системе легочной артерии притекает кровь, бедная О2, напряжение которого в ней равно 40 мм рт.ст. Кровь бежит по капиллярам, расположенным в межальвеолярных стенках, то есть через аэрогематический барьер соседствует с воздухом альвеол, в котором парциальное давление О2 равно 100 мм рт.ст. То есть мы наблюдаем разницу 40 и 100! Конечно, О2 устремляется в кровь и он будет растворятся в крови до тех самых пор, пока напряжение этого газа не увеличится хотя бы до 96 мм рт.ст. Когда артериальная кровь насыщается кислородом, то собирается в легочных венах, чтобы через них покинуть легкие.
Другая ситуация складывается с CO2. Кровь, поступает к легким от всего организма через сосуды малого круга, она содержит много СО2 (46 мм рт.ст.), однако парциальное давление СО2 в альвеолах только 40 мм. Это и определяет движение двуокиси углерода из плазмы через барьер для последующего высвобождения в альвеолярный воздух, что приводит к снижению напряжения СО2 до 39 мм рт.ст.
За транспорт кислорода от легких к тканям в основном отвечают эритроциты. Когда в легочных капиллярах начинает нарастать напряжение кислорода, гемоглобин эритроцитов начинает выхватывать из плазмы молекулы О2, постепенно превращаясь в оксигемоглобин. Именно в такой форме кислород приносится к органам и тканям. Оксигемоглобин «отсоединяет» от себя О2, отдавая его снова в плазму, и начинается как бы вторая серия - газообмен осуществляется уже между кровью и тканями.
Всем клеткам организма нужен кислород, т.к. именно этот газ является универсальным окислителем в процессах. Используя кислород в биохимических реакциях, клетки получают необходимую им энергию и углекислый газ, требующий удаления за пределы клетки. Так как не все клетки оказываются в непосредственном контакте с капиллярами, то надежным посредником между ними является тканевая жидкость, о которой подробнее будет рассказано в параграфах о внутренней среде организма и о лимфе. Из тканевой жидкости клетка забирает кислород, поступающий из капилляра, в нее же «выбрасывает» двуокись углерода. Другими словами, тканевой газообмен осуществляется главным образом между плазмой крови и жидкостью тканей организма. А там уже все проходит по известному механизму. Еще раз обратитесь к таблице на рис. 66. Напряжение О2 в тканевой жидкости невелико (40 мм рт.ст.), чего не скажешь о крови артерий (96 мм рт.ст.). Исходя из этого столь необходимый клеткам кислород перемещается из плазмы в тканевую жидкость до тех пор, пока напряжение этого газа в крови не достигнет 40 мм рт.ст. СО2 же газ из места большего своего напряжения (46 мм рт.ст. в жидкости тканей) устремляется в плазму крови, где его напряжение составляет 39 мм рт.ст., доводя его до отметки 46. Кровь с такими показателями О2 и СО2 (40 мм и 46 мм рт.ст.) будет венозной и по венам большого круга притекает к правым отделам сердца, откуда отправляется для осуществления газообмена в легкие человека.
Транспорт углекислого газа в организме человека способен осушествлятся кровью 3-мя путями. Незначительная часть газа растворяется в плазме, определяя тем самым напряжение СО2 в крови. Большая часть СО2 тем временем контактирует с гемоглобином красных кровяных телец, соединяется с ним, превращая в карбоксигемоглобин. Ну а весь оставшийся СО2 транспортируется в качестве кислых солей угольной кислоты (чаще всего NaHCO3). Тем ни менее, какой бы способ транспортировки углекислоты не использовался, он приводит газ к легких, для последующего его выведения из человеческого организма.
Итак, если постараться кратко резюмировать, то можно сказать, что существует 2 стадии газообмена : легочная и тканевая. В легочной стадии основой считается разница парциального давления газа в альвеолярном воздухе с напряжением газа в крови. Для тканевой стадии основой будет разница напряжения газа в крови и жидкости тканей. Сам транспорт газов обязательно происходит, если газы находятся в растворенном виде, либо в связанном, если молекулы газов соединяются с ионами или молекулой гемоглобина.
При изучении внешнего дыхания используются следующие понятия:
Альвеолярный воздух – содержащийся в альвеолах после нормального выдоха;
Выдыхаемый воздух – первые порции выдыхаемого воздуха, представляют смесь альвеолярного воздуха и воздуха мертвого пространства.
Состав воздуха в %
В результате газообмена между кровью и альвеолярным воздухом происходит превращение венозной крови в артериальную.
Факторы, определяющие диффузию газов в легких.
I Альвеолярно – капиллярный градиент.
II Отношение вентиляции к перфузии.
III Длина пути перфузии.
IV Диффузионная способность газов.
V Площадь диффузии.
1) Разность парциального давления и напряжения.
Парциальное давление это часть давления смеси газов, приходящаяся на долю одного газа.
Парциальное давление зависит:
б) от величины общего давления: Рассчитывается по следующей формуле.
Например О 2 в атмосферном воздухе
100% газ – 760мм рт. ст.
х = 159мм рт. ст. в атмосферном воздухе.
При расчете парциального давления газа в альвеолярном воздухе нужно учитывать давление находящихся там водяных паров = 47мм рт. ст.
Парциальное напряжение газа – это сила, с которой растворенный в жидкости газ стремится покинуть ее. Обычно устанавливается динамическое равновесие между газом в жидкости и над жидкостью.
В малом круге кровообращения О 2 идет в венозную кровь из легких, а СО 2 из крови в легкие.
Движущей силой является альвеолярно-капилярный градиент.
Для О 2 АКГ = 60мм рт. ст., для СО 2 – 6мм рт. ст. Т.е. диффузионные свойства у СО2 выше, чем у О 2 .
2) Отношение вентиляции к перфузии = МАВ/МОК = 4 – 6 / 4,5 – 5 = 0,8 – 1,1 – в норме.
