Етапи засвоєння кисню організмом коротко. Система кисневого забезпечення організму (дитини). Запитання та завдання

Глава 8. Система кисневого забезпечення організму

Окисно-відновні реакції, що безперервно йдуть у кожній клітині організму, потребують постійного притоку субстратів окислення (вуглеводів, ліпідів і амінокислот) і окислювача - кисню. В організмі є значні запаси поживних речовин - вуглеводні та жирові депо, а також величезний запас білків у скелетних м'язах, тому навіть порівняно тривале (протягом кількох діб) голодування не приносить людині істотної шкоди. А ось запасів кисню в організмі практично немає, якщо не брати до уваги невеликої кількості, що міститься в м'язах у формі оксиміоглобіну, тому без його постачання людина здатна вижити лише 2-3 хв, після чого настає так звана «клінічна смерть». Якщо протягом 10-20 хв постачання клітин мозку киснем не відновиться, у них відбудуться такі біохімічні зміни, які порушать їх функціональні властивості та призведуть до швидкої загибелі всього організму. Інші клітини тіла при цьому можуть і не постраждати настільки, але нервові клітини вкрай чутливі до нестачі кисню. Ось чому однією з центральних фізіологічних систем організму є функціональна системакисневого забезпечення і стан саме цієї системи найчастіше використовується для оцінки «здоров'я».

Поняття про кисневий режим організму. Кисень проходить в організмі достатньо довгий шлях(Рис. 18). Потрапляючи всередину у вигляді молекул газу, він вже в легенях бере участь у низці хімічних реакцій, що забезпечують його подальше транспортування до клітин тіла. Там, потрапляючи в мітохондрії, кисень окислює різноманітні органічні сполуки, перетворюючи їх у кінцевому рахунку на воду та вуглекислоту. У такому вигляді кисень і виводиться із організму.

Що змушує кисень з атмосфери проникати у легені, потім – у кров, звідти – у тканини та клітини, де вже він вступає у біохімічні реакції? Очевидно, що існує певна сила, яка визначає саме такий напрямок переміщення молекул цього газу. Ця сила – градієнт концентрацій. Вміст кисню в атмосферному повітрі набагато більший, ніж у повітрі внутрілегочного простору (альвеолярному). Вміст кисню в альвеолах - легеневих бульбашках, у яких відбувається газообмін повітря з кров'ю, - набагато вищий, ніж у венозній крові. Тканини містять кисню набагато менше, ніж артеріальна кров, а мітохондрії містять незначну кількість кисню, оскільки молекули цього газу, що входять в них, негайно вступають у цикл окисних реакцій і перетворюються на хімічні сполуки. Ось цей каскад концентрацій, що поступово знижуються, що відображає градієнти зусилля, в результаті яких кисень з атмосфери проникає в клітини тіла, і прийнято називати кисневим режимом організму (рис.19). Вірніше, кисневий режим характеризується кількісними параметрами описаного каскаду. Верхня сходинка каскаду характеризує вміст кисню в атмосферному повітрі, яке під час вдиху проникає у легені. Друга сходинка – вміст О2 в альвеолярному повітрі. Третя сходинка – вміст О2 в артеріальній крові, щойно збагаченої киснем. І нарешті, четверта сходинка - напруга кисню у венозній крові, яка віддала кисень тканинам, що містився в ній. Ці чотири сходинки утворюють три прольоти, які відображають реальні процеси газообміну в організмі. «Проліт» між 1-ю та 2-ю сходинками відповідає легеневому газообміну, між 2-ю та 3-ю сходинками - транспорту кисню кров'ю, а між 3-ю та 4-ю сходинками - тканинному газообміну. Чим більша висота сходинки, тим більший перепад концентрацій, тим вищий градієнт, у якому кисень транспортується цьому етапі. З віком збільшується висота першого «прольоту», тобто градієнт легеневого газообміну; другого «прольоту», тобто. градієнт транспорту 02 кров'ю, тоді як висота третього прольоту, що відображає градієнт тканинного газообміну, знижується. Вікове зменшення інтенсивності тканинного окиснення є прямим наслідком зниження з віком інтенсивності енергетичного обміну.

Мал. 18. Транспорт кисню у людини (напрямок показано стрілками)

Мал. 19. Каскад напруг кисню у повітрі, що вдихається (I), в альвеолах (А), артеріях (а) і венах (К) У хлопчика 5 років, підлітка 15 років і дорослого 30 років

Таким чином, засвоєння кисню організмом відбувається у три стадії, які розділені у просторі та в часі. Перша стадія – нагнітання повітря у легені та обмін газів у легенях – носить ще назву зовнішнього дихання. Друга стадія – транспорт газів кров'ю – здійснюється системою кровообігу. Третя стадія – засвоєння кисню клітинами організму – називається тканинним, або внутрішнім диханням.

Обмін газів у легенях. Легкі є герметичні мішки, з'єднані з трахеєю за допомогою великих повітроносних шляхів - бронхів. Атмосферне повітря через носову і ротову порожнину проникає в гортань і далі в трахею, після чого поділяється на два потоки, один з яких йде до правої легені, інший до лівої (рис. 20). Трахея та бронхи складаються із сполучної тканини та каркасу з хрящових кілець, які не дозволяють цим трубкам перегинатися та перекривати повітроносні шляхи при різних змінах положення тіла. Увійшовши в легені, бронхи поділяються на безліч відгалужень, кожне з яких ділиться знову, утворюючи так зване «бронхіальне дерево». Найтонші гілочки цього "дерева" називаються бронхіолами, і на їх кінцях розташовуються легеневі бульбашки, або альвеоли (рис. 21). Кількість альвеол досягає 350 млн., а їх Загальна площа– 150 м2. Саме ця поверхня і являє собою площу для обміну газами між кров'ю та повітрям. Стінки альвеоли складаються з одного шару епітеліальних клітин, до якого впритул підходять найтонші кровоносні капіляри, що також складаються з одношарового епітелію. Така конструкція завдяки дифузії забезпечує порівняно легке проникнення газів з альвеолярного повітря. капілярну кров(кисень) та у зворотному напрямку ( вуглекислий газ). Цей газообмін відбувається внаслідок того, що створюється градієнт концентрації газів (рис. 22). Повітря, що знаходиться в альвеолах, містить відносно велику кількість кисню (103 мм рт. ст.) і малу кількість вуглекислого газу (40 мм рт. ст.). У капілярах, навпаки, концентрацію вуглекислого газу підвищено (46 мм рт. ст.), а кисню знижено (40 мм рт. ст.), оскільки в цих капілярах знаходиться венозна кров, зібрана вже після того, як вона побувала в тканинах і віддала їм кисень, отримавши натомість вуглекислий газ. Кров по капілярах протікає безперервно, а повітря в альвеолах оновлюється при кожному вдиху. Відтікає від альвеол збагачена киснем (до 100 мм рт. ст.) Кров містить порівняно мало вуглекислого газу (40 мм рт. ст.) І знову готова до здійснення тканинного газообміну.

Мал. 20. Схема будови легень (А) та легеневих альвеол (Б)

А:] - горло; 2 – трахея; 3 – бронхи; 4 – бронхіоли; 5 – легкі;

Б: 1 – судинна мережа; 2, 3 - альвеоли зовні та в розрізі; 4 -

бронхіолу; 5 - артерія та вена

Мал. 21. Схема розгалуження повітроносних шляхів (ліворуч). У правій частині малюнка наведено криву сумарної площі поперечного перерізу повітроносних шляхів на рівні кожного розгалуження (3). На початку перехідної зони ця площа починає суттєво зростати, що продовжується і в дихальній зоні. Бр – бронхи; Бл – бронхіоли; КБл – кінцеві бронхіоли; ДБл – дихальні бронхіоли; АХ – альвеолярні ходи; А – альвеоли

Мал. 22. Обмін газів у легеневих альвеолах: через стінку легеневої альвеоли О2 повітря, що вдихається надходить у кров, а СО2 венозної крові - в альвеолу; газообмін забезпечується різницею парціальних тисків (Р) СО2 та О2 у венозній крові та в порожнині легеневих альвеол

Щоб дрібні бульбашки - альвеоли - не спадалися під час видиху, їхня поверхня зсередини покрита шаром спеціальної речовини, що виробляється легеневою тканиною. Ця речовина – сурфактант – зменшує поверхневий натяг стінок альвеол. Зазвичай воно виробляється у надмірній кількості, щоб гарантувати максимально повне використання поверхні легень для газообміну.

Дифузійна здатність легень. Градієнт концентрацій газів по обидва боки альвеолярної стінки є силою, яка змушує молекули кисню і вуглекислого газу дифундувати, проникати крізь цю стінку. Однак при тому самому атмосферному тиску швидкість дифузії молекул залежить не тільки від градієнта, але і від площі дотику альвеол і капілярів, від товщини їх стінок, від наявності сурфактанту та інших причин. Для того щоб оцінити всі ці фактори, за допомогою спеціальних приладів вимірюють дифузійну здатність легень, яка в залежності від віку та функціонального станулюдини може змінюватися від 20 до 50 мл О2/хв/мм рт. ст.

Вентиляційно-перфузійне ставлення. Газообмін у легенях відбувається лише в тому випадку, якщо повітря в альвеолах періодично (у кожному дихальному циклі) оновлюється, а через легеневі капіляри безперервно тече кров. Саме з цієї причини зупинка дихання, як і зупинка кровообігу, однаково означає смерть. Безперервний струм крові через капіляри називається перфузією, а ритмічне надходження нових порцій атмосферного повітря в альвеоли – вентиляцією. Слід наголосити, що повітря в альвеолах за складом дуже істотно відрізняється від атмосферного: в альвеолярному повітрі набагато більше вуглекислого газу і менше кисню. Справа в тому, що механічна вентиляція легень не торкається найбільш глибоких зон, в яких розташовані легеневі бульбашки, і там газообмін відбувається тільки завдяки дифузії, а тому дещо уповільнено. Проте кожен дихальний цикл приносить у легені нові порції кисню та забирає надлишок вуглекислоти. Швидкість перфузії легеневої тканини кров'ю повинна точно відповідати швидкості вентиляції, щоб між цими двома процесами встановлювалася рівновага, інакше кров буде перенасичена вуглекислотою і недонасичена киснем, або, навпаки, вуглекислота буде вимиватися з крові. І те й інше погано, так як дихальний центр, розташований у довгастому мозку, генерує імпульси, що змушують дихальні м'язи здійснювати вдих і видих, під впливом рецепторів, що вимірюють вміст СО2 та О2 у крові. Якщо рівень СО2 у крові падає, дихання може зупинитися; якщо ж росте – починається задишка, людина відчуває ядуху. Співвідношення між швидкістю кровотоку через легеневі капіляри та швидкістю потоку повітря, що вентилює легені, називається вентиляційно-перфузійним ставленням (ВПО). Від нього залежить співвідношення концентрацій О2 і СО2 у повітрі, що видихається. Якщо надбавка СО2 (порівняно з атмосферним повітрям) точно відповідає зменшенню вмісту кисню, то ВПО=1, і це підвищений рівень. У нормі ВПО становить 0,7-0,8, т. е. перфузія має бути дещо інтенсивніше, ніж вентиляція. Величину ВПО враховують при виявленні тих чи інших захворювань бронхолегеневої системита системи кровообігу.

Якщо свідомо різко активізувати дихання, роблячи максимально глибокі та часті вдихи-видихи, то ВПО перевищить 1, а людина незабаром відчує запаморочення і може зомліти - це результат «вимивання» надлишкових кількостей СО2 з крові та порушення кислотно-лужного гомеостазу. Навпаки, якщо зусиллям волі затримати дихання, то ВПО становитиме менше 0,6 і за кілька десятків секунд людина відчує задуху і імперативний поклик до дихання. На початку м'язової роботи ВПО різко змінюється, спочатку знижуючись (посилюється перфузія, так як м'язи, почавши скорочуватися, видавлюють зі своїх вен додаткові порції крові), а через 15-20 с стрімко збільшуючись (активізується дихальний центр та зростає вентиляція). Нормалізується ВПО лише через 2-3 хв після початку м'язової роботи. Наприкінці м'язової роботи всі ці процеси протікають у зворотному порядку. У дітей подібне переналаштування системи кисневого постачання відбувається трохи швидше, ніж у дорослих, оскільки розміри тіла і відповідно інерційні характеристики серця, судин, легень, м'язів та інших структур, що беруть участь у цій реакції, у дітей істотно менші.

Тканинний газообмін. Кров, що приносить до тканин кисень, віддає його (за градієнтом концентрації) у тканинну рідину, а звідти молекули О2 проникають у клітини, де й захоплюються мітохондріями. Чим інтенсивніше відбувається це захоплення, тим швидше зменшується вміст кисню в тканинній рідині, тим вище стає градієнт між артеріальною кров'ю та тканиною, тим швидше кров віддає кисень, що при цьому від'єднується від молекули гемоглобіну, яка служила «транспортним засобом» для доставки кисню. Звільнені молекули гемоглобіну можуть захоплювати молекули СО2, щоб нести їх до легень і там віддавати альвеолярного повітря. Кисень, вступаючи в цикл окисних реакцій у мітохондріях, в кінцевому рахунку виявляється з'єднаним або з воднем (утворюється Н2О), або з вуглецем (утворюється СО2). У вільному вигляді кисень в організмі практично не існує. Весь вуглекислий газ, що утворюється в тканинах, виводиться з організму через легені. Метаболічна вода також частково випаровується з поверхні легень, але може виводитися, крім того, з потом та сечею.

Дихальний коефіцієнт. Співвідношення кількостей СО2, що утворився, і поглиненого О2 називається дихальним коефіцієнтом (ДК) і залежить від того, які субстрати окислюються в тканинах організму. ДК у видихуваному повітрі становить від 0,65 до 1. По суто хімічних причин при окисленні жирів ДК=0,65; при окисненні білків - близько 0,85; при окисненні вуглеводів ДК=1,0. Таким чином, за складом видихуваного повітря можна судити про те, які речовини використовуються зараз для вироблення енергії клітинами організму. Звичайно, зазвичай ДК приймає якесь проміжне значення, найчастіше близьке до 0,85, але це не означає, що окислюються білки; скоріше це результат одночасного окислення жирів та вуглеводів. Величина ДК тісно пов'язана з ВПО, між ними є майже повна відповідність, якщо не брати до уваги періодів, коли ВПО піддається різким коливанням. У дітей у спокої ДК зазвичай вище, ніж у дорослих, що пов'язано зі значною участю вуглеводів в енергетичному забезпеченні організму, особливо діяльності нервових структур.

При м'язовій роботі ДК також може суттєво перевищувати ВПЗ, якщо в енергозабезпеченні беруть участь процеси анаеробного гліколізу. У цьому випадку гомеостатичні механізми (буферні системи крові) призводять до викиду з організму додаткової кількості СО2, що зумовлено не метаболічними потребами, а гомеостатичними. Таке додаткове виділення СО2 називають "неметаболічним надлишком". Його поява в повітрі, що видихається означає, що рівень м'язового навантаження досяг деякого порога, після якого необхідне підключення анаеробних систем енергопродукції («анаеробний поріг»). Діти від 7 до 12 років мають більш високі відносні показники анаеробного порога: у них при такому навантаженні вище частота пульсу, легенева вентиляція, швидкість кровотоку, споживання кисню і т.п. 17-18 років не відрізняється від відповідного навантаження у дорослих. Анаеробний поріг - один із найважливіших показників аеробної продуктивності людини, а також те мінімальне навантаження, яке здатне забезпечити досягнення тренувального ефекту.