Вентиляция и перфузия легких должны соответствовать друг другу. Однако распределение кровотока по легким у человека не равномерное. Зависит от положения тела и изменяется под влиянием гравитации. В вертикальном положении величина Q кровотока на единицу объема ткани почти линейно убывает снизу в вверх и верхушки легких меньше снабжаются кровью. Лежа кровоток в верхушке увеличивается, в основании не меняется. Однако лежа на спине в задних отделах легких кровоток выше, чем в передних.
При работе кровоток примерно одинаков во всех отделах.
Вертикальное положение оказывает влияние и на вентиляцию. Интенсивность ее увеличивается сверху вниз (как и кровотока).
Однако ВПО не равномерны в разных отделах.
Механизмы, приспосабливающие кровоток к вентиляции – это вазомоторные и бронхомоторные реакции на изменение газового состава альвеолярного воздуха.
Вазоконстрипции при снижении рО 2 в альвеолах, или РСО 2 .
Бронхоконстрипции при ↓ РСО 2 в альвеолярном воздухе.
На ВПО влияют:
а) неравномерность вентиляции отделов легких в различных положениях тела в пространстве;
б) характер легочного кровотока в зависимости от положения тела и активности организма;
в) скорость кровотока
3) Длина пути .
СО 2 ; О 2 проходят путь: альвеолярная стенка + межклеточное пространство + базальная мембрана капилляра + эндотелий капилляра + слой плазмы + мембрана эритроцита. Увеличение длины пути – ухудшение оксигенации крови – обратная зависимость .
5) Площадь диффузии – зависит от поверхности альвеол и капилляров, через которые идет диффузия (зависимость прямая).
Транспорт кислорода кровью. Кислород транспортируется кровью в двух формах - в растворенном виде и в соединении с гемоглобином. В плазме артериальной крови содержится очень небольшое количество физически растворенного кислорода, всего
0,3 об.%, т. е. 0,3 мл кислорода в 100 мл крови. Основная же часть кислорода вступает в непрочное соединение с гемоглобином эритроцитов, образуя оксигемоглобин. Насыщение крови кислородом называется оксигенацией или артериализацией крови. Кровь, оттекающая от легких по легочным венам, имеет такой же газовый состав, что и артериальная кровь в большом круге кровообращения.
Количество кислорода, находящееся в 100 мл крови при условии полного перехода гемоглобина в оксигемоглобин, называется кислородной емкостью крови. Эта величина помимо парциального давления кислорода зависит от содержания гемоглобина в крови. Известно, что 1 г гемоглобина может в среднем связать 1,34 мл кислорода. Следовательно, зная уровень содержания в крови гемоглобина, можно вычислить кислородную емкость крови. Так, у лошадей при содержании гемоглобина в крови около 14 г/100 мл кислородная емкость крови составляет (1,34 14) около 19 об.%, у крупного рогатого скота при уровне гемоглобина 10... 12 г/100 мл - около 13...16 об.%. Пересчитав содержание кислорода в общем объеме крови, оказывается, что его запаса хватит лишь на З...4мин при условии, если он не будет поступать из воздуха.
На уровне моря при соответственных колебаниях атмосферного давления и парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе гемоглобин практически полностью насыщается кислородом. В условиях высокогорья, где атмосферное давление низкое, снижается парциальное давление кислорода и уменьшается кислородная емкость крови. На содержание кислорода в крови также влияет температура крови: с повышением температуры тела снижается кислородная насыщенность крови. Высокое содержание в крови водородных ионов и диоксида углерода способствует отщеплению кислорода от оксигемогло-бина при прохождении крови через капилляры большого круга кровообращения.
Обмен газов между кровью и тканями совершается так же, как и обмен газов между кровью и альвеолярным воздухом - по законам диффузии и осмоса. Поступающая сюда артериальная кровь насыщена кислородом, его напряжение составляет 100 мм рт. ст. В тканевой жидкости напряжение кислорода составляет 20...37 мм рт. ст., а в клетках, которые потребляют кислород, его уровень падает до 0. Поэтому оксигемоглобин отщепляет кислород, который переходит сначала в тканевую жидкость, а затем в клетки тканей.
В процессе тканевого дыхания из клеток выделяется диоксид углерода. Он сначала растворяется в тканевой жидкости и создает там напряжение около 60...70 мм рт. ст., что выше, чем в крови (40 мм рт. ст.). Градиент напряжения кислорода в тканевой жидкости и крови является причиной диффузии диоксида углерода из тканевой жидкости в кровь.
Транспорт диоксида углерода кровью. Диоксид углерода транспортируется в трех формах: в растворенном виде, в соединении с гемоглобином (карбогемоглобин) и в виде бикарбонатов.
Поступающий из тканей диоксид углерода незначительно растворяется в плазме крови -до 2,5об.%; его растворимость немного выше, чем у кислорода. Из плазмы диоксид углерода проникает в эритроциты и вытесняет из оксигемоглобина кислород. Оксигемоглобин превращается в восстановленнный, или редуцированный, гемоглобин. Присутствующий в эритроцитах фермент 4 карбоангидраза ускоряет соединение диоксида углерода с водой и образование угольной кислоты - Н 2 С0 3 . Эта кислота нестойкая, она диссоциирует на Н + и HCOJ.
Поскольку мембрана эритроцита непроницаема для Н + , он остается в эритроцитах, а НС0 3 переходит в плазму крови, где превращается в бикарбонат натрия (NaHC0 3). Часть диоксида углерода в эритроцитах соединяется с гемоглобином, образуя карбогемоглобин, а с катионами калия - бикарбонат калия (КНС0 3).
В легочных альвеолах, где парциальное давление диоксида углерода ниже, чем в венозной крови, растворенный и освободившийся при диссоциации карбогемоглобина диоксид углерода диффундирует в альвеолярный воздух. Одновременно кислород переходит в кровь и связывается с редуцированным гемоглобином, образуя оксигемоглобин. Оксигемоглобин, являясь более сильной кислотой, чем угольная, вытесняет угольную кислоту из бикарбонатов ионы калия. Угольная кислота расщепляется до С0 2 и Н 2 0 при участии карбоангидразы. Диоксид углерода переходит из эритроцитов в плазму крови и затем в альвеолярный воздух (см. рис. 7.6).
Несмотря на то что основная часть диоксида углерода присутствует в плазме крови в форме бикарбоната натрия, в альвеолярный воздух выделяется преимущественно диоксид углерода не из плазмы крови, а из эритроцитов. Дело в том, что только в эритроцитах имеется карбоангидраза, расщепляющая угольную кислоту. В плазме крови карбоангидразы нет, поэтому бикарбонаты разрушаются очень медленно и диоксид углерода не успевает выйти в альвеолярный воздух (по легочным капиллярам кровь проходит менее чем за 1 с). Таким образом, диоксид углерода находится в крови в трех формах: растворенной, в виде карбогемоглобина, бикарбонатов, но через легкие удаляется только в одной форме - С0 2 .
Не весь кислород из артериальной крови поступает в ткани, часть его переходит в венозную кровь. Отношение объема кислорода, поглощенного тканями, к содержанию его в артериальной крови называется коэффициентом утилизации кислорода. В условиях физиологического покоя он составляет около 40 %. При более высоком уровне метаболизма коэффициент утилизации кислорода увеличивается и уровень его в венозной крови падает.
Проходя через легкие, не весь диоксид углерода поступает в альвеолярный воздух, часть его остается в крови и переходит в арте-
риальную кровь. Таким образом, если в венозной крови содержится 58 об.% диоксида углерода, то в артериальной крови - 52 об.%. Наличие определенного уровня кислорода и особенно диоксида углерода в артериальной крови имеет огромное значение в процессах регуляции внешнего дыхания.
Тканевое (внутриклеточное) дыхание. Тканевое дыхание - это процесс биологического окисления в клетках и тканях организма.
Биологическое окисление происходит в митохондриях. Внутреннее пространство митохондрий окружено двумя мембранами-наружной и внутренней. На внутренней мембране, имеющей складчатое строение, сосредоточено большое количество ферментов. Поступающий в клетку кислород затрачивается на окисление жиров, углеводов и белков. При этом освобождается энергия в наиболее доступной для клеток форме, прежде всего в форме АТФ - аденозинтрифосфорной кислоты. Ведущее значение в окислительных процессах имеют реакции дегидрирования (отдача водорода).
Синтез АТФ осуществляется при миграции электронов от субстрата к кислороду через цепь дыхательных ферментов (фла-виновые ферменты, цитохромы и др.) Освобождающаяся энергия накапливается в форме макроэргических соединений (например, АТФ), а конечными продуктами реакций становятся вода и диоксид углерода.
Наряду с окислительным фосфорилированием кислород может использоваться в некоторых тканях по типу непосредственного внедрения в окисляемое вещество. Такое окисление называется микросомальным, ибо происходит в микросомах - везикулах, образованных мембранами эндоплазматического ретику-лума клетки.
Ткани и органы имеют разную потребность в кислороде: интенсивнее поглощают кислород из крови головной мозг, особенно кора больших полушарий, печень, сердце, почки. Меньше потребляют кислорода в состоянии покоя клетки крови, скелетные мышцы, селезенка. При нагрузке потребление кислорода возрастает. Например, при тяжелой мышечной работе скелетные мышцы потребляют больше кислорода в 40 раз, сердечная мышца - в 4 раза (в расчете на 1г ткани).
Даже в пределах одного органа потребление кислорода может резко отличаться. Например, в корковой части почек оно интенсивнее, чем в мозговой части, в 20 раз. Это зависит от строения ткани, плотности распределения в ней кровеносных капилляров, регуляции кровотока, коэффициента утилизации кислорода и ряда других факторов. Следует помнить, что чем больше клетки будут потреблять кислорода, тем больше образуется продуктов обмена - диоксида углерода и воды.
7.4. РЕГУЛЯЦИЯ ДЫХАНИЯ
Главная биологическая функция дыхания - это обеспечение газообмена в тканях. Именно ради тканевого дыхания в процессе эволюции возникли и совершенствовались системы кровообращения и внешнего дыхания. Доставка тканям кислорода, выведение водородных ионов и диоксида углерода должны точно соответствовать потребностям тканей и организма в определенный период их жизнедеятельности. В реализации этих процессов, их динамического равновесия участвуют сложные механизмы, включающие регуляцию газового состава крови, регионального кровообращения и трофику тканей. В данной главе мы рассмотрим, каким образом организм поддерживает определенное содержание кислорода и диоксида углерода в крови, т. е. каким образом регулируются дыхательные циклы, глубина и частота дыхания.
Внешнее дыхание регулируется нейрогуморальными механизмами. Еще в 1885 г. русский физиолог Н. А. Миславский обнаружил в продолговатом мозге дыхательный центр и доказал наличие в нем двух отделов - центр вдоха и центр выдоха. Центробежными (эфферентными) путями дыхательный центр связан с эффекторами - дыхательными мышцами. Афферентные, или сенсорные, или центростремительные, импульсы поступают в дыхательный центр от различных экстеро- и интерорецепторов, а также от вышележащих отделов головного мозга. Таким образом, в виде довольно упрощенной общей схемы можно представить типичную рефлекторную дугу, состоящую из рецепторов, афферентных путей, нервного центра, эфферентных путей и эффекторов - дыхательных мышц.
Дыхательный центр. Дыхательный центр - это совокупность нейронов, расположенных во всех отделах ЦНС и принимающих то или иное участие в регуляции дыхания. Главная часть, или как принято говорить, «ядро» дыхательного центра, находится, как доказал экспериментально Миславский, в продолговатом мозге, в области ретикулярной формации на дне четвертого мозгового желудочка. Без этого отдела дыхание невозможно, повреждение продолговатого мозга приводит неминуемо к смерти из-за остановки дыхания.