Зовнішнє дихання - це прояви процесу дихання, які добре помітні без будь-яких приладів, оскільки повітря входить у повітроносні шляхи і виходить з них тільки завдяки тому, що змінюється форма та об'єм грудної клітки. Що ж змушує повітря проникати вглиб організму, досягаючи, зрештою, дрібних легеневих бульбашок? У даному випадкудіє сила, викликана різницею в тиску всередині грудної клітки та в навколишній атмосфері. Легкі оточені сполучно-тканинною оболонкою, яка називається плеврою, причому між легкими та плевральним мішком знаходиться плевральна рідина, яка служить мастилом та герметиком. Внутрішньоплевральний простір герметичний, не повідомляється з сусідніми порожнинами і травними і кровоносними трубами, що проходять через грудну клітину. Герметична і вся грудна клітка, відокремлена від черевної порожнинине тільки серозною оболонкою, а й великим кільцевим м'язом - діафрагмою. Тому зусилля дихальних м'язів, що призводять навіть до невеликого збільшення її об'єму під час вдиху, забезпечують досить суттєве розрядження всередині плевральної порожнини, і саме під дією цього розрядження повітря входить у ротову та носову порожнину і проникає далі через гортань, трахею, бронхи та бронхіоли у легеневу. тканина.

Організація дихального акта. Три групи м'язів беруть участь в організації дихального акта, тобто в переміщенні стінок грудної клітки та черевної порожнини: інспіраторні (що забезпечують вдих) зовнішні міжреберні м'язи; експіраторні (що забезпечують видих) внутрішні міжреберні м'язи та діафрагма, а також м'язи черевної стінки. Злагоджене скорочення цих м'язів під управлінням дихального центру, який розташований у довгастому мозку, викликає переміщення ребер кілька вперед і вгору щодо їхнього становища в момент видиху, грудина піднімається, а діафрагма втискається всередину черевної порожнини. Таким чином, загальний об'єм грудної клітки істотно збільшується, там створюється досить високе розрядження, повітря з атмосфери спрямовується всередину легенів. Наприкінці вдиху імпульсація з дихального центру до цих м'язів припиняється, і ребра під силою власної тяжкості, а діафрагма внаслідок її розслаблення повертаються до «нейтрального» положення. Об'єм грудної клітини зменшується, там підвищується тиск, і зайве повітря з легенів викидається через самі трубки, якими він входило. Якщо з якихось причин видих утруднений, то полегшення цього процесу підключаються експіраторні м'язи. Працюють вони й у випадках, коли дихання посилюється чи прискорюється під впливом емоційних чи фізичних навантажень. Робота дихальних м'язів, як і будь-яка інша м'язова робота, потребує витрат енергії. Підраховано, що при спокійному диханні на ці потреби витрачається трохи більше 1% споживаної організмом енергії.

Залежно від того, чи пов'язане розширення грудної клітки при нормальному диханні переважно з підняттям ребер або ущільненням діафрагми, розрізняють реберний (грудний) та діафрагмальний (черевний) типи дихання. При грудному типідихання діафрагма зміщується пасивно відповідно до зміни внутрішньогрудного тиску. При черевному типі потужні скорочення діафрагми сильно зміщують органи черевної порожнини, тому при вдиху живіт випинається. Становлення типу дихання відбувається у віці 5-7 років, причому в дівчат воно стає, як правило, грудним, а у хлопчиків - черевним.

Легенева вентиляція. Чим більший організм і чим сильніше працюють дихальні м'язи, тим більше повітря проходить через легені за кожен дихальний цикл. З метою оцінки легеневої вентиляції вимірюють хвилинний обсяг дихання, тобто. середня кількість повітря, що проходить через дихальні шляхиза 1 хв. У спокої у дорослої людини ця величина становить 5-6 л/хв. У новонародженої дитини хвилинний об'єм дихання становить 650-700 мл/хв, до кінця 1 року життя досягає 2,6-2,7 л/хв, до 6 років – 3,5 л/хв, у 10 років – 4,3 л /хв, а у підлітків - 4,9 л/хв. При фізичному навантаженні хвилинний об'єм дихання може суттєво збільшуватися, досягаючи у юнаків і дорослих 100 л/хв і більше.

Частота та глибина дихання. Дихальний акт, що складається з вдиху та видиху, має дві основні характеристики – частоту та глибину. Частота - це кількість дихальних актів за хвилину. У дорослої людини ця величина зазвичай становить 12-15, хоча вона може змінюватись у широких межах. У новонароджених частота дихання під час сну досягає 50-60 за хвилину, до однорічного віку знижується до 40-50, потім у міру зростання відбувається поступове зниження цього показника. Так, у дітей молодшого шкільного вікучастота дихання зазвичай становить близько 25 циклів на хвилину, а й у підлітків - 18-20. Прямо протилежну тенденцію вікових зміндемонструє дихальний обсяг, тобто. міра глибини дихання. Він є середньою кількістю повітря, яке надходить у легені за кожен дихальний цикл. У новонароджених він дуже малий – всього 30 мл або навіть менше, до однорічного віку збільшується до 70 мл, у 6 років стає понад 150 мл, до 10 років досягає 240 мл, у 14 років – 300 мл. У дорослого дихальний об'єм у спокої не перевищує 500 мл. Хвилинний обсяг дихання є твір дихального об'єму на частоту дихання.

Якщо людина виконує будь-яку фізичне навантаженняйому потрібно додаткову кількість кисню, відповідно збільшується хвилинний об'єм дихання. У дітей до 10 років це збільшення забезпечується в основному почастішанням дихання, яке може стати в 3-4 рази частішим, ніж дихання в спокої, тоді як дихальний обсяг збільшується тільки в 1,5-2 рази. У підлітків, а тим більше у дорослих збільшення хвилинного обсягу здійснюється головним чином за рахунок дихального об'єму, який може збільшитись у кілька разів, а частота дихання зазвичай не перевищує 50-60 циклів на хвилину. Вважається, що такий тип реакції системи дихання економічніший. За різними критеріями ефективність та економічність зовнішнього дихання з віком суттєво збільшується, досягаючи максимальних величин у юнаків та дівчат 18-20 років. У цьому дихання юнаків, зазвичай, організовано ефективніше, ніж в дівчат. На ефективність дихання та його економічність великий вплив має фізична тренованість, особливо у тих видах спорту, у яких кисневе забезпечення грає вирішальну роль. Це стаєрський біг, лижі, плавання, веслування, велосипед, теніс та інші види, пов'язані з виявом витривалості.

При виконанні циклічного навантаження ритм дихання зазвичай підлаштовується під ритм скорочення скелетних м'язів - це полегшує роботу дихання і робить її більш ефективною. У дітей засвоєння ритму рухів дихальної мускулатурою відбувається інстинктивно без втручання свідомості, проте вчитель може допомогти дитині, що сприяє якнайшвидшій адаптації до такого навантаження.

При виконанні силового та статичного навантаження спостерігається так званий феномен Ліндгардта – затримка дихання під час напруження з подальшим збільшенням частоти та глибини дихання після зняття навантаження. Не рекомендується використовувати важкі силові та статичні навантаження у тренуванні та фізичному вихованні дітей до 13-14 років, у тому числі і через незрілість системи дихання.

Спірограма. Якщо на шляху повітря, що входить у легені та виходить з них, встановити гумове хутро або легкий дзвін, занурений у воду, то завдяки дії дихальних м'язів цей пристрій буде збільшувати свій об'єм при видиху та зменшувати при вдиху. Якщо всі з'єднання при цьому будуть герметичні (для герметизації ротової порожнини використовують спеціальний гумовий загубник або маску, що надягається на обличчя), то можна, прикріпивши до рухомої частини пристрою пишучий інструмент, записати все дихальні рухи. Такий прилад, винайдений ще XIX в., називається спірограф, а зроблений з його допомогою запис - спірограма (рис. 23). За допомогою спірограми, зроблена на паперовій стрічці, можна кількісно виміряти найважливіші характеристикизовнішнього дихання людини. Легкові обсяги та ємності. Завдяки спірограмі можна наочно побачити та виміряти різні легеневі об'єми та ємності. Обсягами у фізіології дихання прийнято називати ті показники, які динамічно змінюються у процесі дихання та характеризують функціональний стан системи дихання. Ємність - це резервуар, що не змінюється в короткий час, в рамках якого відбувається дихальний цикл і газообмін. Точкою відліку для всіх легеневих обсягів та ємностей є рівень спокійного видиху.

Легкові обсяги. У спокої дихальний об'єм малий порівняно із загальним обсягом повітря у легенях. Тому людина може як вдихнути, і видихнути великий додатковий обсяг повітря. Ці обсяги звуться відповідно резервний обсяг вдиху і резервний обсяг видиху. Однак навіть при найглибшому видиху в альвеолах і повітроносних шляхахзалишається кілька повітря. Це так званий залишковий обсяг, який не вимірюється за допомогою спірограми (для його вимірювання використовується досить складна техніка та розрахунки, застосовуються інертні гази). У дорослої людини він становить близько 1,5 л, у дітей – значно менше.

Мал. 23. Спірограма: ємність легень та її компоненти

А – схема спірограми: 1 – резервний обсяг вдиху; 2 – дихальний об'єм; 3 – резервний обсяг видиху; 4-залишковий обсяг; 5 – функціональна залишкова ємність; 6 – ємність вдиху; 7 – життєва ємність; 8 – загальна ємність легень; Б - обсяги та ємності легень: / - юні спортсмени; // - нетреновані школярі ( середній вік 13 років) (за А. І. Осиповим, 1964). Цифри над стовпчиками – середні величини загальної ємності. Цифри в стовпчиках – середні величини легеневих обсягів у відсотках від загальної ємності; цифри зліва від стовпчиків відповідають позначенням на спірограмі

Життєва ємність легень. Сумарна величина резервного об'єму вдиху, дихального об'єму та резервного об'єму видиху становить життєву ємністьЛегких (ЖЕЛ) – один із найбільш важливих показників стану системи дихання. Для її вимірювання використовуються різноманітної конструкції спірометри, в які необхідно зробити максимально глибокий видих після максимально глибокого вдиху – це буде ЖЕЛ. ЖЕЛ залежить від розмірів тіла, а тому і від віку, а також дуже суттєво залежить від функціонального стану та фізичної тренованості організму людини. У чоловіків ЖЄЛ вище, ніж у жінок, якщо ні ті, ні інші не займаються спортом, особливо вправами на витривалість. Величина ЖЕЛ значно відрізняється у людей різної статури: у брахіморфних типів вона порівняно мала, а й у долихоморфных - дуже велика. Прийнято використовувати ЖЕЛ як один із показників фізичного розвитку дітей шкільного віку, а також призовників. Виміряти ЖЕЛ можна тільки за активної та свідомої участі дитини, тому дані про дітей до 3-річного віку практично відсутні.

Таблиця 9

Життєва ємність легень у дітей та підлітків (у мл)

	Вік, роки

Хлопчики

Незважаючи на свою назву, ЖЕЛ не відображає параметрів дихання в реальних, «життєвих» умовах, оскільки ні за яких навантажень людина не дихає, використовуючи повністю резервний об'єм вдиху та резервний об'єм видиху.

Інші ємності. Той простір легень, який може бути зайнятий повітрям у разі максимально повного вдиху після спокійного видиху, називається ємністю вдиху. Ця ємність складається з дихального об'єму та резервного об'єму вдиху.

Резервний обсяг видиху та залишковий обсяг, який ніколи не може бути видихнутий, разом становлять функціональну залишкову ємність (ФОЕ) легень. Фізіологічний сенс ФОЕ у тому, що грає роль буферної зони. Завдяки її наявності в альвеолярному просторі згладжуються коливання концентрацій О2 та СО2 у процесі дихання. Це стабілізує функцію легеневого газообміну, забезпечуючи рівномірний потік кисню з альвеолярного простору кров'яне русло, а вуглекислого газу - у зворотному напрямку.

Загальна ємність легень є сумою ЖЕЛ і залишкового обсягу, або всіх чотирьох обсягів легень: дихального, залишкового, резервних обсягів вдиху і видиху. Загальна ємність легень із віком збільшується пропорційно розмірам тіла.

Управління диханням. Дихання - одне з тих функцій організму, які, з одного боку, здійснюються автоматично, з іншого - можуть підкорятися свідомості. Автоматичне дихання забезпечується дихальним центром, розташованим у довгастому мозку. Руйнування дихального центру веде до зупинки дихання. p align="justify"> Ритмічно виникаючі в дихальному центрі імпульси збудження передаються по відцентровим нейронам до дихальних м'язів, забезпечуючи чергування вдиху і видиху. Вважається, що періодичних імпульсів у дихальному центрі обумовлено циклічними обмінними процесами в нейронах, з яких складається ця область головного мозку. Активність дихального центру регулюється великою кількістю вроджених та набутих рефлексів, а також імпульсами від хеморецепторів, що контролюють напругу кисню, вуглекислого газу та рівень рН у крові, та механорецепторів, що відстежують ступінь розтягування дихальних м'язів, легеневої тканини та безліч інших параметрів. Рефлекторні дугивлаштовані таким чином, що завершення вдиху стимулює початок видиху, а кінець видиху є рефлекторним стимулом для початку вдиху.

В той же час всі ці рефлекси можуть бути на деякий час пригнічені за рахунок активності кори великих півкуль, яка може взяти на себе дихання. Таке дихання називається довільним. Зокрема, воно використовується при виконанні вправ дихальної гімнастики, при пірнанні, при попаданні в умови загазованості або задимленості та в інших випадках, коли потрібна адаптація до факторів, що рідко зустрічаються. Однак при довільній затримці дихання рано чи пізно дихальний центр приймає він управління цією функцією і видає імперативний стимул, з яким свідомість впоратися неспроможна. Це буває тоді, коли досягнутий поріг чутливості дихального центру. Чим зріліший і більш фізично тренований організм, тим вище цей поріг, тим більші відхилення в гомеостазі може витримати дихальний центр. Спеціально натреновані нирці, наприклад, здатні затримувати дихання на 3-4 хв, іноді навіть на 5 хв - час, необхідний їм для спуску на значну глибину під воду та пошуку там потрібного об'єкта. Так, наприклад, добувають морські перли, корали, губку та деякі інші «дари моря». Діти свідоме управління дихальним центром можливе після проходження напівростового стрибка, тобто. після 6-7 років, зазвичай саме у цьому віці діти привчаються пірнати та плавати тими стилями, які пов'язані із затримкою дихання (кроль, дельфін).