Четкий морфологический раздел между центрами вдоха и выдоха в продолговатом мозге отсутствует, но существует распределение функций между нейронами: одни нейроны - инспиратор-ные - генерируют потенциалы действия, возбуждающие инспи-раторные мышцы, другие - экспираторные - возбуждают выдыхательные мышцы.
В инспираторных нейронах электрическая активность включается быстро, постепенно нарастает частота им-пульсации (до 70... 100 импульсов в 1 с) и резко падает к концу вдоха. Эта импульсация приводит к сокращению диафрагмы,
межреберных и других инспираторных мышц. «Выключение» инспираторных нейронов приводит к расслаблению инспираторных мышц и выдоху. Активность экспираторных нейронов при нормальном спокойном дыхании имеет меньшее значение. Но при усиленном дыхании, особенно при форсированном выдохе, экспираторные нейроны определяют сокращение выдыхательных мышц.
Буль барный отдел дыхательного центра головного мозга обладает автоматией. Эта уникальная особенность дыхательного центра заключается в том, что его нейроны могут спонтанно, т. е. самопроизвольно, без каких-либо внешних воздействий деполяризовываться, или разряжаться. Впервые спонтанные колебания электрической активности дыхательного центра обнаружил И. М. Сеченов. Природа автоматии дыхательного центра до сих пор не выяснена. Вероятно, она зависит от специфики обмена веществ нейронов этой области головного мозга и особой чувствительности инспираторных нейронов к окружающей среде, составу цереброспинальной жидкости. Автоматия дыхательного центра сохраняется после почти полной его деаффе-рентации, т. е. после прекращения воздействий со стороны различных рецепторов.
Благодаря автоматии дыхательный центр продолговатого мозга обеспечивает ритмичные чередования вдоха и выдоха и определяет частоту дыхания в условиях физиологического покоя.
Бульбарный отдел дыхательного центра является самым устойчивым отделом ЦНС к действию наркотических препаратов. Даже при глубоком наркозе, когда рефлекторные реакции отсутствуют, самостоятельное дыхание сохраняется. В арсенале фармакологических препаратов имеются вещества, избирательно повышающие возбудимость дыхательного центра, - лобелии, цититон, воздействующие на дыхательный центр рефлекторно, через рецепторы синокаротидной зоны.
И. П. Павлов говорил, что дыхательный центр, который раньше представляли величиной с булавочную головку, необычайно разросся: он спустился вниз в спинной мозг и поднялся вверх до коры больших полушарий.
Какую же роль играют другие отделы дыхательного центра? В спинном мозге находятся нейроны (мотонейроны), иннерви-руюшие дыхательные мышцы (рис. 7.7). Возбуждение к ним передается от инспираторных и экспираторных нейронов продолговатого мозга по нисходящим проводящим путям, лежащим в белом веществе спинного мозга. В отличие от бульварного центра мотонейроны спинного мозга не обладают автоматией. Поэтому после перерезки спинного мозга сразу за продолговатым дыхание останавливается, так как дыхательные мышцы не получают команды к сокращениям. Если же спинной мозг перерезать на уровне 4...5-го шейного позвонка, то самостоятельное
Рис. 7.7. Схема организации центрального аппарата регуляции дыхания
дыхание сохраняется за счет сокращений диафрагмы, потому что центр диафрагмального нерва расположен в 3...5-M шейных сегментах спинного мозга.
Выше продолговатого мозга, прилегая к нему, находится варолиев мост, в котором расположен «пневмотаксический центр». Он не обладает автоматией, но благодаря непрерывной активности обеспечивает периодическую деятельность дыхатель-
ного центра, увеличивает скорость развития инспираторной и экспираторной импульсаций в нейронах продолговатого мозга.
Средний мозг имеет большое значение в регуляции тонуса поперечнополосатых мышц. Поэтому при сокращении различных мышц афферентная импульсация от них поступает в средний мозг, который соответственно мышечной нагрузке изменяет характер дыхания. Средний мозг ответствен также за координацию дыхания с актами глотания, рвоты и отрыгивания. Во время глотания дыхание задерживается на фазе выдоха, надгортанник закрывает вход в гортань. При рвоте, отрыгивании газов происходит «холостой вдох» - вдох при закрытой гортани. При этом сильно снижается внутриплевральное давление, что и способствует поступлению содержимого из желудка в грудную часть пищевода.
Гипоталамус - отдел промежуточного мозга. Значение гипоталамуса в регуляции дыхания заключается в том, что в нем содержатся центры, контролирующие все виды обмена веществ (белковый, жировой, углеводный, минеральный), и центр тепло-регуляции. Поэтому усиление обмена веществ, повышение температуры тела ведут к усилению дыхания. Например, при повышении температуры тела дыхание учащается, что способствует увеличению отдачи теплоты вместе с выдыхаемым воздухом и предохраняет организм от перегревания (тепловая одышка).
Гипоталамус принимает участие в изменении характера ды
хания при болевых раздражениях, при различных поведенчес
ких актах (прием корма, обнюхивание, спаривание и др.). По
мимо регуляции частоты и глубины дыхания гипоталамус через
вегетативную нервную систему регулирует просвет бронхиол,
спадение нефункционирующих альвеол, степень расширения
легочных сосудов, проницаемость легочного эпителия и стенок
капилляров. /
Многогранно значение коры больших полушарий головного мозга в регуляции дыхания. В коре расположены центральные отделы всех анализаторов, информирующих как о внешних воздействиях, так и о состоянии внутренней среды организма. Поэтому наиболее тонкое приспособление дыхания к сиюминутным потребностям организма осуществляется при обязательном участии высших отделов нервной системы.
Особое значение имеет кора больших полушарий при мышечной работе. Известно, что учащение дыхания начинается за несколько секунд до начала работы, сразу после команды «приготовиться». Аналогичное явление наблюдается у спортивных лошадей наряду с тахикардией. Причиной подобных «опережающих» реакций у людей и животных являются выработавшиеся в результате повторных тренировок условные рефлексы. Только влиянием коры больших полушарий можно объяснить произвольные, волевые изменения ритма, частоты и глубины дыхания. Человек может произвольно задержать дыхание на несколько секунд или усилить
его. Несомненна роль коры в изменении паттерна дыхания во время подачи голоса, при нырянии, обнюхивании.
Итак, в регуляции внешнего дыхания участвует дыхательный центр. Ядро этого центра, находящееся в продолговатом мозге, посылает ритмичные импульсы через спинной мозг к дыхательным мышцам. Сам же бульварный отдел дыхательного центра находится под постоянным воздействием со стороны вышележащих отделов ЦНС и различных рецепторов - пульмональных, сосудистых, мышечных и др.
Значение рецепторов легких в регуляции дыхания. В легких имеются три группы рецепторов: растяжения и спадения; ирритантные; юкстакапиллярные.
Рецепторы растяжения расположены между гладкими мышцами в воздухоносных путях - вокруг трахеи, бронхов и бронхиол, а в альвеолах и плевре отсутствуют. Растяжение легких при вдохе вызывает возбуждение механорецепторов. Возникающие потенциалы действия передаются по центростремительным волокнам блуждающего нерва в продолговатый мозг. К концу вдоха частота импульсации нарастает от 30 до 100 импульсов в 1 с и становится пессимальной, вызывая торможение центра вдоха. Начинается выдох. Рецепторы спадения легких изучены недостаточно. Возможно, при спокойном дыхании их значение невелико.
Рефлексы с механорецепторов легких названы по имени открывших их ученых - рефлексы Геринга - Брейера. Назначение этих рефлексов заключается в следующем: информировать дыхательный центр о состоянии легких, их наполненности воздухом и в соответствии с этим регулировать последовательность вдоха и выдоха, ограничивать чрезмерное растяжение легких при вдохе или спадение легких при выдохе. У новорожденных рефлексы с механорецепторов легких играют большую роль; с возрастом значение их уменьшается.
Таким образом, значение блуждающего нерва в регуляции дыхания заключается в передаче афферентных импульсов от механорецепторов легких в дыхательный центр. У животных после перерезки вагуса информация от легких не попадает в продолговатый мозг, поэтому дыхание становится медленным, с коротким вдохом и очень продолжительным выдохом (рис. 7.8). При раздражении вагуса наблюдается задержка дыхания в зависимости от того, в какую фазу дыхательного
цикла действует раздражение. Если раздражение поступает во время вдоха, то вдох преждевременно прекращается и сменяется выдохом, а если совпадает с фазой выдоха, то, наоборот, выдох сменяется вдохом (рис. 7.9).
Ирритантные рецепторы расположены в эпителиальном и субэпителиальном слоях всех воздухоносных путей. Они раздражаются при попадании в воздухоносные пути пыли, ядовитых газов, а также при достаточно больших изменениях объема легких. Некоторая часть ирритантных рецепторов возбуждается при обычных вдохах и выдохах. Рефлексы с ирритантных рецепторов носят защитный характер - чихание, кашель, глубокий вдох («вздох»). Центры данных рефлексов расположены в продолговатом мозге.
Юкстакапиллярные рецепторы (юкста - вокруг) находятся вблизи капилляров малого круга кровообращения. По функциям они сходны с рецепторами спадения, для них раздражителем является увеличение интерстициального пространства легких, например при отеке. Раздражение юкстакапилляр-ных рецепторов вызывает одышку. Возможно, при интенсивной мышечной работе кровяное давление в легочных сосудах повышается, это увеличивает объем интерстициальной жидкости и стимулирует активность юкстакапиллярных рецепторов. Раздражителем пульмональных рецепторов может быть гистамин, синтезирующийся в базофилах и тучных клетках. В легких этих клеток довольно много, и при аллергических заболеваниях они выделяют гистамин в таком количестве, что это приводит к отеку и одышке.
Значение рецепторов дыхательных мышц. В дыхательных мышцах имеются рецепторы растяжения - мышечные веретена, сухожильные рецепторы. Особенно велика плотность их размещения в межреберных мышцах и мышцах стенок живота. Механорецепто-ры дыхательных мышц возбуждаются при их сокращении или растяжении при вдохе или выдохе. По принципу обратной связи они регулируют возбуждение мотонейронов спинного мозга в зависимости от их исходной длины и сопротивления, которое они встре-
Чают при сокращении. Сильное раздражение механорецепторов грудной клетки (например, при ее сжатии) вызывает торможение инспираторной деятельности дыхательного центра.
Значение хеморецепторов в регуляции дыхания. Исключительно важное значение в регуляции внешнего дыхания имеет газовый состав артериальной крови. Биологическая целесообразность этого вполне понятна, поскольку от содержания кислорода и диоксида углерода в артериальной крови зависит обмен газов между кровью и тканями. Давно стали классикой опыты Фредерика (1890) с перекрестным кровообращением, когда артериальная кровь от одной собаки поступала в кровь другой, а венозная кровь от головы второй собаки - в венозную кровь первой собаки (рис. 7.10). Если пережать трахею и тем самым остановить дыхание первой собаки, то ее кровь с недостаточным содержанием кислорода и избыточным диоксида углерода омывает головной мозг второй собаки. Дыхательный центр второй собаки усиливает дыхание (гипер-пноэ), и в ее крови снижается концентрация диоксида углерода и урежается дыхание вплоть до остановки (апноэ).