Момент народження людини – це момент її першого вдиху. Адже в утробі матері функція зовнішнього дихання не могла здійснюватися, а потреба у кисні забезпечувалася за рахунок його постачання через плаценту з материнського організму. Тому, хоча до моменту народження функціональна система дихання в нормі повністю дозріває, вона має цілу низку особливостей, пов'язаних з актом народження та умовами життя в період новонародженості. Зокрема, активність дихального центру в дітей віком у період порівняно низька і неустановившаяся, тому нерідко перший вдих дитина робить відразу після виходу з родових шляхів, а ще через кілька секунд і навіть хвилин. Іноді для ініціації першого вдиху досить простого ляпанця по сідницях дитини, але іноді апное (відсутність дихання) затягується, і якщо це триває кілька хвилин, може перейти у стані асфіксії. Будучи досить типовим ускладненням процесу пологів, асфіксія вкрай небезпечна своїми наслідками: кисневе голодування нервових клітин може призвести до порушення нормальної роботи. Ось чому нервова тканина новонароджених набагато менш чутлива до нестачі кисню та надлишку кислих продуктів метаболізму. Проте тривала асфіксія (десятки хвилин) веде до значних порушень діяльності центральної нервової системи, які можуть позначатися іноді протягом усього життя.

До віку 2-3 років чутливість дихального центру у дітей різко зростає і стає вищою, ніж у дорослих. Надалі вона поступово знижується, аж до 10-11 років. У підлітковому віці знову спостерігається тимчасове збільшення чутливості дихального центру, яке усувається із завершенням пубертатних процесів.

Вікові зміни структури та функціональних можливостей органів дихання. З віком всі анатомічні складові системи дихання збільшуються в розмірах, що і багато в чому визначає спрямованість функціональних вікових змін. Абсолютні характеристики анатомічних просвітів трахеї та бронхів, бронхіол, альвеол, загальної ємності легень та її складових збільшуються приблизно пропорційно до збільшення площі поверхні тіла. У той же час більш висока інтенсивність метаболічних, у тому числі окисних процесів у ранньому віці вимагає підвищеного надходження кисню, тому відносні показники системи дихання відображають значно більшу його напругу у дітей. раннього віку- Приблизно до 10-11 років. Однак, незважаючи на явно меншу економічність та ефективність, дихальна системау дітей працює так само надійно, як і у дорослих. Цьому сприяє, зокрема, велика дифузійна здатність легень, тобто. краща проникність альвеол та капілярів для молекул кисню та вуглекислого газу.

Транспорт газів кров'ю

Кисень, що поступив в організм через легкі кисень, повинен бути доставлений до його споживачів - усім клітинам тіла, що знаходяться іноді на відстані десятків сантиметрів (а у деяких великих тварин - декількох метрів) від «джерела». Процеси дифузії не здатні транспортувати речовину на такі відстані з достатньою для потреб клітинного метаболізму швидкістю. Найбільш раціональним способом транспортування рідин та газів є використання трубопроводів. Людина у своїй господарській діяльності давно і широко використовує трубопроводи скрізь, де потрібне постійне переміщення значних кількостей води, нафти, газу та багатьох інших речовин. Для того щоб протистояти силі гравітації, а також подолати силу тертя в трубах, якими тече рідина, людина винайшла насос. А щоб рідина текла тільки в потрібному напрямку, не повертаючись назад у момент зниження напору в трубопроводі, були винайдені клапани - пристрої, схожі на двері, що відчиняються лише в один бік.

Так само влаштована і головна транспортна система людського організму - система кровообігу. Вона складається з труб-судин, насоса-серця та численних клапанів, які забезпечують односпрямованість руху крові через серце та не допускають зворотного струму крові у венах. Розгалужуючись на дрібні трубочки - капіляри, кровоносні судини доходять практично до кожної клітини, забезпечуючи їх поживними речовинами та киснем і забираючи продукти їх життєдіяльності, які потрібні іншим клітинам або яких організму необхідно позбутися. Система кровообігу у ссавців та людини є замкнутою мережею судин, через яку проходить єдиний струм крові, що забезпечується циклічним скороченням серцевого м'яза. Оскільки завдання кисневого забезпечення клітин стоїть першою серед життєво важливих завдань, система кровообігу вищих тварин і людини спеціально пристосована до найбільш ефективного газообміну в повітряному середовищі. Це забезпечується поділом замкнутого судинного трубопроводу на два ізольованих кола - малий і великий, перший з яких забезпечує газообмін між кров'ю та навколишнім середовищем, а другий - між кров'ю та клітинами тіла.

Малий та велике колота кровообігу (рис. 24). Артеріями називаються ті судини, які несуть кров від серця до органів та тканин. Вони мають міцну і досить товсту стінку, яка повинна витримувати величезні тиски, створювані роботою серця. Поступово розгалужуючись на дрібніші судини - артеріоли і капіляри - артерії приносять кров до всіх тканин. Судини, що виносять кров з тканин, називаються венами. Вони формуються в міру злиття та укрупнення дрібніших судин - капілярів та венул. Відня не відрізняються потужністю своїх стінок і легко спадаються, якщо в них немає крові, оскільки їм не доводиться стикатися з великим кров'яним тиском. Щоб струм крові не міг йти у зворотному напрямку, у венах є спеціальні клапани, що затримують кров, якщо щось змушує її рухатись у зворотному напрямку. Завдяки такій конструкції вени, що протікають через скелетні м'язи, працюють як додаткові насоси: скорочуючись, м'язи виштовхують з вен кров, а розслабляючись, дозволяють новій порції крові увійти до вен. Оскільки рух крові в них може бути тільки в одному напрямку – до серця – такий «м'язовий насос» робить значний внесок у кровообіг при м'язовому навантаженні.

Мале коло кровообігу починається від правого шлуночка, з якого виходить легенева артерія. Практично відразу вона ділиться на два потоки - до правого та лівій легені. Досягнувши легень, легеневі артерії поділяються на безліч капілярів, найтонші з яких омивають окремі бульбашки легеневі (альвеоли). Саме тут відбувається обмін газами між кров'ю та повітрям, що знаходиться в альвеолах. Для полегшення газообміну легеневі капіляри складаються лише з одного шару клітин.

Мал. 24. Схема кровообігу

На відміну від інших артерій організму, легеневі артерії несуть у собі бідну киснем і насичену вуглекислим газом кров. Така кров називається "венозною", оскільки вона тече у венах всього тіла (за винятком легеневих вен). Ця кров вже пройшла судинами великого кола кровообігу, віддала кисень, що містився в ній, і зібрала вуглекислоту, якої потрібно позбутися в легенях.

Виходять з легенів вени, навпаки, несуть «артеріальну», тобто насичену киснем і майже вільну від вуглекислого газу кров. Таким чином, мале коло кровообігу принципово відрізняється від великого кола напрямком руху насиченої киснем крові.

Легеневі вени несуть збагачену киснем кров у ліве передсердя. Наповнившись кров'ю, передсердя скорочується, проштовхуючи цю порцію крові в лівий шлуночок. Звідти і починається велике коло кровообігу.

З лівого шлуночка виходить найбільша в організмі кровоносна судина - аорта. Це досить коротка, але дуже потужна трубка, здатна витримувати великі перепади тисків, що виникають у процесі періодичних скорочень серця. Ще в грудній клітці аорта ділиться на кілька найбільших артерій, одні з яких несуть багату киснем артеріальну кров до голови та органів верхньої частини тіла, інші - до органів нижньої частини тіла. Від великих магістральних судин послідовно відокремлюються все нові. дрібні судини, що несуть кров до окремих ділянок тіла. Таким чином, як до головного мозку, так і до інших найважливішим органамзавжди надходить свіжа, насичена киснем кров.

Єдиним винятком із цього правила є печінка, в якій артеріальна та венозна кров поєднуються. Однак це має глибоке фізіологічне значення. З одного боку, печінка отримує свіжу артеріальну кров печінковою артерією, тобто. її клітини повністю забезпечуються необхідною кількістю кисню. З іншого боку, в печінку входить так звана ворітна вена, яка несе з собою поживні речовини, що всмокталися в кишечнику. Вся кров, що відтікає від кишечника, проходить через печінку - головний орган захисту від різноманітних токсинів і небезпечних речовин, які могли всмоктатися в травному тракті. Потужні окислювальні системи печінки «спалюють» всі підозрілі молекули, перетворюючи їх на безпечні продукти метаболізму.

Від усіх органів кров збирається у вени, які, зливаючись, утворюють дедалі більші об'єднані судини. Нижня порожниста вена, що збирає кров із нижньої частини тіла, і верхня порожниста вена, в яку стікається кров із верхньої частини тіла, впадають у праве передсердя, а звідти виштовхуються у правий шлуночок. З цього моменту кров знову потрапляє до малого кола кровообігу.

Лімфатична система. Другою транспортною системою організму є мережа лімфатичних судин. Лімфа практично не бере участі у транспорті кисню, але має велике значеннядля розподілу по організму поживних речовин (особливо – ліпідів), а також для захисту організму від проникнення чужорідних тіл та небезпечних мікроорганізмів. Лімфатичні судини за своїм пристроєм схожі на вени, вони також мають у собі клапани, що забезпечують односпрямований струм рідини, але, крім того, стінки лімфатичних судин здатні до самостійного скорочення (лімфатичні серця). Не маючи центрального насоса, лімфатична системазабезпечує переміщення рідини завдяки цим лімфатичним серцям та скорочення скелетних м'язів. По дорозі лімфатичних судин, особливо у місцях їх злиття, утворюються лімфатичні вузли, виконують переважно захисні (імунні) функції. Негативний тиск, що створюється в грудної порожнинипри вдиху, також працює як сила, що штовхає лімфу у напрямку до грудної клітини, де лімфатичні протоки впадають у вени. Таким чином, лімфатична система поєднується із системою кровообігу в єдину транспортну мережу організму.

Серце та його вікові особливості. Головний насос кровоносної системи - серце - є м'язовим мішком, розділеним на 4 камери: два передсердя і два шлуночки (рис. 25). Ліве передсердя з'єднане з лівим шлуночком отвором, у створі якого розташовується мітральний клапан. Праве передсердя з'єднане з правим шлуночком отвором, що закриває тристулковий клапан. Права і ліва половини серця між собою не пов'язані, у правій половині серця завжди знаходиться «венозна», тобто. бідна киснем кров, а лівої - «артеріальна», насичена киснем. Вихід із правого (легенева артерія) та лівого (аорта) шлуночків закритий подібними за конструкцією. напівмісячними клапанами. Вони не дозволяють крові з цих великих судин повертатися в серце в період його розслаблення.

Формування серцево-судинної системиу плода починається дуже рано - вже на 3-му тижні після зачаття з'являється група клітин, що мають періодичну скорочувальну активність, з яких згодом формується серцевий м'яз. Однак навіть на момент народження деякі особливості ембріонального кровообігу зберігаються (рис. 26). Оскільки джерелом кисню та поживних речовин в ембріональному періоді є не легкі та травний тракт, а плацента, сполучена з організмом плода через пуповину, суворого поділу серця на дві незалежні половини не потрібно. Крім того, легеневий кровотік ще не має функціонального сенсу, і ця ділянка не повинна бути включена до магістрального кровообігу. Тому плод має овальний отвір, що з'єднує між собою обидва передсердя, а також спеціальну артеріальну протоку, що з'єднує аорту і легеневу артерію. Незабаром після народження ці протоки, що шунтують, закриваються, і два кола кровообігу починають функціонувати, як у дорослих.

Мал. 25. Будова серця

Овальний отвір

Мал. 26. А - серце плода; Б – серце дитини після народження. Стрілки показують напрямок руху крові

Хоча основну масу стінок серця становить м'язовий шар (міокард), там є кілька додаткових шарів тканин, що захищають серце від зовнішніх впливів і зміцнюють його стінки, які зазнають величезного тиску під час роботи. Ці захисні шари називаються перикардом. Внутрішня поверхня порожнини серця вистелена ендокардом, властивості якого дозволяють не шкодити клітин крові під час скорочень. Розташоване серце з лівого боку грудної клітки (хоча в окремих випадках буває й інше його розташування) верхівкою вниз.

Маса серця у дорослої людини становить 0,5% від маси тіла, тобто 250-300 г у чоловіків і близько 200 г у жінок. У дітей відносні розміри серця трохи більші – приблизно 0,7% від маси тіла. Серце загалом збільшується пропорційно до збільшення розмірів тіла. За перші 8 місяців. після народження маса серця зростає вдвічі, до 3 років – утричі, до 5 років – у 4 рази, а до 16 років – в 11 разів у порівнянні з масою серця новонародженого. У хлопчиків серце зазвичай дещо більше, ніж у дівчаток; лише в період статевого дозрівання почали дозрівати раніше дівчинкимають велике серце.

Міокард передсердь значно тонший, ніж міокард шлуночків. Це і зрозуміло: робота передсердь полягає в нагнітанні порції крові крізь клапани в розташований по сусідству шлуночок, тоді як шлуночкам треба надати крові таке прискорення, яке змусить її дістатися найвіддаленіших від серця ділянок капілярної мережі. З цієї ж причини міокард лівого шлуночка в 2,5 рази товстіший, ніж міокард правого шлуночка: проштовхування крові по малому колу кровообігу вимагає набагато менших зусиль, ніж по великому колу.

М'яз серця складається з волокон, подібних до волокон скелетної мускулатури. Однак поряд зі структурами, що мають скорочувальну активність, в серці представлена також інша - провідна - структура, яка забезпечує швидке проведення збудження до всіх ділянок міокарда та його синхронне періодичне скорочення. Кожна ділянка серця в принципі здатна до самостійної (спонтанної) періодичної скорочувальної активності, проте в нормі серцевим скороченням керує певна частина клітин, яка називається водієм ритму, або пейсмейкером, і розташована у верхній частині правого передсердя (синусний вузол). Автоматично виробляється тут імпульс з частотою приблизно 1 раз на секунду (у дорослих; у дітей - значно частіше) поширюється по провідній системі серця, яка включає передсердно-шлуночковий вузол, пучок Гісса, що розпадається на праву і ліву ніжки, що розгалужуються в масі міокарда шлуночків ( 27). Більшість порушень ритму серця є наслідком тих чи інших уражень волокон провідної системи. Інфаркт (омертвіння частини м'язових волокон) міокарда найбільш небезпечний у випадках, коли уражаються відразу обидві ніжки пучка Гисса.

Мал. 27. Схематичне зображення провідної

системи серця 1 – синусний вузол; 2 - передсердно-шлуночковий вузол; 3 – пучок Гісса; 4 і 5 - права та ліва ніжки пучка Гісса; 6 - кінцеві розгалуження провідної системи

Серцевий цикл Порушення, що автоматично виникає в синусному вузлі, передається на скорочувальні волокна передсердь, і м'язи передсердя скорочуються. Ця стадія серцевого циклуназивається систолою передсердь. Вона триває приблизно 0,1 с. За цей час порція крові, що накопичилася в передсердях, переміщається у шлуночки. Відразу слідом за цим відбувається систола шлуночків, яка триває 0,3 с. У процесі скорочення м'язів шлуночків, з них під великим тиском виштовхується кров, яка прямує в аорту та легеневі артерії. Потім настає період розслаблення (діастола), що триває 0,4 с. У цей час кров, що надійшла по венах, входить у порожнину розслаблених передсердь.