Благодаря опытам Фредерика стало очевидным, что дыхательный центр чувствителен к уровню содержания газов в артериальной крови. Возросшая концентрация диоксида углерода (гипер-капния) и водородных ионов в крови вызывает учащение дыхания, вследствие чего диоксид углерода выделяется с выдыхаемым воздухом и его концентрация в крови восстанавливается. Снижение содержания диоксида углерода в крови (гипокапния), напротив, вызывает урежение дыхания или его остановку до тех пор, пока в крови концентрация диоксида углерода снова не достигнет нормальной величины (нормокапния).
Концентрация кислорода в крови также влияет на возбудимость дыхательного центра, но в меньшей мере, чем диоксида углерода. Это связано с тем, что при обычных колебаниях атмосферного давления, даже на высотах до 2000 м над уровнем моря, почти весь гемоглобин превращается в оксигемоглобин, поэтому парциальное давление кислорода в артериальной крови всегда выше, чем в тканевой жидкости, и ткани получают, во всяком случае в
состоянии физиологического покоя, достаточно кислорода. При значительном снижении парциального давления кислорода в воздухе уменьшается содержание кислорода в крови (гипоксемия) и в тканях (гипоксия), в результате этого возбудимость дыхательного центра повышается и дыхание учащается.
Снижение концентрации кис-Рис. 7.10. Перекрестное кровообращение лорода В крови (гипоксемия) МО-
жет произойти и вследствие более интенсивного потребления его тканями. В этом случае возможно развитие кислородной недостаточности, что, в свою очередь, вызовет усиление внешнего дыхания. При повышении содержания кислорода в крови, например при вдыхании газовой смеси с высоким содержанием кислорода или при нахождении в барокамере под высоким атмосферном давлении, вентиляция легких уменьшается за счет угнетения дыхательного центра.
Мы рассмотрели в отдельности значение содержания кислорода и диоксида углерода в артериальной крови, т. е. аналитически. Однако в действительности оба газа влияют на дыхательный центр одновременно. Установлено, что гипоксия повышает чувствительность дыхательного центра к повышенному содержанию диоксида углерода, и усиление дыхания в этих условиях является интегральной реакцией дыхательного центра в ответ на изменение газового состава крови. Так, при физической работе в мышцы поступает больше кислорода из притекающей крови, увеличивается коэффициент утилизации кислорода, а его концентрация в крови снижается. Одновременно в результате повышения метаболизма из мышц в кровь поступает больше углекислоты и органических кислот.
Велика роль сосудистых хеморецепторов при первом вдохе новорожденного. Снижение содержания кислорода в крови и увеличение диоксида углерода во время родов, особенно после пережатия пуповины, является главнейшим раздражителем дыхательного центра, что и вызывает первый вдох.
Если в течение 1 мин произвольно максимально усилить дыхание и вызвать этим гипервентиляцию легких, то заметно удлиняется дыхательная пауза между выдохом и последующим вдохом. Может наступить кратковременное апноэ - остановка дыхания на 1...2 мин. Без предшествующей гипервентиляции задержать дыхание можно лишь на 20...30 с. Подобную гипервентиляцию легких с последующим апноэ вызывают у себя ныряльщики - охотники за жемчугом или губкой. После длительных тренировок они остаются под водой до 4...5 мин.
Попробуем разобраться в механизмах апноэ после одышки. Поскольку при обычном спокойном дыхании кровь насыщена кислородом на 95 %, усиление дыхания не приводит к значительному увеличению концентрации кислорода в крови. На содержание же диоксида углерода гипервентиляция оказывает заметное влияние - уровень диоксида углерода снижается сначала в альвеолярном воздухе, а затем в крови. Следовательно, апноэ после гипервентиляции легких связано с уменьшением концентрации углекислоты в крови. Дыхание восстановится, когда в крови снова накопится достаточный, или пороговый, уровень диоксида углерода.
Если задержать дыхание на 20...30 с, то наступает неудержимое стремление вздохнуть и сделать несколько глубоких дыхательных движений. Следовательно, задержка ведет к гиперпноэ - усиле-
нию дыхания. Это также обусловлено накоплением в крови диоксида углерода, так как за 20...30 с концентрация кислорода в крови снизится незначительно, а диоксид углерода постоянно поступает в кровь из тканей.
Итак, диоксид углерода является главнейшим гуморальным раздражителем дыхательного центра. Изменение его концентрации в крови ведет к таким изменениям в частоте и глубине дыхания, которые восстанавливают постоянный уровень углекислоты в крови. При увеличении уровня диоксида углерода в крови происходит стимуляция дыхательного центра и усиление дыхания, при снижении - уменьшение частоты и глубины дыхания. Поэтому столь эффективен метод искусственного дыхания «изо рта в рот», а в газовые смеси для искусственного дыхания обязательно добавляют диоксид углерода.
Где же находятся те датчики, или рецепторы, которые улавливают концентрацию газов в крови? Они расположены там, где необходим тщательный контроль за газовым составом внутренней среды организма. Такими участками являются сосудистые рефлексогенные зоны каротидного синуса и аорты, а также центральные рефлексогенные зоны в продолговатом мозге.
Синокаротидная зона, или зона каротидного синуса, имеет особо важное значение в отслеживании газового состава и рН крови. Она находится в области разветвления сонных артерий на наружные и внутренние ветви, откуда артериальная кровь направляется в головной мозг. Пороговая концентрация кислорода, углекислоты и водородных ионов для рецепторов синокаротидной зоны соответствует их уровню в крови при нормальных условиях в состоянии покоя. Небольшое возбуждение возникает в отдельных рецепторах при редком глубоком дыхании, когда концентрация газов в крови начинает немного изменяться. Чем сильнее изменяется газовый состав крови, тем большая частота импульсации возникает в хеморецепторах, стимулируя дыхательный центр.
Изменение дыхательных движений происходит не только при раздражении хеморецепторов аорты или каротидного синуса. Раздражение находящихся здесь же баро- или прессорецепторов при повышении артериального давления обычно ведет к замедлению дыхания, а при снижении артериального давления - к его усилению. Однако при физической нагрузке повышение артериального давления не приводит к угнетению дыхания, а также к депрессор-ным рефлексам.