Досить значна механічна робота серця супроводжується механічними та акустичними ефектами. Так, якщо прикласти долоню руки до лівого боку грудей, можна відчути періодичні удари, які робить серце при кожному скороченні. Пульс (регулярні хвилеподібні коливання стінок великих судин з частотою, що дорівнює частоті скорочень серця) можна промацати також на сонній артерії, променевої артерії руки та інших точках. Якщо додати вухо або спеціальну трубочку для прослуховування (стетоскоп) до грудей або спини, можна почути тони серця, що виникають на послідовних етапах його скорочення і мають характерні особливості. Тони серця у дітей не такі, як у дорослих, що добре відомо лікарям-педіатрам. Прослуховування серця і промацування пульсу - найстаріші діагностичні прийоми, за допомогою яких лікарі ще в середні віки визначали стан пацієнта і залежно від симптомів, що спостерігалися, призначали лікування. У медицині Тибету тривале (десятки хвилин) безперервне спостереження за пульсом досі служить основним діагностичним прийомом. У сучасній медицині широко використовуються методи ехокардіографії (запис ультразвукових хвиль, відбитих від тканин працюючого серця), фонокардіографії (запис звукових хвиль, що утворюються серцем у процесі скорочень), а також спектральний аналіз серцевого ритму (спеціальний прийом математичної обробки кардіограми). Дослідження варіабельності серцевого ритму у дітей застосовується, зокрема, з метою оцінки їх адаптивних можливостей при навчальному та фізичному навантаженні.

Мал. 28. Нормальна ЕКГлюдини, отримана шляхом біполярного відведення від поверхні тіла у напрямку довгої осі серця

Електрокардіограма (рис. 28). Оскільки серце є м'язом, його робота призводить до появи біологічних електричних потенціалів, що завжди супроводжують скорочення м'язів будь-якого типу. Будучи досить сильними, ці скорочення викликають потужні потоки електричних імпульсів, що розповсюджуються по всьому тілу. Напруга струму за таких скороченнях становить близько 1 тисячної частки вольта, тобто. величину цілком достатню для реєстрації за допомогою спеціального потенціометра. Прилад призначений для реєстрації електричної активностісерця, називається електрокардіографом, а крива, що їм записується - електрокардіограмою (ЕКГ). Зняти потенціал для запису ЕКГ за допомогою провідних струмів електродів (металевих пластин) можна з різних ділянок тіла. У медичній практиці найчастіше використовуються відведення ЕКГвід двох рук або від однієї руки та однієї ноги (симетрично або асиметрично), а також ряд відведень із поверхні грудей. Незалежно від місця відведення, ЕКГ завжди має одні й самі зубці, чергуються в однаковій послідовності. Місця відведення ЕКГ впливають лише на висоту (амплітуду) цих зубців.

Зубці ЕКГ прийнято позначати латинськими літерами Р, Q, R, S і Т. Кожен із зубців несе інформацію про електричні, а отже, метаболічні процеси в різних ділянкахміокарда на різних етапах серцевого циклу. Зокрема, зубець Р відбиває систолу передсердь, комплекс QRS характеризує систолу шлуночків, а зубець Т свідчить про перебігу відновлювальних процесів у міокарді під час діастоли.

Реєстрація ЕКГ можлива навіть у плодів, оскільки електричний імпульс серця плода легко поширюється по струмопровідних тканинах його та материнського організму. Жодних принципових відмінностей в ЕКГ дітей немає: ті ж зубці, та ж їхня послідовність, той же фізіологічний зміст. Відмінності укладені в амплітудних характеристиках зубців та деяких співвідношеннях між фазами роботи серця і відображають, головним чином, вікове збільшення розмірів серця та підвищення з віком ролі парасимпатичного відділу вегетативної нервової системи в управлінні скорочувальною активністю міокарда.

Швидкість кровотоку. При кожному скороченні шлуночки виганяють всю кров, що знаходиться в них. Цей об'єм рідини, яка виштовхується серцем під час систоли, називається ударним викидом або ударним (систолічним) об'ємом. Цей показник збільшується з віком пропорційно до збільшення розмірів серця. Однорічні діти мають серце, що викидає трохи більше 10 мл крові за одне скорочення, у дітей віком від 5 до 16 років ця величина зростає з 25 до 62 мл. Добуток величин ударного викиду і частоти пульсу показує кількість крові, що проходить через серце за 1 хв, і називається хвилинним об'ємом крові (МОК). У однорічних дітей МОК становить 1,2 л/хв, до шкільного віку збільшується до 2,6 л/хв, а в юнаків та дорослих досягає 4 л/хв і більше.

При різноманітних навантаженнях, коли потреба в кисні та поживних речовинах зростає, МОК може значно збільшуватися, причому у дітей молодшого вікуголовним чином за рахунок збільшення частоти пульсу, а у підлітків і дорослих також за рахунок збільшення ударного викиду, який при навантаженні може підвищуватися в 2 рази. У тренованих людей серце зазвичай має великі розміри, часто - неадекватно збільшений лівий шлуночок (так зване «спортивне серце»), і ударний викид у таких спортсменів може навіть у спокої в 2,5-3 рази перевищувати показники нетренованої людини. Величина МОК у спортсменів також буває в 2,5-3 рази вище, особливо при навантаженнях, що потребують граничної напруги окислювальних систем у м'язах і, відповідно, транспортних систем організму. При цьому у тренованих людей фізичне навантаження викликає менше почастішання серцевих скорочень, ніж у нетренованих. Ця обставина використовується для оцінки рівня тренованості та «фізичної працездатності при пульсі 170 уд/хв».

Об'ємна швидкість кровотоку (тобто кількість крові, що проходить через серце за хвилину) може бути мало пов'язана з лінійною швидкістю просування крові і клітин, що входять до її складу, по судинах. Справа в тому, що лінійна швидкість залежить не тільки від об'єму рідини, що переноситься, але і від просвіту труби, по якій ця рідина тече (рис. 29). Чим далі від серця, тим сумарніший просвіт судин артерій, артеріол і капілярів стає все більше, оскільки при кожному черговому розгалуженні сумарний діаметр судин збільшується. Тому найбільша лінійна швидкість руху крові спостерігається в найбільш товстій кровоносній судині - аорті. Тут кров тече зі швидкістю 0,5 м/с. Доходячи до капілярів, сумарний просвіт яких приблизно в 1000 разів більший за площу перерізу аорти, кров тече вже з мізерною швидкістю - всього 0,5 мм/с. Такий повільний потік крові через розташовані глибоко в тканинах капіляри забезпечує достатній час для повноцінного обміну газами та іншими речовинами між кров'ю та оточуючими тканинами. Швидкість кровотоку, зазвичай, адекватна інтенсивності обмінних процесів. Це забезпечується гомеостатичних механізмів регуляції кровотоку. Так, у разі надмірного постачання тканин кис

Окисно-відновні реакції, що безперервно йдуть у кожній клітині організму, потребують постійного притоку субстратів окислення (вуглеводів, ліпідів і амінокислот) і окислювача - кисню. В організмі є значні запаси поживних речовин - вуглеводні та жирові депо, а також величезний запас білків у скелетних м'язах, тому навіть порівняно тривале (протягом кількох діб) голодування не приносить людині істотної шкоди. А ось запасів кисню в організмі практично немає, якщо не брати до уваги невеликої кількості, що міститься в м'язах у формі оксиміоглобіну, тому без його постачання людина здатна вижити лише 2-3 хв, після чого настає так звана «клінічна смерть». Якщо протягом 10-20 хв постачання клітин мозку киснем не відновиться, у них відбудуться такі біохімічні зміни, які порушать їх функціональні властивості та призведуть до швидкої загибелі всього організму. Інші клітини тіла при цьому можуть і не постраждати настільки, але нервові клітини вкрай чутливі до нестачі кисню. Ось чому однією з центральних фізіологічних систем організму є функціональна система кисневого забезпечення, і стан цієї системи найчастіше використовується для оцінки «здоров'я».

Поняття про кисневий режим організму. Кисень проходить у організмі досить довгий шлях (рис. 18). Потрапляючи всередину у вигляді молекул газу, він вже в легенях бере участь у низці хімічних реакцій, що забезпечують його подальше транспортування до клітин тіла. Там, потрапляючи в мітохондрії, кисень окислює різноманітні органічні сполуки, перетворюючи їх у кінцевому рахунку на воду та вуглекислоту. У такому вигляді кисень і виводиться із організму.

Що змушує кисень з атмосфери проникати у легені, потім – у кров, звідти – у тканини та клітини, де вже він вступає у біохімічні реакції? Очевидно, що існує певна сила, яка визначає саме такий напрямок переміщення молекул цього газу. Ця сила – градієнт концентрацій. Вміст кисню в атмосферному повітрі набагато більший, ніж у повітрі внутрілегочного простору (альвеолярному). Вміст кисню в альвеолах - легеневих бульбашках, у яких відбувається газообмін повітря з кров'ю, - набагато вищий, ніж у венозній крові. Тканини містять кисню набагато менше, ніж артеріальна кров, а мітохондрії містять незначну кількість кисню, оскільки молекули цього газу, що входять в них, негайно вступають у цикл окисних реакцій і перетворюються на хімічні сполуки. Ось цей каскад концентрацій, що поступово знижуються, що відображає градієнти зусилля, в результаті яких кисень з атмосфери проникає в клітини тіла, і прийнято називати кисневим режимом організму (рис.19). Вірніше, кисневий режим характеризується кількісними параметрами описаного каскаду. Верхня сходинка каскаду характеризує вміст кисню в атмосферному повітрі, яке під час вдиху проникає у легені. Друга сходинка – вміст О2 в альвеолярному повітрі. Третя сходинка - вміст Про 2 в артеріальній крові, щойно збагаченої киснем. І нарешті, четверта сходинка - напруга кисню у венозній крові, яка віддала кисень тканинам, що містився в ній. Ці чотири сходинки утворюють три прольоти, які відображають реальні процеси газообміну в організмі. «Проліт» між 1-ю та 2-ю сходинками відповідає легеневому газообміну, між 2-ю та 3-ю сходинками - транспорту кисню кров'ю, а між 3-ю та 4-ю сходинками - тканинному газообміну. Чим більша висота сходинки, тим більший перепад концентрацій, тим вищий градієнт, у якому кисень транспортується цьому етапі. З віком збільшується висота першого прольоту, тобто градієнт легеневого газообміну; другого «прольоту», тобто. градієнт транспорту 02 кров'ю, тоді як висота третього прольоту, що відображає градієнт тканинного газообміну, знижується. Вікове зменшення інтенсивності тканинного окиснення є прямим наслідком зниження з віком інтенсивності енергетичного обміну.

Мал. 19. Транспорт кисню у людини (напрямок показано стрілками)

Мал. 20. Каскад напруг кисню у вдихуваному повітрі (I), в альвеолах (А), артеріях (а) та венах (К) У хлопчика 5 років, підлітка 15 років та дорослого 30 років

ЩО ТАКЕ ВУГЛЕКІСЛИЙ ГАЗ?

Життя на Землі мільярди років розвивалося за високої концентраціївуглекислоти. І вуглекислий газ став необхідним компонентом обміну речовин. Кліткам тварин та людини вуглекислого газу потрібно близько 7 відсотків. А кисню – лише 2 відсотки. Цей факт встановили ембріологи. Запліднена яйцеклітина в перші дні знаходиться майже в безкисневому середовищі - кисень для неї просто згубний. І лише в міру імплантації та формування плацентарного кровообігу поступово починає здійснюватися аеробний спосіб виробництва енергії.

У крові плода міститься мало кисню та багато вуглекислого газу порівняно з кров'ю дорослого організму.

Один із фундаментальних законів біології говорить, що кожен організм у своєму індивідуальний розвитокповторює весь шлях еволюції свого виду, починаючи від одноклітинної істоти та закінчуючи високорозвиненою особиною. І справді, всі ми знаємо, що в утробі матері ми спочатку були найпростішою одноклітинною істотою, потім багатоклітинною губкою, потім зародок був схожий на рибу, потім на тритони, собаку, мавпу і, нарешті, на людину.

Еволюцію зазнає як сам плід, а й його газове середовище. Кров плоду містить кисню вчетверо менше, а вуглекислого газу вдвічі більше, ніж у дорослої людини. Якщо ж кров плода почати насичувати киснем, він моментально гине.

Надлишок кисню згубний для живого, адже кисень - це сильний окислювач, який за певних умов може руйнувати мембрани клітин.

У новонародженої дитини після здійснення перших дихальних рухів також виявлено високий вміст вуглекислого газу під час взяття крові з пупкової артерії. Чи не означає це, що організм матері прагне створити для нормального розвитку плоду середовище, яке було на планеті мільярди років тому?

А візьміть інший факт: горяни майже не страждають на такі недуги, як астма, гіпертонія або стенокардія, які поширені серед городян.

Чи не тому, що на висоті трьох-чотирьох тисяч метрів вміст кисню в повітрі набагато менший? Зі збільшенням висоти щільність повітря зменшується, зменшується відповідно і кількість кисню у обсязі, що вдихається, але як не парадоксально, це позитивно позначається на здоров'ї людини.

Чудовий той факт, що вправи, що викликають гіпоксію на рівнині, виявляються кориснішими для здоров'я, ніж просто перебування в горах навіть для того, хто легко переносить гірський клімат. Пов'язано це з тим, що дихаючи розрідженим гірським повітрям, людина дихає глибше за звичайне, щоб отримати більше кисню. Глибокі вдихи автоматично призводять до більш глибоких видихів, а оскільки ми постійно втрачаємо з видихом вуглекислий газ, поглиблення дихання призводить до занадто великих втрат, що може несприятливо позначитися на здоров'ї.

Зауважимо принагідно, що гірська хвороба пов'язана не тільки з дефіцитом кисню, але і з надмірною втратою вуглекислого газу при глибокому диханні.

Користь таких аеробних циклічних вправ як біг, плавання, веслування, велосипед, лижі тощо багато в чому визначається тим, що в організмі створюється режим помірної гіпоксії, коли потреба організму в кисні перевищує можливість дихального апарату задовольнити цю потребу, і гіперкапнії, коли В організмі вуглекислого газу виробляється більше, ніж організм може виділити легкими.

Теорія життя в короткому викладітака:

вуглекислий газ - основа живлення всього живого Землі; якщо він зникне з повітря, все живе загине.
вуглекислий газ є головним регулятором всіх функцій в організмі, основним середовищем організму, вітаміном усіх вітамінів. Він регулює активність усіх вітамінів та ферментів. Якщо його не вистачає, то всі вітаміни та ферменти працюють погано, неповноцінно, ненормально. В результаті порушується обмін речовин, а це веде до алергії, раку, відкладення солей.

У процесі газообміну першорядне значення мають кисень та вуглекислий газ.

Кисень надходить до організму разом із повітрям, через бронхи, потім потрапляє у легені, звідти – у кров, та якщо з крові – у тканини. Кисень видається свого роду цінним елементом, він як джерело будь-якого життя, і дехто навіть порівнює його з відомим з йоги поняттям «Прана». Немає більш неправильної думки. Насправді, кисень - це регенеруючий елемент, який служить для очищення клітини від усіх її відходів і певним чином для її спалювання. Покидьки клітини повинні постійно очищатися, інакше виникає підвищена інтоксикація чи смерть. Найбільш чутливі до інтоксикації клітини мозку, вони гинуть без кисню (у разі апное) через чотири хвилини.
Вуглекислий газ проходить цей ланцюжок у зворотному напрямку: утворюється в тканинах, потім надходить у кров і звідти через дихальні шляхи виводиться з організму.

У здорової людини ці два процеси перебувають у стані постійної рівноваги, коли співвідношення вуглекислого газу та кисню становить пропорцію 3:1.

Вуглекислий газ, всупереч поширеній думці, необхідний організму не менше, ніж кисень. Тиск вуглекислого газу впливає на кору головного мозку, дихальний та судинно-руховий центри, вуглекислий газ також забезпечує тонус та певний ступінь готовності до діяльності різних відділів центральної нервової системи, відповідає за тонус судин, бронхів, обмін речовин, секрецію гормонів, електролітний склад крові та тканин. Отже, опосередковано впливає активність ферментів і швидкість багатьох біохімічних реакцій організму. Кисень служить енергетичним матеріалом, і його регулюючі функції обмежені.

Вуглекислота – джерело життя та регенератор функції організму, а кисень – енергетик.
У давнину атмосфера нашої планети була сильно насичена вуглекислим газом (понад 90%), він був, і є зараз, природним будівельним матеріаломживих клітин. Як приклад, реакція біосинтезу рослин – поглинання вуглекислого газу, утилізація вуглецю та виділення кисню, і саме в ті часи на планеті існувала дуже пишна рослинність.

Вуглекислота також бере участь у біосинтезі тваринного білка, у цьому деякі вчені бачать можливу причинуіснування багато мільйонів років тому гігантських тварин і рослин.

Наявність пишної рослинності поступово призвела до зміни складу повітря, зменшився вміст вуглекислого газу, але внутрішні умовироботи клітин, як і раніше, визначалися високим вмістом вуглекислоти. Перші тварини, що з'явилися на Землі і харчувалися рослинами, знаходилися в атмосфері з високим вмістом вуглекислого газу. Тому їхні клітини, а згодом і створені на базі стародавньої генетичної пам'ятіклітини сучасних тварин і людини потребують вуглекислого середовища всередині себе (6-8% вуглекислоти і 1-2% кисню) і в крові (7-7,5% вуглекислого газу).

Рослини утилізували майже весь вуглекислий газ з повітря і основна його частина, у вигляді вуглецевих сполук, разом із загибеллю рослин потрапила в землю, перетворившись на корисні копалини (вугілля, нафту, торф). В даний час в атмосфері міститься близько 0,03% вуглекислого газу та приблизно 21% кисню.

Відомо, що у повітрі знаходиться приблизно 21% кисню. При цьому його зменшення до 15% або збільшення до 80% не вплине на наш організм. Відомо, що в повітрі, що видихається з легких, міститься ще від 14 до 15% кисню, доказом чого служить метод штучного дихання"рот у рот", який інакше був би неефективний. З 21% кисню лише 6% адсорбуються тканинами тіла. На відміну від кисню на зміну концентрації вуглекислого газу в той чи інший бік лише на 0,1% наш організм відразу ж реагує і намагається повернути його до норми. Звідси можна дійти невтішного висновку у тому, що вуглекислий газ приблизно 60-80 разів важливіше кисню нашого організму.

Тому ми можемо сказати, що ефективність зовнішнього дихання може бути визначена за рівнем вуглекислого газу альвеолах.

Але для нормальної життєдіяльностіу крові має бути 7-7,5% вуглекислого газу, а в альвеолярному повітрі – 6,5%.

Ззовні його одержати не можна, тому що в атмосфері майже не міститься вуглекислого газу. Тварини та людина отримують його при повному розщепленні їжі, тому що білки, жири, вуглеводи, побудовані на вуглецевій основі, при спалюванні за допомогою кисню у тканинах утворюють безцінний вуглекислий газ – основа життя. Зниження вуглекислоти в організмі нижче 4% – це загибель.

Завдання 2 - викликати дихальний рефлекс. Коли його тиск підвищується, мережа тонких нервових закінчень (рецептори) негайно посилає повідомлення до цибулини спинного та головного мозку, дихальних центрів, звідки і слід команда розпочати дихальний акт. Отже, вуглекислий газ можна вважати сторожовим псом, що сигналізує про небезпеку. При гіпервентиляції пес тимчасово виставляється за двері.

Вуглекислота регулює обмін речовин, оскільки служить сировиною, а кисень йде спалювання органічних речовинтобто він тільки енергетик.

Роль вуглекислоти в життєдіяльності організму дуже різноманітна. Наведемо лише деякі її основні властивості:

вона являє собою прекрасний судинорозширювальний засіб;
є заспокійливим (транквілізатором) нервової системи, а значить прекрасним анестезуючим засобом;
бере участь у синтезі амінокислот в організмі;
грає велику роль збудженні дихального центру.

Найчастіше, оскільки вуглекислий газ життєво необхідний, за його надмірної втрати у тому чи іншою мірою включаються захисні механізми, які намагаються зупинити його видалення з організму. До них відносяться:

Спазм судин, бронхів та спазм гладкої мускулатури всіх органів;
- звуження кровоносних судин;
- Збільшення секреції слизу в бронхах, носових ходах, розвиток аденоїдів, поліпів;
- Ущільнення мембран внаслідок відкладення холестерину, що сприяє розвитку склерозу тканин.

Всі ці моменти разом із утрудненням надходження кисню до клітин при зниженні вмісту вуглекислого газу в крові (ефект Вериго-Бора) ведуть до кисневому голодуванню, уповільнення венозного кровотоку (з наступним стійким розширенням вен)
Понад сто років тому російський вчений Веріго, а потім і датський фізіолог Християн Бор відкрили ефект, названий їхнім ім'ям.
Він у тому, що з дефіциті вуглекислого газу крові порушуються все біохімічні процеси організму. А значить, чим глибше та інтенсивніше дихає людина, тим більше кисневе голодування організму!
Чим більше в організмі (в крові) С02 тим більше 02 (по артеріолах і капілярах) доходить до клітин і засвоюється ними.
Надлишок кисню та нестача вуглекислого газу ведуть до кисневого голодування.
Було виявлено, що без присутності вуглекислоти кисень не може звільнитися зі зв'язаного стану з гемоглобіном (ефект Веріго-Бора), що призводить до кисневого голодування організму навіть за високої концентрації цього газу в крові.

Чим помітніший вміст вуглекислого газу в артеріальній крові, тим легше здійснюється відрив кисню від гемоглобіну і перехід його в тканини та органи, і навпаки - нестача вуглекислого газу в крові сприяє закріпленню кисню в еритроцитах. Кров циркулює організмом, а кисень не віддає! Виникає парадоксальний стан: кисню в крові достатньо, а органи сигналізують про його крайній недолік. Людина починає задихатися, прагне вдихнути та видихнути, намагається дихати частіше та ще більше вимиває з крові вуглекислий газ, закріплюючи кисень в еритроцитах.

Загальновідомо, що під час інтенсивних занять спортом у крові спортсмена зростає вміст вуглекислого газу. Виявляється саме цим спорт і корисний. І не лише спорт, а будь-які зарядки, гімнастика, фізична робота, одним словом – рух.

Підвищення рівня СО 2 сприяє розширенню дрібних артерій(тонус яких визначає кількість функціонуючих капілярів) та збільшення мозкового кровотоку. Регулярна гіперкапнія активує вироблення факторів зростання судин, що призводить до формування більш розгалуженої капілярної мережі та оптимізації тканинного кровообігу мозку.

Можна також підкислювати кров у капілярах молочною кислотою і тоді виникає ефект другого дихання при тривалих фізичних навантаженнях. Для прискорення появи другого дихання спортсменам рекомендують затримувати дихання на скільки можна. Спортсмен біжить довгу дистанцію, сил немає, все як у нормальної людини. Нормальна людиназупиняється і каже: ”Все, більше не можу”. Спортсмен затримує дихання і в нього відкривається друге дихання, і він біжить далі.

Дихання певною мірою контролюється свідомістю. Ми можемо змусити себе дихати частіше або рідше, а то й затримати дихання. Однак як би довго ми не намагалися стримувати вдих, настає момент, коли це стає неможливим. Сигналом для чергового вдиху служить не недолік кисню, що могло б здатися логічним, а надлишок вуглекислого газу. Саме вуглекислий газ, що накопичився в крові, є фізіологічним стимулятором дихання. Після відкриття ролі вуглекислого газу його почали додавати в газові суміші аквалангістів, щоб стимулювати роботу дихального центру. Цей принцип використовують при наркозі.

Все мистецтво дихання полягає в тому, щоб майже не видихати вуглекислий газ, втрачати його якнайменше. Дихання йогів якраз відповідає цій вимогі.

А дихання нормальних людей - це хронічна гіпервентиляція легенів, надмірне виведення вуглекислого газу з організму, що зумовлює появу близько 150 важких захворювань, що називаються часто захворюваннями цивілізації.

РОЛЬ ВУГЛЕКІСЛОГО ГАЗУ У РОЗВИТКУ АРТЕРІАЛЬНОЇ ГІПЕРТОНІЇ

Тим часом, твердження про те, що причиною гіпертонії є саме недостатня концентрація вуглекислого газу в крові, перевіряється дуже просто. Потрібно лише з'ясувати, скільки вуглекислого газу знаходиться в артеріальній крові гіпертоніків і у здорових людей. Саме це і було зроблено на початку 90-х російськими вченими-фізіологами.

Проведені дослідження газового складу крові великих груп населення різного віку, про результати яких можна прочитати у книзі " Фізіологічна рольвуглекислоти і працездатність людини" (Н. А. Агаджанян, Н. П. Красніков, І. Н. Полунін, 1995) дозволили зробити однозначний висновок про причину постійного спазму мікросудин - гіпертонії артеріол. У переважної більшості обстежених людей похилого віку в стані спокою в артеріальній крові міститься 36-45% вуглекислого газу (при нормі 6-65%).

Таким чином були отримані фактичні докази того, що причина багатьох хронічних недуг, характерних для людей похилого віку, - втрата їх організмом здатності постійно підтримувати в артеріальній крові вміст вуглекислого газу близький до норми. А те, що у молодих та здорових людей вуглекислого газу в крові 6 – 6,5 % – давно відома фізіологічна аксіома.

Від чого залежить концентрація вуглекислого газу артеріальної крові?

Вуглекислий газ С02 постійно утворюється в клітинах організму. Процес його видалення з організму через легкі суворо регулюється дихальним центром - відділом мозку, управляючим зовнішнім диханням. У здорових людей у кожний момент часу рівень вентиляції легень (частота і глибина дихання) такий, що С0 2 видаляється з організму рівно в такій кількості, щоб його залишалося в артеріальній крові не менше 6%. По-справжньому здоровий (у фізіологічному сенсі) організм не допускає зниження вмісту вуглекислого газу менше за цю цифру і підвищення понад 6,5%.

Цікаво помітити, що значення величезної кількості самих різних показників, що визначаються при дослідженнях, що проводяться в поліклініках і діагностичних центрах, У молодих і літніх людей відрізняються на частки, максимум на одиниці %. І лише показники вмісту вуглекислого газу в крові відрізняються приблизно у півтора рази. Іншої настільки яскравої та конкретної відмінності між здоровими та хворими не існує.

ВУГЛЕКИСЛИЙ ГАЗ Є ПОТУЖНИМ ВАЗОДИЛАТАТОРОМ (РОЗШИРЮЄ СУДИНКИ)

Вуглекислий газ, це вазодилататор, що діє безпосередньо на судинну стінку, у зв'язку з чим при затримці дихання спостерігаються теплий шкірний покрив. Затримка дихання є важливою складовою заняття Бодіфлексу. Все відбувається таким чином: Ви виконуєте спеціальні дихальні вправи(вдих, видих, потім втягуєте живіт і затримуєте дихання, приймаєте позицію, що розтягує, вважаєте до 10, потім вдихає і розслабляєтеся).

Заняття бодіфлексом сприяють збагаченню організму киснем. Якщо затримати дихання на 8-10 секунд, у крові накопичується вуглекислий газ. Це сприяє розширенню артерій і готує клітини набагато ефективнішому засвоєнню кисню. Додатковий кисень допомагає впоратися з багатьма проблемами, наприклад, зайвою вагою, недоліком енергії та поганим самопочуттям.

В даний час на вуглекислий газ вчені-медики дивляться як на потужний фізіологічний факторрегуляції численних систем організму: дихальної, транспортної, судиннорухової, видільної, кровотворної, імунної, гормональної та ін.

Доведено, що локальна дія вуглекислого газу на обмежену ділянку тканин супроводжується збільшенням об'ємного кровотоку, підвищенням швидкості екстракції кисню тканинами, посиленням їх метаболізму, відновленням рецепторної чутливості, посиленням репаративних процесів та активацією фібробластів. До загальних реакцій організму на локальну дію вуглекислого газу можна віднести розвиток помірного газового алкалозу, посилення еритро- та лімфопоезу.

Підшкірними ін'єкціями CO 2 досягається гіперемія, яка має резорбтивну, бактерицидну та протизапальну, знеболювальну та спазмолітичну дію. Вуглекислота на тривалий період покращує кровообіг, кровообіг мозку, серця та судин. Карбокситерапія допомагає з появою ознак старіння шкіри, сприяє корекції фігури, усуває багато косметичних дефектів і навіть дозволяє боротися з целюлітом.

Посилення кровообігу в зоні росту волосся дозволяє розбудити «сплячі» волосяні фолікули, і цей ефект дозволяє використовувати карбокситерапію при облисіння. А що відбувається у підшкірній клітковині? У жирових клітинах під дією діоксиду вуглецю стимулюються процеси ліполізу, внаслідок чого зменшується обсяг жирової тканини. Курс процедур допомагає позбутися целюліту або щонайменше знижує ступінь виразності цього неприємного явища.

Пігментні плями, вікові зміни, рубцеві зміни та розтяжки - ось ще деякі свідчення для даного методу. В області обличчя карбокситерапія використовується для корекції форми нижньої повіки, а також для боротьби з другим підборіддям. Призначається методика при куперозі, при вугровій хворобі.

Отже, стає зрозумілим, що вуглекислий газ у нашому організмі виконує численні та дуже важливі функції, а кисень у своїй виявляється лише окислювачем поживних речовин, у процесі розвитку енергії. Але мало того, коли спалювання кисню відбувається не до кінця, то утворюються дуже токсичні продукти - вільні активні форми кисню, вільні радикали. Саме вони є основним пусковим механізмом у запуску старіння та переродження клітин організму, спотворюючи дуже тонкі та складні внутрішньоклітинні конструкції некерованими реакціями.

Зі сказаного випливає незвичайний висновок:

Мистецтво дихання полягає в тому, щоб майже не видихати вуглекислий газ і втрачати його якнайменше.