Центральные (медуллярные) хеморецепторы в продолговатом мозге чувствительны к уровню содержания диоксида углерода в цереброспинальной жидкости. Если артериальные хеморецепторы регулируют газовый состав артериальной крови, то центральные хеморецепторы держат под контролем газовый и кислотно-щелочной гомеостаз жидкости, омывающей головной мозг, - наиболее уязвимую ткань организма. Хеморецепторы, чувствительные к из-
менению рН, диоксида углерода и кислорода, имеются также в венозных сосудах и в различных тканях организма. Однако их значение заключается не в регуляции внешнего дыхания, а в изменении регионального, или местного, кровотока.
Большой интерес представляют механизмы изменения дыхания при физической работе: при большой нагрузке частота и сила дыхательных движений увеличиваются, что приводит к гипервентиляции легких. Что является причиной этого? Усиление тканевого дыхания в мышцах приводит к накоплению молочной кислоты до Ю0...200мг/100мл крови (вместо 15...24 в норме) и недостатку кислорода для окислительных процессов. Такое состояние называется кислородной задолженностью. Молочная кислота, являясь более сильной кислотой, чем угольная, вытесняет из бикарбонатов крови диоксид углерода, в результате этого возникает гиперкапния, что усиливает возбудимость дыхательного центра.
Далее при мышечной работе возбуждаются различные рецепторы: проприорецепторы мышц и сухожилий, механорецепторы легких и воздухоносных путей, хеморецепторы сосудистых рефлексогенных зон, рецепторы сердца и др. От этих и других рецепторов афферентная импульсация также достигает дыхательного центра. При мышечной работе повышается тонус симпатического отдела нервной системы, увеличивается содержание катехоламинов в крови, которые стимулируют дыхательный центр и рефлекторно, и непосредственно. При мышечной работе увеличивается теплопродукция, что также ведет к усилению дыхания (тепловая одышка).
Раздражение различных экстерорецепторов приводит к образованию условных рефлексов. Обстановка, в которой обычно совершается работа (ипподром, ландшафт, взнуздывание, появление наездника, а также время суток), является комплексным стереотипом раздражения, подготавливающим лошадь к последующей работе. Наряду с различными поведенческими актами у животного заранее усиливается работа сердца, повышается артериальное давление, перестраивается дыхание и возникают другие вегетативные изменения.
В начале работы энергия мышцам поставляется за счет анаэробных процессов. В дальнейшем этого оказывается недостаточно и тогда возникает новое стационарное состояние («второе дыхание»), при котором увеличивается вентиляция легких, систолический и минутный объем сердца, кровоток в работающих мышцах.
Таким образом, регуляция дыхания включает два механизма: регуляцию внешнего дыхания, направленную на обеспечение оптимального содержания кислорода и диоксида углерода в крови, т. е. адекватного тканевому метаболизму, и регуляцию кровообращения, создающую наилучшие условия обмена газов между кровью и тканями.
В регуляции вдоха и выдоха большее значение имеют авто-матия дыхательного центра и афферентные импульсы от меха-норецепторов легких и дыхательных мышц, а в регуляции частоты и глубины дыхания - газовый состав крови, цереброспинальной жидкости и афферентные импульсы от хеморецепто-ров кровеносных сосудов, тканей и медуллярных (бульбарных) хеморецепторов.
Переносчиком кислорода от легких к тканям и углекислого газа от тканей к легким является кровь. В свободном (растворенном) состоянии переносится лишь небольшое количество этих газов. Основное количество кислорода и углекислого газа переносится в связанном состоянии.
Транспорт кислорода. Кислород, растворяющийся в плазме крови капилляров малого круга кровообращения, диффундирует в эритроциты, сразу связывается с гемоглобином, образуя оксигемоглобин. Скорость связывания кислорода велика: время полунасыщения гемоглобина кислородом около 3 мс. Один грамм гемоглобина связывает 1,34 мл кислорода, в 100 мл крови 16 г гемоглобина и, следовательно, 19,0 мл кислорода. Эта величина называется кислородной емкостью крови (КЕК).
Превращение гемоглобина в оксигемоглобин определяется напряжением растворенного кислорода. Графически эта зависимость выражается кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 6.3).
На рисунке видно, что даже при небольшом парциальном давлении кислорода (40 мм рт. ст.) с ним связывается 75-80% гемоглобина.
При давлении 80-90 мм рт. ст. гемоглобин почти полностью насыщается кислородом.
Рис. 6.3.
Кривая диссоциации имеет 5-образную форму и состоит из двух частей - крутой и отлогой. Отлогая часть кривой, соответствующая высоким (более 60 мм рт. ст.) напряжениям кислорода, свидетельствует о том, что в этих условиях содержание оксигемоглобина лишь слабо зависит от напряжения кислорода и его парциального давления во вдыхаемом и альвеолярном воздухе. Верхняя отлогая часть кривой диссоциации отражает способность гемоглобина связывать большие количества кислорода, несмотря на умеренное снижение его парциального давления во вдыхаемом воздухе. В этих условиях ткани достаточно снабжаются кислородом (точка насыщения).
Крутая часть кривой диссоциации соответствует напряжению кислорода, обычному для тканей организма (35 мм рт. ст. и ниже). В тканях, поглощающих много кислорода (работающие мышцы, печень, почки), оксигемоглобин диссоциирует в большей степени, иногда почти полностью. В тканях, в которых интенсивность окислительных процессов мала, большая часть оксигемоглобина не диссоциирует.
Свойство гемоглобина - легко насыщаться кислородом даже при небольших давлениях и легко его отдавать - очень важно. Благодаря легкой отдаче гемоглобином кислорода при снижении его парциального давления обеспечивается бесперебойное снабжение тканей кислородом, в которых вследствие постоянного потребления кислорода его парциальное давление равно нулю.