Що стосується суті всіх дихальних методик, то вони в принципі роблять те саме - підвищують вміст у крові вуглекислого газу за рахунок затримки дихання. Різниця тільки в тому, що в різних методиках це досягається по-різному - або за рахунок затримки дихання після вдиху, або після видиху, або за рахунок подовженого видиху, або за рахунок подовженого вдиху або їх комбінацій.

Якщо додати до чистого кисню вуглекислий газ і дати подихати тяжкохворій людині, то його стан покращиться більшою мірою, ніж якби він дихав чистим киснем. Виявилося, що вуглекислий газ до певної межі сприяє більш повному засвоєнню кисню організмом. Ця межа дорівнює 8% СО2. З підвищенням вмісту СО2 до 8% відбувається підвищення засвоєння О2, а потім із ще більшим підвищенням вмісту СО2засвоєння О2 починає падати. Значить, організм не виводить, а «втрачає» вуглекислий газ з повітрям, що видихається, і деяке обмеження цих втрат має надати на організм сприятливий вплив.

Якщо ще більше зменшити дихання, як це радять йоги, то в людини розвинеться надвитривалість, високий потенціал здоров'я, виникнуть передумови для довголіття.

При виконанні таких вправ ми створюємо в організмі гіпоксію – нестачу кисню, та гіперкапнію – надлишок вуглекислого газу. Слід зазначити, що навіть за тривалих затримках дихання вміст СО 2 в альвеолярному повітрі вбирається у 7%, отже бояться шкідливого впливунадмірних доз СО 2 нам не доводиться.

Дослідження показують, що вплив дозованими гіпоксично-гіперкапнічними тренуваннями протягом 18 днів по 20 хвилин щодня супроводжується статистично значущими поліпшенням самопочуття на 10%, покращенням здатності до логічного мислення на 25% та збільшенням обсягу оперативної пам'яті на 20%.

Потрібно намагатися постійно дихати неглибоко (щоб дихання не було ні помітно, ні чути) і рідко, прагнучи максимально розтягнути автоматичні пуази після кожного видиху.

Йоги кажуть, що кожній людині від народження відпущено кілька подихів і потрібно берегти цей запас. У такій оригінальній формі вони закликають зменшити частоту дихання.

Нагадаємо, що пранаямою Патанджалі називав «зупинку руху повітря, що вдихається і видихається», тобто по суті – гіповентиляцію. Слід також згадати, що згідно з цим джерелом, пранаяма «робить розум придатним до концентрації».

Дійсно, кожен орган, кожна клітина має свій життєвий запас – генетично закладену програму роботи з певною межею. Оптимальне виконання цієї програми принесе людині здоров'я та довголіття (наскільки дозволить генетичний код). Нехтування нею, порушення законів природи ведуть до хвороб та передчасної смерті.

Навіщо в лимонади та мінеральні водидодають вуглекислий газ?
СО ( чадний газ) токсичний - не плутати із СО 2 (вуглекислий газ)
Кумбхака, або гіповентиляційна техніка в йозі
Чим ми дихаємо - значення кисню, азоту та вуглекислого газу
Карбокситерапія - газові уколи краси
Які наслідки зростання вуглекислоти в атмосфері для живих органів
Роль вуглекислоти для підтримки здоров'я
Роль вуглекислого газу життя

Дихання для вироблення енергії

Для створення нових молекул, а зрештою для побудови нових клітин потрібна енергія. Не менше її витрачається і на роботу окремих органів та тканин. Всі енергетичні витрати організму покриваються за рахунок окислення білків, жирів та вуглеводів, простіше кажучи – згоряння цих речовин.

Для окиснення необхідний кисень. Доставкою його та зайняті органи дихання. Людина цю функцію виконують легкі. Однак не слід називати диханням ритмічні рухи грудної клітки, внаслідок яких повітря то засмоктується у легені, то видавлюється назовні. Це ще не саме дихання, а лише транспортування необхідного для нього кисню.

Сутністю дихання є окислювальні процеси, які лише віддалено нагадують горіння і жодною мірою не можуть бути з ним ототожнені. При звичайному горінні кисень безпосередньо приєднується до речовини, що окислюється. При біологічному окисленні білків, жирів чи вуглеводів вони віднімають водень, який, своєю чергою, відновлює кисень, утворюючи воду. Запам'ятайте цю схему тканинного дихання, нам ще доведеться повернутися до неї.

Окислення – найважливіший спосіб отримання. Ось чому астрономи, вивчаючи планети сонячної системи, насамперед намагаються дізнатися, чи є на них кисень та вода. Там, де вони є, очікується існування життя. Недарма радісна звістка про першу в світі м'яку посадку радянської міжпланетної станції Венера-4 на планету Венера була затьмарена повідомленням, що в її атмосфері практично немає вільного кисню, дуже мало води і температура досягає 300 градусів.

Однак сумувати не варто. Навіть якщо на Венері і немає жодних слідів життя, для цієї планети ще не все втрачено. Можна поселити у верхніх шарах її атмосфери, де не так жарко, примітивні одноклітинні рослини, які б споживали вуглекислий газ і продукували кисень. Дуже висока щільність венеріанської атмосфери дозволить крихітним одноклітинним істот плавати в ній, не падаючи на поверхню планети. За допомогою таких організмів зрештою вдалося б докорінно змінити газовий склад атмосфери Венери.

Це завдання для зелених рослин цілком під силу. Адже і наша земна атмосфера у тому вигляді, якою ми її знаємо, створена живими організмами. Наразі рослини Землі щорічно споживають 650 мільярдів тонн вуглекислого газу, при цьому вони продукують 350 мільярдів тонн кисню. Колись і в земній атмосфері кисню було значно менше, ніж тепер, а вуглекислого газу значно більше. Потрібно тільки запастись терпінням. Кілька сотень мільйонів років буде, мабуть, цілком достатньо, щоб докорінно перетворити атмосферу Венери. Є підстави припускати, що на той час і температура на цій планеті значно знизиться (адже на Землі було колись гаряче). Тоді земляни зможуть почуватися там зовсім як удома!

Постачання киснем

Щоб жити, необхідно десь дістати кисень, а потім забезпечити їм кожну клітинку організму. Більшість тварин нашої планети черпають кисень з атмосфери або витягають кисень, розчинений у воді. Для цього використовуються легені або зябра, а потім кров доставляє його в усі куточки організму.

Може на перший погляд здатися, що вилучення кисню з води чи повітря – найскладніша частина завдання. Анітрохи не бувало. Тварин не довелося вигадувати ніяких спеціальних пристроїв. Кисень проникає в кров, що протікає по легких або зябрах, лише завдяки дифузії, тобто тому, що в крові його менше, ніж у навколишньому середовищі, а газоподібні і рідкі речовини намагаються розподілитися так, щоб їх вміст усюди був однаковим.

Природа не відразу здогадалася до легень і зябер. Перші багатоклітинні живі організми їх мали, вони дихали всією поверхнею тіла. Усі наступні найрозвиненіші тварини, зокрема і людина, хоч і придбали спеціальні органи дихання, але здатність дихати шкірою не втратили. Лише звірі, одягнені в броню: черепахи, броненосці, краби та подібні до них – не користуються цим привілеєм.

У людини в диханні бере участь вся поверхня тіла, від товстого епідермісу п'ят до покритої волоссям шкіри голови. Особливо посилено дихає шкіра на грудях, спині та животі. Цікаво, що з інтенсивності дихання ці ділянки шкіри значно перевершують легкі. Так, наприклад, з однаковою за розміром дихальної поверхні кисню тут може поглинатися на 28, а виділятися вуглекислого газу навіть на 54 відсотки більше, ніж у легенях.

Чим зумовлена така перевага шкіри над легенями, невідомо. Можливо тим, що шкіра дихає чистим повітрям, а свої легені ми провітрюємо погано. Навіть при найглибшому видиху в легенях залишається відомий запас повітря далеко не кращого складу, в якому значно менше кисню, ніж у зовнішній атмосфері, і дуже багато вуглекислого газу. Коли ми робимо черговий вдих, повітря, що надходить, поєднується з вже перебуває в легенях, і це сильно знижує якість останнього. Не дивно, якщо в цьому криється перевага шкірного дихання.

Однак частка участі шкіри в загальному дихальному балансі людини в порівнянні з легенями незначна. Адже загальна її поверхня у людини ледь сягає 2 квадратних метрів, тоді як поверхня легень, якщо розгорнути всі 700 мільйонів альвеол, мікроскопічних бульбашок, через стінки яких і відбувається газообмін між повітрям і кров'ю, становить щонайменше 90-100, тобто в 45-50 разів більше.

Дихання через зовнішні покриви тіла може забезпечити киснем дуже невеликих тварин. Тому ще на зорі виникнення тваринного царства природа приміряла, що б для цього використати. Насамперед вибір припав на органи травлення.

Кишковопорожнинні тварини складаються всього з двох шарів клітин. Зовнішній витягує кисень з навколишнього середовища, внутрішній з води, що вільно надходить у кишкову порожнину. Вже плоскі черв'яки, володарі складніших травних органів, користуватись ними для дихання не могли. І змушені були залишатися плоскими, тому що у великому обсязі дифузія не здатна забезпечити киснем тканини, що глибоко лежать.

Багато хто з кільчастих черв'яків, що з'явилися на Землі слідом за плоскими, теж обходяться шкірним диханням, але це виявилося можливим тільки тому, що у них вже з'явилися органи кровообігу, які розносять кисень по всьому тілу. Втім, деякі кольчецы обзавелися першим спеціальним органом для вилучення кисню з навколишньої води- зябрами.

У всіх наступних тварин аналогічні органи будувалися переважно за двома схемами. Якщо кисень потрібно було отримувати з води, то це були спеціальні вирости або випинання, що вільно омиваються водою. Якщо кисень витягувався з повітря, це були втиски, від простого мішка, яким є дихальний орган виноградного равликаабо легкі тритонів і саламандр, до складно влаштованих, схожих на виноградні грона блоків мікроскопічних бульбашок, якими стали легені ссавців.

Умови дихання у воді та на суші сильно відрізняються один від одного. За найсприятливіших умов у літрі води міститься лише 10 кубічних сантиметрів кисню, тоді як у літрі повітря його 210, тобто у 20 разів більше. Тому може викликати здивування, що дихальні органиводних тварин не можуть витягувати з такого багатого середовища, яким є повітря, достатньої кількості кисню. Пристрій зябер такий, що вони могли б успішно справлятися зі своїм завданням і на повітрі, якби їх тоненькі платівки, позбавлені опори, яку дає вода, не злипаються між собою і, позбавлені захисту, не підсихали. А це викликає припинення циркуляції крові і тим самим припинення дихальної функції.

Цікавим є походження дихальних органів. Природа для їх створення використовувала те, що було випробувано ще дуже низькоорганізованих істот: шкірні покриви і органи травлення. Зябра морських черв'яків лише сильно ускладнені вирости зовнішніх покривів. У всіх хребетних тварин зябра та легені за своїм походженням є похідними передньої кишки.

Дуже своєрідна дихальна система комах. Вони вирішили, що не варто ускладнювати питання. Найпростіше дати можливість повітрю безпосередньо добиратися до кожного з органів, де б вони не розташовувалися. Здійснюється це дуже просто. Все тіло комах пронизане системою складнорозгалужених трубочок. Навіть мозок і той зрешечений повітроносними трахеями, тож у них у буквальному значенні слова в голові гуляє вітер.

Трахеї, гілкуючись, все зменшуються в діаметрі, поки не стануть зовсім тоненькими, завдяки чому вони можуть підійти буквально до кожної клітини тіла, і тут нерідко розпадаються на пучок зовсім дрібних трахеол, діаметром менше одного мікрона, які входять прямо в протоплазму клітин, так що кисень у комах доставляється до місця призначення. Особливо багато трахеол у клітинах, які посилено споживають кисень: у великих клітинах літальних м'язів вони утворюють цілі сплетення.

Повітряні шляхи комах можуть самі розшукувати місця, де кисню стає мало. Так поводяться трахеоли епідермісу, крихітні, діаметром менше одного мікрона і довжиною не більше третини міліметра, трубочки, що сліпо закінчуються. Коли поблизу них з'являються ділянки тканин, що інтенсивно споживають кисень, оточуючі трахеоли починають тягтися, збільшуючись у довжину нерідко цілий міліметр.

На перший погляд здається, що комахи вдало вирішили проблему постачання кисню, тільки практика цього не підтверджує. Сильний протяг у їхньому тілі здатний швидко висушити комаху. Щоб цього не сталося, отвори трахей відкриваються лише на дуже короткий строка у багатьох водних комах вони взагалі запечатані. В цьому випадку кисень шляхом дифузії через покриви тіла або зябра просочується в повітроносні шляхи і поширюється далі по них теж дифузією.

Великі сухопутні комахи активно дихають. 70-80 разів на хвилину м'язи черевця скорочуються, воно сплощується, і повітря видавлюється назовні. Потім м'язи розслабляються, черевце набуває попередньої форми, а повітря засмоктується всередину. Цікаво, що для вдиху та видиху найчастіше використовуються різні дихальні отвори, вдих здійснюється через грудні, видих через черевні.

Нерідко головні дихальні органи неспроможна виконати своє завдання. Це спостерігається у тварин, які переселилися в вкрай бідне киснем або зовсім невластиве для них середовище. І тут чогось не приваблює природа на допомогу основним дихальним органам.

Насамперед широко використовуються та модернізуються вже випробувані засоби. На півдні нашої Батьківщини широко відома невелика рибка – в'юн. Зустрічається вона нерідко в струмках, що пересихають на літо, в старих, повністю втратили зв'язок з річкою. У таких водоймах дно зазвичай мулисте, маса рослин, що гниють, і тому в спекотний літній час у воді дуже мало кисню. Щоб не задихнутися, в'юнам доводиться харчуватися повітрям. Простіше кажучи, вони його їдять, заковтують і, як їжу, пропускають через кишечник. Травлення йде у передній частині кишечника, дихання у задній.

Щоб травлення менше заважало диханню, в середній частині кишечника знаходяться особливі секреторні клітини, які обволікають слизом харчові залишки, що приходять сюди, завдяки чому вони дуже швидко проскакують через дихальну частину кишки. Так само дихають дві інші наші прісноводні риби, голець і шипування. Навряд чи виконання одним органом подвійної функції (дихання та травлення) зручно. Мабуть, тому у великого загону прісноводних риб з тропічної Азії з'явився додатковий дихальний апарат - лабіринт - система каналів і порожнин, що дуже складно переплітаються, розташованих у розширеній частині першої зябрової дуги.

Вчені не одразу зрозуміли значення лабіринту. Знаменитий Кюв'є, який, препаруючи анабасів, вперше виявив і охрестив цей загадковий орган, припустив, що у лабіринті риби тримають воду, коли вилазять із водойми. Анабас любить подорожувати, легко переповзаючи з одного водоймища до іншого.

Не допомогли роз'яснити функцію та спостереження за рибами у природі. Англійський зоолог Коммерсон, який першим з європейців зустрівся з досить великою рибою – гурамі, яку місцеве населення здавна розводило у ставках, назвав її Osphromenus olfacs, що в перепаді з латині означає Нюхатель, що нюхає. Спостерігаючи за рибами, англієць бачив, що вони безперервно піднімалися до поверхні і, висунувши назовні рило, втягували повітря. У ті часи нікому й на думку не могло спасти, що риби дихають повітрям! Ось Комерсон і вирішив, що гурамі виринають нагору, щоб з'ясувати, чим пахне на білому світі.

Ще пізніше, коли вони потрапили до акваріумістів Європи, стало зрозуміло, що лабіринтові риби дихають повітрям. Зябра у них недорозвинені, і лабіринт відіграє важливу роль у забезпеченні киснем. Обходитися без повітря вони не можуть. Якщо їх посадити в акваріум з найчистішою, багатою на кисень водою, але позбавити можливості спливати до поверхні і набирати повітря, лабіринтові рибки просто «захлинуться» і «втопляться».

Нелегко дихається і жабам, легені у них далеко не першого ґатунку, от і доводиться їм часом хитрувати. У 1900 році в Габоні (Африка) була спіймана волохата жаба. Ця звістка сколихнула весь науковий світ. У вчених колах вважалося точно встановленим, що волосяний покрив - прерогатива ссавців. Жаби ж, як відомо, «ходять» голі. Було незрозуміло, чому у габонських модниць боки та лапи вкриті шерстю. Важко було припустити, що їм холодно. Адже якщо навіть наші північні жаби, які живуть чи не біля Полярного кола, не мерзнуть, то чому стало холодно їхнім африканським сестрам?

Секрет жаб'ячих манто існував недовго. Варто було подивитися на дивну шерсть у мікроскоп, як зрозуміли, що це прості вирости шкіри. Така «шерсть» гріти, звичайно, не може, та в Габоні й не буває холодів. Наступні дослідження показали, що волосся виконує у жаб функцію своєрідних зябер, за допомогою яких вони дихають і у воді і на суші. Вовна росте лише у самців. У період розмноження на їхні плечі лягає чимале фізичне навантаження, і, якби не мали «волосся», задишка і нестача кисню завадили б її виконати.

Ще цікавіше дихання мулистого стрибуна. Живе ця риба в тропічній Індії і не так у воді, як у бруді. Рибки скоріше сухопутні істоти. Вони можуть робити по суші великі подорожі і навіть добре лазять по деревах. На березі ці риби дихають хвостом, шкіра якого має розгалужену кровоносну мережу.

У процесі вивчення дихання мулистих стрибунів сталася кумедна помилка. Простіше кажучи, стрибуни виявилися злісними обманщиками. Вчені помітили, що хоча більшу частину дня рибки проводять на суші, де в основному і добувають собі їжу, вправно хапаючи комах, що пролітають повз, але повністю розлучатися з водою не люблять. Найчастіше вони сидять на краях калюжі, опустивши у воду хвости. Стрибнувши за метеликом, що пролітав повз, рибка задкує назад, поки не опустить хвіст у воду.

Спостерігаючи такі сценки, вчені вирішили, що за допомогою хвоста стрибун витягає з води кисень. Однак, коли здогадалися виміряти кількість кисню, що міститься у воді, побачили: його там так мало, що немає сенсу і хвіст мочити. Як тепер з'ясувалося, за допомогою хвоста стрибун смокче воду, яка йому дуже потрібна, щоб зволожувати решту тіла, виділяти достатню кількість слизу. Саме тоді через хвіст він кисню майже отримує. Зате, коли, запасшись достатньою кількістю води, вона залишає водойму, хвіст стає головним дихальним апаратом.

Умбра, або, як її у нас називають, риба-євдошка, дихає плавальною бульбашкою. Живе вона в Молдові у пониззі Дністра та Дунаю. Плавальний міхур у євдошки пов'язаний з глоткою широкою протокою. Висунувшись із води, риба наповнює повітрям міхур. Він густо обплетений кровоносними судинами, і кисень легко проникає тут у кров. Відпрацьоване повітря, насичене вуглекислим газом, умбра іноді випльовує. Дихання через плавальний міхур для умбри не забава. Якщо її позбавити можливості ковтати повітря, вона проживе не більше доби.

Не тільки для умбри, але і для багатьох риб повітря необхідне, правда, з іншої причини. Мальки більшості риб, вилупившись із ікринки, обов'язково повинні зробити хоч один вдих. Ось чому риби найчастіше кидають ікру в неглибоких місцях. Інакше у слабеньких малюків не вистачить сил, щоб спливти на поверхню. Повітря малькам потрібне для того, щоб наповнити їм плавальний міхур. Через кілька днів протока, що з'єднує міхур із стравоходом, заросте, і рибки, позбавлені можливості довільно зменшувати свою питому вагу, загинуть від перевтоми.

У відкритоміхурових риб протока плавального міхура не заростає. Ці риби до глибокої старості зберігають здатність ковтати нові порції повітря, коли збираються плавати біля поверхні, і видавлювати надлишок, якщо їм хочеться спуститися на глибину. Але, мабуть, підніматися до поверхні не завжди безпечно, і тому риби частіше користуються іншим способом, щоб підтримувати кількість газів у міхурі на потрібному рівні. Цей спосіб – активна секреція газів за допомогою газової залози.

Ще на зорі вивчення дихання виникло припущення, що кисень, що надійшов у легені, захоплюється стінкою альвеол, яка потім секретує його в кров. Теорія ця згодом не виправдалася. Справа не в тому, що подібні явища неможливі, просто в легенях вони виявилися непотрібними. Для плавального міхура закритоміхурових риб цей спосіб виявився єдиним можливим. Основним робочим органом залози є чудова мережа, що складається з трьох послідовно з'єднаних капілярних сплетень. Підрахували, що обсяг крові, який може поміститися в чудовій мережі, невеликий, близько однієї краплі, натомість площа мережі величезна, адже вона складається з 88 тисяч венозних та 116 тисяч артеріальних капілярів, загальна довжина яких дорівнює майже кілометру. Крім того, залізо має безліч канальців. Вважається, що секрет, який вона виділяє у просвіт міхура, розпадається там, виділяючи кисень та азот.

Завдяки тому, що газ у плавальному міхурі створюється залізою, а не береться з атмосфери, його склад дуже відрізняється від зовнішнього повітря. Найчастіше там переважає кисень, іноді його буває до 90 відсотків.

Окисно-відновні реакції, що безперервно йдуть у кожній клітині організму, потребують постійного притоку субстратів окислення (вуглеводів, ліпідів і амінокислот) і окислювача - кисню. В організмі є значні запаси поживних речовин - вуглеводні та жирові депо, а також величезний запас білків у скелетних м'язах, тому навіть порівняно тривале (протягом кількох діб) голодування не приносить людині істотної шкоди. А ось запасів кисню в організмі практично немає, якщо не брати до уваги невеликої кількості, що міститься в м'язах у формі оксиміоглобіну, тому без його постачання людина здатна вижити лише 2-3 хв, після чого настає так звана «клінічна смерть». Якщо протягом 10-20 хв постачання клітин мозку киснем не відновиться, у них відбудуться такі біохімічні зміни, які порушать їх функціональні властивості та призведуть до швидкої загибелі всього організму. Інші клітини тіла при цьому можуть і не постраждати настільки, але нервові клітини вкрай чутливі до нестачі кисню. Ось чому однією з центральних фізіологічних систем організму є функціональна система кисневого забезпечення, і стан цієї системи найчастіше використовується для оцінки «здоров'я».

Поняття про кисневий режим організму.Кисень проходить у організмі досить довгий шлях (рис. 18). Потрапляючи всередину у вигляді молекул газу, він вже в легенях бере участь у низці хімічних реакцій, що забезпечують його подальше транспортування до клітин тіла. Там, потрапляючи в мітохондрії, кисень окислює різноманітні органічні сполуки, перетворюючи їх у кінцевому рахунку на воду та вуглекислоту. У такому вигляді кисень і виводиться із організму.

Що змушує кисень з атмосфери проникати у легені, потім – у кров, звідти – у тканини та клітини, де вже він вступає у біохімічні реакції? Очевидно, що існує певна сила, яка визначає саме такий напрямок переміщення молекул цього газу. Ця сила – градієнт концентрацій. Вміст кисню в атмосферному повітрі набагато більший, ніж у повітрі внутрілегочного простору (альвеолярному). Вміст кисню в альвеолах - легеневих бульбашках, у яких відбувається газообмін повітря з кров'ю, - набагато вищий, ніж у венозній крові. Тканини містять кисню набагато менше, ніж артеріальна кров, а мітохондрії містять незначну кількість кисню, оскільки молекули цього газу, що входять в них, негайно вступають у цикл окисних реакцій і перетворюються на хімічні сполуки. Ось цей каскад концентрацій, що поступово знижуються, що відображає градієнти зусилля, в результаті яких кисень з атмосфери проникає в клітини тіла, і прийнято називати кисневим режимом організму (рис.19). Вірніше, кисневий режим характеризується кількісними параметрами описаного каскаду. Верхня сходинка каскаду характеризує вміст кисню в атмосферному повітрі, яке під час вдиху проникає у легені. Друга сходинка – вміст О2 в альвеолярному повітрі. Третя сходинка - вміст Про 2 в артеріальній крові, щойно збагаченої киснем. І нарешті, четверта сходинка - напруга кисню у венозній крові, яка віддала кисень тканинам, що містився в ній. Ці чотири сходинки утворюють три прольоти, які відображають реальні процеси газообміну в організмі. «Проліт» між 1-ю та 2-ю сходинками відповідає легеневому газообміну, між 2-ю та 3-ю сходинками - транспорту кисню кров'ю, а між 3-ю та 4-ю сходинками - тканинному газообміну. Чим більша висота сходинки, тим більший перепад концентрацій, тим вищий градієнт, у якому кисень транспортується цьому етапі. З віком збільшується висота першого прольоту, тобто градієнт легеневого газообміну; другого «прольоту», тобто. градієнт транспорту 02 кров'ю, тоді як висота третього прольоту, що відображає градієнт тканинного газообміну, знижується. Вікове зменшення інтенсивності тканинного окиснення є прямим наслідком зниження з віком інтенсивності енергетичного обміну.

Мал. 19. Транспорт кисню у людини (напрямок показано стрілками)

Дихання

Обмін газів у легенях.Легкі є герметичні мішки, з'єднані з трахеєю за допомогою великих повітроносних шляхів - бронхів. Атмосферне повітря через носову і ротову порожнину проникає в гортань і далі в трахею, після чого поділяється на два потоки, один з яких йде до правої легені, інший до лівої (рис. 20). Трахея та бронхи складаються із сполучної тканини та каркасу з хрящових кілець, які не дозволяють цим трубкам перегинатися та перекривати повітроносні шляхи при різних змінах положення тіла. Увійшовши в легені, бронхи поділяються на безліч відгалужень, кожне з яких ділиться знову, утворюючи так зване «бронхіальне дерево». Найтонші гілочки цього "дерева" називаються бронхіолами, і на їх кінцях розташовуються легеневі бульбашки, або альвеоли (рис. 21). Кількість альвеол сягає 350 млн., які загальна площа - 150 м 2 . Саме ця поверхня і являє собою площу для обміну газами між кров'ю та повітрям. Стінки альвеоли складаються з одного шару епітеліальних клітин, до якого впритул підходять найтонші кровоносні капіляри, що також складаються з одношарового епітелію. Така конструкція завдяки дифузії забезпечує порівняно легке проникнення газів з альвеолярного повітря в капілярну кров (кисень) та у зворотному напрямку (вуглекислий газ). Цей газообмін відбувається внаслідок того, що створюється градієнт концентрації газів (рис. 22). Повітря, що знаходиться в альвеолах, містить відносно велику кількість кисню (103 мм рт. ст.) і малу кількість вуглекислого газу (40 мм рт. ст.). У капілярах, навпаки, концентрацію вуглекислого газу підвищено (46 мм рт. ст.), а кисню знижено (40 мм рт. ст.), оскільки в цих капілярах знаходиться венозна кров, зібрана вже після того, як вона побувала в тканинах і віддала їм кисень, отримавши натомість вуглекислий газ. Кров по капілярах протікає безперервно, а повітря в альвеолах оновлюється при кожному вдиху. Відтікає від альвеол збагачена киснем (до 100 мм рт. ст.) Кров містить порівняно мало вуглекислого газу (40 мм рт. ст.) І знову готова до здійснення тканинного газообміну.

Мал. 21. Схема будови легень (А) та легеневих альвеол (Б)

А:] - горло; 2 – трахея; 3 – бронхи; 4 – бронхіоли; 5 – легкі;

Б: 1 – судинна мережа; 2, 3 - альвеоли зовні та в розрізі; 4 -

бронхіолу; 5 - артерія та вена

Мал. 22. Схема розгалуження повітроносних шляхів (ліворуч). У правій частині малюнка наведено криву сумарної площі поперечного перерізу повітроносних шляхів на рівні кожного розгалуження (3). На початку перехідної зони ця площа починає суттєво зростати, що продовжується і в дихальній зоні. Бр – бронхи; Бл – бронхіоли; КБл – кінцеві бронхіоли; ДБл – дихальні бронхіоли; АХ – альвеолярні ходи; А – альвеоли

Мал. 23. Обмін газів у легеневих альвеолах: через стінку легеневої альвеоли Про 2 вдихуваного повітря надходить у кров, а 2 венозної крові - в альвеолу; газообмін забезпечується різницею парціальних тисків (Р) СО 2 і О 2 у венозній крові та в порожнині легеневих альвеол

Щоб дрібні бульбашки - альвеоли - не спадалися під час видиху, їхня поверхня зсередини покрита шаром спеціальної речовини, що виробляється легеневою тканиною. Ця речовина - сурфактант- Зменшує поверхневе натяг стінок альвеол. Зазвичай воно виробляється у надмірній кількості, щоб гарантувати максимально повне використання поверхні легень для газообміну.

Дифузійна здатність легень.Градієнт концентрацій газів по обидва боки альвеолярної стінки є силою, яка змушує молекули кисню і вуглекислого газу дифундувати, проникати крізь цю стінку. Однак при тому самому атмосферному тиску швидкість дифузії молекул залежить не тільки від градієнта, але і від площі дотику альвеол і капілярів, від товщини їх стінок, від наявності сурфактанту та інших причин. Для того щоб оцінити всі ці фактори, за допомогою спеціальних приладів вимірюють дифузійну здатність легень, яка в залежності від віку та функціонального стану людини може змінюватися від 20 до 50 мл 2 /хв/мм рт. ст.