Распад оксигемоглобина на гемоглобин и кислород увеличивается с повышением температуры тела (рис. 6.4 ).
Рис. 6.4.
А - в зависимости от реакции среды (pH); Б - от температуры; В - от содержания солей; Г - от содержания углекислого газа. По оси абцисс - парциальное давление кислорода (в мм рт. ст.), по оси ординат - степень насыщения (в %)
Диссоциация оксигемоглобина зависит от реакции среды плазмы крови. С увеличением кислотности крови возрастает диссоциация оксигемоглобина (рис. 6.4, А).
Связывание гемоглобина с кислородом в воде осуществляется быстро, но полного его насыщения не достигается, как и не происходит полной отдачи кислорода при снижении его парциального давления. Более полное насыщение гемоглобина кислородом и полная его отдача при понижении напряжения кислорода происходят в растворах солей и в плазме крови (см. рис. 6.4, В).
Особое значение в связывании гемоглобина с кислородом имеет содержание углекислого газа в крови: чем больше его содержание в крови, тем меньше связывается гемоглобина с кислородом и тем быстрее происходит диссоциация оксигемоглобина. На рис. 6.4, Г показаны кривые диссоциации оксигемоглобина при разном содержании углекислого газа в крови. Особенно резко понижается способность гемоглобина соединяться с кислородом при давлении углекислого газа, равном 46 мм рт. ст., т.е. при величине, соответствующей напряжению углекислого газа в венозной крови. Влияние углекислого газа на диссоциацию оксигемоглобина очень важно для переноса газов в легких и тканях.
В тканях содержится большое количество углекислого газа и других кислых продуктов распада, образующихся в результате обмена веществ. Переходя в артериальную кровь тканевых капилляров, они способствуют более быстрому распаду оксигемоглобина и отдаче кислорода тканям.
В легких же по мере выделения углекислого газа из венозной крови в альвеолярный воздух с уменьшением содержания углекислого газа в крови увеличивается способность гемоглобина соединяться с кислородом. Тем самым обеспечивается превращение венозной крови в артериальную.
Транспорт углекислого газа. Известны три формы транспорта двуокиси углерода:
- физически растворенный газ - 5-10%, или 2,5 мл/100 мл крови;
- химически связанный в бикарбонатах: в плазме NaHC0 3 , в эритроцитах КНС0 3 - 80-90%, т.е. 51 мл/100 мл крови;
- химически связанный в карбаминовых соединениях гемоглобина - 5-15%, или 4,5 мл/100 мл крови.
Углекислый газ непрерывно образуется в клетках и диффундирует в кровь тканевых капилляров. В эритроцитах он соединяется с водой и образует угольную кислоту. Этот процесс катализируется (ускоряется в 20 000 раз) ферментом карбоангидразой. Карбоангидраза содержится в эритроцитах, в плазме крови ее нет. Поэтому гидратация углекислого газа происходит практически только в эритроцитах. В зависимости от напряжения углекислого газа карбоангидраза катализируется с образованием угольной кислоты, так и расщеплением ее на углекислый газ и воду (в капиллярах легких).
Часть молекул углекислого газа соединяется в эритроцитах с гемоглобином, образуя карбогемоглобин.
Благодаря указанным процессам связывания напряжение углекислого газа в эритроцитах оказывается невысоким. Поэтому все новые количества углекислого газа диффундируют внутрь эритроцитов. Концентрация ионов НС0 3 - , образующихся при диссоциации солей угольной кислоты, в эритроцитах возрастает. Мембрана эритроцитов обладает высокой проницаемостью для анионов. Поэтому часть ионов НС0 3 - переходит в плазму крови. Взамен ионов НС0 3 - в эритроциты из плазмы входят ионы С1 _ , отрицательные заряды которых уравновешиваются ионами К + . В плазме крови увеличивается количество бикарбоната натрия (NaHC0 3 -).
Накопление ионов внутри эритроцитов сопровождается повышением в них осмотического давления. Поэтому объем эритроцитов в капиллярах большого круга кровообращения несколько увеличивается.
Для связывания большей части углекислого газа исключительно большое значение имеют свойства гемоглобина как кислоты. Окси- гемоглобин имеет константу диссоциации в 70 раз большую, чем дезоксигемоглобин. Оксигемоглобин - более сильная кислота, чем угольная, а дезоксигемоглобин - более слабая. Поэтому в артериальной крови оксигемоглобин, вытеснивший ионы К + из бикарбонатов, переносится в виде соли КНЬ0 2 . В тканевых капиллярах КНЬ0 2 отдает кислород и превращается в КНЬ. Из него угольная кислота как более сильная вытесняет ионы К + :
Таким образом, превращение оксигемоглобина в гемоглобин сопровождается увеличением способности крови связывать углекислый газ. Это явление носит название эффекта Холдейна. Гемоглобин служит источником катионов (К +), необходимых для связывания угольной кислоты в форме бикарбонатов.
Итак, в эритроцитах тканевых капилляров образуется дополнительное количество бикарбоната калия, а также карбогемоглобин, а в плазме крови увеличивается количество бикарбоната натрия. В таком виде углекислый газ переносится к легким.
В капиллярах малого круга кровообращения напряжение углекислого газа снижается. От карбогемоглобина отщепляется С0 2 . Одновременно происходит образование оксигемоглобина, увеличивается его диссоциация. Оксигемоглобин вытесняет калий из бикарбонатов. Угольная кислота в эритроцитах (в присутствии карбоангидразы) быстро разлагается на воду и углекислый газ. Ионы НС0 3 “ входят в эритроциты, а ионы СГ входят в плазму крови, где уменьшается количество бикарбоната натрия. Углекислый газ диффундирует в альвеолярный воздух. Схематически все эти процессы представлены на рис. 6.5 .
Рис. 6.5.
- См.: Физиология человека / Под ред. А. Косицкого.
- См.: Леонтьева Н.Н, Маринова К.В. Указ. соч.