Вентиляційно-перфузійне ставлення.Газообмін у легенях відбувається лише в тому випадку, якщо повітря в альвеолах періодично (у кожному дихальному циклі) оновлюється, а через легеневі капіляри безперервно тече кров. Саме з цієї причини зупинка дихання, як і зупинка кровообігу, однаково означає смерть. Безперервний струм крові через капіляри називається перфузією, а ритмічне надходження нових порцій атмосферного повітря в альвеоли - Вентиляцією.Слід наголосити, що повітря в альвеолах за складом дуже істотно відрізняється від атмосферного: в альвеолярному повітрі набагато більше вуглекислого газу і менше кисню. Справа в тому, що механічна вентиляція легень не торкається найбільш глибоких зон, в яких розташовані легеневі бульбашки, і там газообмін відбувається тільки завдяки дифузії, а тому дещо уповільнено. Проте кожен дихальний цикл приносить у легені нові порції кисню та забирає надлишок вуглекислоти. Швидкість перфузії легеневої тканини кров'ю повинна точно відповідати швидкості вентиляції, щоб між цими двома процесами встановлювалася рівновага, інакше кров буде перенасичена вуглекислотою і недонасичена киснем, або, навпаки, вуглекислота буде вимиватися з крові. І те й інше погано, тому що дихальний центр, розташований у довгастому мозку, генерує імпульси, що змушують дихальні м'язи здійснювати вдих і видих, під впливом рецепторів, що вимірюють вміст 2 і 2 в крові. Якщо рівень 2 у крові падає, дихання може зупинитися; якщо ж росте – починається задишка, людина відчуває ядуху. Співвідношення між швидкістю кровотоку через легеневі капіляри та швидкістю потоку повітря, що вентилює легені, називається вентиляційно-перфузійним ставленням (ВПО). Від нього залежить співвідношення концентрацій О2 і СО2 у повітрі, що видихається. Якщо надбавка СО2 (порівняно з атмосферним повітрям) точно відповідає зменшенню вмісту кисню, то ВПО=1, і це підвищений рівень. У нормі ВПО становить 0,7-0,8, т. е. перфузія має бути дещо інтенсивніше, ніж вентиляція. Величину ВПО враховують при виявленні тих чи інших захворювань бронхолегеневої системи та системи кровообігу.

Якщо свідомо різко активізувати дихання, роблячи максимально глибокі та часті вдихи-видихи, то ВПО перевищить 1, а людина незабаром відчує запаморочення і може зомліти - це результат «вимивання» надлишкових кількостей СО 2 з крові та порушення кислотно-лужного гомеостазу. Навпаки, якщо зусиллям волі затримати дихання, то ВПО становитиме менше 0,6 і за кілька десятків секунд людина відчує задуху і імперативний поклик до дихання. На початку м'язової роботи ВПО різко змінюється, спочатку знижуючись (посилюється перфузія, так як м'язи, почавши скорочуватися, видавлюють зі своїх вен додаткові порції крові), а через 15-20 с стрімко збільшуючись (активізується дихальний центр та зростає вентиляція). Нормалізується ВПО лише через 2-3 хв після початку м'язової роботи. Наприкінці м'язової роботи ці процеси протікають у зворотному порядку. У дітей подібне переналаштування системи кисневого постачання відбувається трохи швидше, ніж у дорослих, оскільки розміри тіла і відповідно інерційні характеристики серця, судин, легень, м'язів та інших структур, що беруть участь у цій реакції, у дітей істотно менші.

Тканинний газообмін.Кров, що приносить до тканин кисень, віддає його (за градієнтом концентрації) в тканинну рідину, а звідти молекули 2 проникають в клітини, де і захоплюються мітохондріями. Чим інтенсивніше відбувається це захоплення, тим швидше зменшується вміст кисню в тканинній рідині, тим вище стає градієнт між артеріальною кров'ю та тканиною, тим швидше кров віддає кисень, що при цьому від'єднується від молекули гемоглобіну, яка служила «транспортним засобом» для доставки кисню. Звільнені молекули гемоглобіну можуть захоплювати молекули СО2, щоб нести їх до легень і там віддавати альвеолярного повітря. Кисень, вступаючи в цикл окисних реакцій в мітохондріях, в кінцевому рахунку виявляється з'єднаним або з воднем (утворюється Н 2 Про), або з вуглецем (утворюється 2). У вільному вигляді кисень в організмі практично не існує. Весь вуглекислий газ, що утворюється в тканинах, виводиться з організму через легені. Метаболічна вода також частково випаровується з поверхні легень, але може виводитися, крім того, з потом та сечею.

Дихальний коефіцієнт.Співвідношення кількостей СО 2 і поглиненого О 2 називається дихальним коефіцієнтом (ДК) і залежить від того, які субстрати окислюються в тканинах організму. ДК у видихуваному повітрі становить від 0,65 до 1. По суто хімічних причин при окисленні жирів ДК=0,65; при окисненні білків - близько 0,85; при окисненні вуглеводів ДК=1,0. Таким чином, за складом видихуваного повітря можна судити про те, які речовини використовуються зараз для вироблення енергії клітинами організму. Звичайно, зазвичай ДК приймає якесь проміжне значення, найчастіше близьке до 0,85, але це не означає, що окислюються білки; скоріше це результат одночасного окислення жирів та вуглеводів. Величина ДК тісно пов'язана з ВПО, між ними є майже повна відповідність, якщо не брати до уваги періодів, коли ВПО піддається різким коливанням. У дітей у спокої ДК зазвичай вище, ніж у дорослих, що пов'язано зі значною участю вуглеводів в енергетичному забезпеченні організму, особливо діяльності нервових структур.

Зовнішнє дихання- це прояви процесу дихання, які добре помітні без будь-яких приладів, оскільки повітря входить у повітроносні шляхи і виходить з них тільки завдяки тому, що змінюється форма та об'єм грудної клітки. Що ж змушує повітря проникати вглиб організму, досягаючи, зрештою, дрібних легеневих бульбашок? В даному випадку діє сила, викликана різницею в тиску всередині грудної клітки та в навколишній атмосфері. Легкі оточені сполучно-тканинною оболонкою, яка називається плеврою, причому між легкими та плевральним мішком знаходиться плевральна рідина, яка служить мастилом та герметиком. Внутрішньоплевральний простір герметичний, не повідомляється з сусідніми порожнинами і травними і кровоносними трубами, що проходять через грудну клітину. Герметична і вся грудна клітина, відокремлена від черевної порожнини не тільки серозною оболонкою, а й великим кільцевим м'язом - діафрагмою. Тому зусилля дихальних м'язів, що призводять навіть до невеликого збільшення її об'єму під час вдиху, забезпечують досить суттєве розрядження всередині плевральної порожнини, саме під дією цього розрядження повітря входить у ротову та носову порожнину і проникає далі через горло, трахею, бронхи та бронхіоли в легеневу тка. .

Організація дихального акта.Три групи м'язів беруть участь в організації дихального акта, тобто в переміщенні стінок грудної клітки та черевної порожнини: інспіраторні (що забезпечують вдих) зовнішні міжреберні м'язи; експіраторні (що забезпечують видих) внутрішні міжреберні м'язи та діафрагма, а також м'язи черевної стінки. Злагоджене скорочення цих м'язів під управлінням дихального центру, який розташований у довгастому мозку, викликає переміщення ребер кілька вперед і вгору щодо їхнього становища в момент видиху, грудина піднімається, а діафрагма втискається всередину черевної порожнини. Таким чином, загальний обсяг грудної клітини істотно збільшується, там створюється досить високе розрядження, і повітря з атмосфери спрямовується всередину легенів. Наприкінці вдиху імпульсація з дихального центру до цих м'язів припиняється, і ребра під силою власної тяжкості, а діафрагма внаслідок її розслаблення повертаються до «нейтрального» положення. Об'єм грудної клітини зменшується, там підвищується тиск, і зайве повітря з легенів викидається через самі трубки, якими він входило. Якщо з якихось причин видих утруднений, то полегшення цього процесу підключаються експіраторні м'язи. Працюють вони й у випадках, коли дихання посилюється чи прискорюється під впливом емоційних чи фізичних навантажень. Робота дихальних м'язів, як і будь-яка інша м'язова робота, потребує витрат енергії. Підраховано, що при спокійному диханні на ці потреби витрачається трохи більше 1% енергії, що споживається організмом.

Залежно від того, чи пов'язане розширення грудної клітки при нормальному диханні переважно з підняттям ребер або ущільненням діафрагми, розрізняють реберний (грудний) та діафрагмальний (черевний) типи дихання. При грудному типі дихання діафрагма зміщується пасивно відповідно до зміни внутрішньогрудного тиску. При черевному типі потужні скорочення діафрагми сильно зміщують органи черевної порожнини, тому при вдиху живіт випинається. Становлення типу дихання відбувається у віці 5-7 років, причому в дівчат воно стає, як правило, грудним, а у хлопчиків - черевним.

Легенева вентиляція.Чим більший організм і чим сильніше працюють дихальні м'язи, тим більше повітря проходить через легені за кожен дихальний цикл. З метою оцінки легеневої вентиляції вимірюють хвилинний обсяг дихання, тобто. середня кількість повітря, що проходить через дихальні шляхи за 1 хв. У спокої у дорослої людини ця величина становить 5-6 л/хв. У новонародженої дитини хвилинний об'єм дихання становить 650-700 мл/хв, до кінця 1 року життя досягає 2,6-2,7 л/хв, до 6 років – 3,5 л/хв, у 10 років – 4,3 л /хв, а у підлітків - 4,9 л/хв. При фізичному навантаженні хвилинний об'єм дихання може суттєво збільшуватися, досягаючи у юнаків і дорослих 100 л/хв і більше.

Частота та глибина дихання.Дихальний акт, що складається з вдиху та видиху, має дві основні характеристики – частоту та глибину. Частота - це кількість дихальних актів за хвилину. У дорослої людини ця величина зазвичай становить 12-15, хоча вона може змінюватись у широких межах. У новонароджених частота дихання під час сну досягає 50-60 за хвилину, до однорічного віку знижується до 40-50, потім у міру зростання відбувається поступове зниження цього показника. Так, у дітей молодшого шкільного віку частота дихання зазвичай становить близько 25 циклів на хвилину, а у підлітків - 18-20. Прямо протилежну тенденцію вікових змін демонструє дихальний обсяг, тобто. міра глибини дихання. Він є середньою кількістю повітря, яке надходить у легені за кожен дихальний цикл. У новонароджених він дуже малий – всього 30 мл або навіть менше, до однорічного віку збільшується до 70 мл, у 6 років стає понад 150 мл, до 10 років досягає 240 мл, у 14 років – 300 мл. У дорослого дихальний об'єм у спокої не перевищує 500 мл. Хвилинний обсяг дихання є твір дихального об'єму на частоту дихання.

Якщо людина виконує будь-яке фізичне навантаження, їй потрібна додаткова кількість кисню відповідно збільшується хвилинний об'єм дихання. У дітей до 10 років це збільшення забезпечується в основному почастішанням дихання, яке може стати в 3-4 рази частішим, ніж дихання в спокої, тоді як дихальний обсяг збільшується тільки в 1,5-2 рази. У підлітків, а тим більше у дорослих збільшення хвилинного обсягу здійснюється головним чином за рахунок дихального об'єму, який може збільшитись у кілька разів, а частота дихання зазвичай не перевищує 50-60 циклів на хвилину. Вважається, що такий тип реакції системи дихання економічніший. За різними критеріями ефективність та економічність зовнішнього дихання з віком суттєво збільшується, досягаючи максимальних величин у юнаків та дівчат 18-20 років. У цьому дихання юнаків, зазвичай, організовано ефективніше, ніж в дівчат. На ефективність дихання та його економічність великий вплив має фізична тренованість, особливо у тих видах спорту, у яких кисневе забезпечення грає вирішальну роль. Це стаєрський біг, лижі, плавання, веслування, велосипед, теніс та інші види, пов'язані з виявом витривалості.

Спірограма.Якщо на шляху повітря, що входить у легені та виходить з них, встановити гумове хутро або легкий дзвін, занурений у воду, то завдяки дії дихальних м'язів цей пристрій буде збільшувати свій об'єм при видиху та зменшувати при вдиху. Якщо всі з'єднання при цьому будуть герметичні (для герметизації ротової порожнини використовують спеціальний гумовий загубник або маску, що одягається на обличчя), то можна, прикріпивши до рухомої частини пристрою пишучий інструмент, записати всі дихальні рухи. Такий прилад, винайдений ще XIX в., називається спірограф, а зроблений з його допомогою запис - спірограма (рис. 23). За допомогою спірограми, зроблена на паперовій стрічці, можна кількісно виміряти найважливіші характеристики зовнішнього дихання людини. Легкові обсяги та ємності. Завдяки спірограмі можна наочно побачити та виміряти різні легеневі об'єми та ємності. Обсягами у фізіології дихання прийнято називати ті показники, які динамічно змінюються у процесі дихання та характеризують функціональний стан системи дихання. Ємність - це резервуар, що не змінюється в короткий час, в рамках якого відбувається дихальний цикл і газообмін. Точкою відліку для всіх легеневих обсягів та ємностей є рівень спокійного видиху.

Легкові обсяги.У спокої дихальний об'єм малий порівняно із загальним обсягом повітря у легенях. Тому людина може як вдихнути, і видихнути великий додатковий обсяг повітря. Ці обсяги звуться відповідно резервний обсяг вдиху та резервний обсяг видиху. Однак навіть при найглибшому видиху в альвеолах та повітроносних шляхах залишається деяка кількість повітря. Це так званий залишковий обсяг, який не вимірюється за допомогою спірограми (для його вимірювання використовується досить складна техніка та розрахунки, застосовуються інертні гази). У дорослої людини він становить близько 1,5 л, у дітей – значно менше.

Мал. 24. Спірограма: ємність легень та її компоненти

А – схема спірограми: 1 – резервний обсяг вдиху; 2 – дихальний об'єм; 3 – резервний обсяг видиху; 4 - залишковий обсяг; 5 – функціональна залишкова ємність; 6 – ємність вдиху; 7 – життєва ємність; 8 – загальна ємність легень; Б - обсяги та ємності легень: / - юні спортсмени; // - Нетреновані школярі (середній вік 13 років) (за А. І. Осипову, 1964). Цифри над стовпчиками – середні величини загальної ємності. Цифри в стовпчиках – середні величини легеневих обсягів у відсотках від загальної ємності; цифри зліва від стовпчиків відповідають позначенням на спірограмі

Життєва ємність легень.Сумарна величина резервного об'єму вдиху, дихального об'єму та резервного об'єму видиху становить життєву ємність легень(ЖЕЛ) - один із найважливіших показників стану системи дихання. Для її вимірювання використовуються різноманітної конструкції спірометри, в які необхідно зробити максимально глибокий видих після максимально глибокого вдиху – це буде ЖЕЛ. ЖЕЛ залежить від розмірів тіла, а тому і від віку, а також дуже суттєво залежить від функціонального стану та фізичної тренованості організму людини. У чоловіків ЖЄЛ вище, ніж у жінок, якщо ні ті, ні інші не займаються спортом, особливо вправами на витривалість. Величина ЖЕЛ значно відрізняється у людей різної статури: у брахіморфних типів вона порівняно мала, а й у долихоморфных - дуже велика. Прийнято використовувати ЖЕЛ як один із показників фізичного розвитку дітей шкільного віку, а також призовників. Виміряти ЖЕЛ можна тільки за активної та свідомої участі дитини, тому дані про дітей до 3-річного віку практично відсутні.