32. Дыхательные движения и их регуляция

Определения и обозначения

Дыхательные движения — ритмичные чередования вдоха и выдоха, обеспечивающие вентиляцию лёгких. Вентиляция — обновление воздуха в лёгких. Благодаря ей кислород поступает к поверхности газообмена, а углекислый газ удаляется.

Вдох — поступление воздуха в лёгкие при увеличении объёма грудной клетки и снижении давления в лёгких. Воздух движется в сторону более низкого давления. Вдох пополняет запас воздуха, из которого организм получает кислород.

Выдох — удаление воздуха из лёгких при уменьшении объёма грудной клетки и повышении давления в лёгких. Когда давление внутри лёгких становится выше атмосферного, воздух выходит наружу. Так организм удаляет воздух, содержащий углекислый газ.

Дыхательный центр — совокупность нервных структур, регулирующих последовательность и частоту дыхательных движений. Он посылает сигналы дыхательным мышцам и меняет их работу в соответствии с потребностями организма. Благодаря центру вдохи и выдохи сменяют друг друга без постоянного контроля со стороны человека.

Как это устроено

При вдохе диафрагма — мышца, отделяющая грудную полость от брюшной, — сокращается и уплощается, опускаясь вниз. Одновременно сокращаются наружные межрёберные мышцы и поднимают рёбра. Грудная клетка становится просторнее, а лёгкие следуют за её стенками благодаря связи с ними через плевру. Поэтому объём лёгких увеличивается.

Когда объём лёгких увеличивается, давление воздуха внутри них становится ниже атмосферного. Воздух движется из области более высокого давления в область более низкого, поэтому поступает через дыхательные пути в лёгкие. При уменьшении объёма происходит обратное: давление в лёгких повышается относительно атмосферного, и воздух выходит. Значит, движение воздуха создаёт разность давлений, возникающая при изменении объёма грудной клетки.

При спокойном выдохе диафрагма и наружные межрёберные мышцы расслабляются. Рёбра опускаются, диафрагма поднимается, а грудная клетка возвращается к исходному объёму. Этому помогают упругость лёгких и грудной стенки: растянутые при вдохе ткани стремятся вернуться в прежнее состояние. Поэтому для обычного выдоха отдельное сильное мышечное усилие не требуется.

При усиленном выдохе воздуха нужно удалить быстрее или в большем объёме, чем при спокойном дыхании. Тогда сокращаются дополнительные мышцы, в том числе мышцы живота и внутренние межрёберные мышцы. Они сильнее уменьшают объём грудной клетки и повышают давление в лёгких. В результате воздух выходит интенсивнее.

Чередование вдоха и выдоха задаёт дыхательный центр, расположенный прежде всего в продолговатом мозге. Его нервные клетки посылают сигналы мышцам, участвующим во вдохе, а затем меняют их активность, позволяя начаться выдоху. Так формируется повторяющийся ритм. Работа центра не требует сознательного решения при каждом дыхательном движении.

Механизм дыхательных движений и их регуляция

Сравнивай фазы по работе мышц и по тому, как меняются объём грудной клетки и давление. Эти изменения помогают определить направление движения воздуха. В последней строке указано, что запускает движение в каждой фазе.

Нервная регуляция — управление дыхательными мышцами сигналами нервной системы. Гуморальная регуляция — изменение работы органов под влиянием веществ, переносимых кровью. При нагрузке мышцы расходуют больше кислорода и выделяют больше углекислого газа; хеморецепторы, то есть чувствительные клетки, обнаруживают изменения состава крови. Сигналы поступают к дыхательному центру, который усиливает и учащает дыхание, чтобы ускорить поступление кислорода и удаление углекислого газа.

Разбор задач

Задача 1. Укажите фазу дыхания, если диафрагма сокращается и опускается, а объём грудной клетки увеличивается. Нужно связать работу мышцы с изменением объёма, а затем определить направление движения воздуха. Решение можно проверить по тому, какая фаза начинается при расширении грудной клетки.

1. Сокращённая диафрагма опускается и увеличивает объём грудной клетки.
2. Объём лёгких вслед за грудной клеткой также увеличивается, поэтому давление в них снижается.
3. Воздух движется в лёгкие, где давление стало ниже атмосферного; это признак вдоха.

Ответ: происходит вдох. Опускание диафрагмы и увеличение объёма грудной клетки указывают на эту фазу.

Задача 2. После нескольких приседаний дыхание стало более частым и глубоким. Чтобы объяснить реакцию, проследим, как нагрузка влияет на мышцы, кровь и дыхательный центр. Важно найти причину усиления дыхательных движений, а не только назвать их результат.

1. При приседаниях работающие мышцы расходуют больше кислорода и образуют больше углекислого газа.
2. Хеморецепторы воспринимают изменения состава крови и передают сигналы нервным центрам.
3. Дыхательный центр усиливает и учащает сигналы дыхательным мышцам, увеличивая вентиляцию лёгких.

Ответ: дыхание участилось и углубилось из-за возросшей потребности в кислороде и усиленного образования углекислого газа. Так организм быстрее получает кислород и удаляет углекислый газ.

Задача 3. Человек сделал несколько быстрых глубоких вдохов, а затем задержал дыхание. Сначала задержка переносится легко, но затем возникает сильная потребность вдохнуть. Разберём, почему волевое управление сначала помогает, но не может бесконечно останавливать автоматические дыхательные движения.

1. Глубокие вдохи усиливают вентиляцию лёгких и временно удаляют из организма больше углекислого газа.
2. Во время задержки дыхания организм продолжает образовывать углекислый газ, который накапливается в крови.
3. Хеморецепторы реагируют на изменение состава крови, а дыхательный центр посылает сигналы, усиливающие потребность вдохнуть.

Ответ: сначала задержка легче из-за временного снижения содержания углекислого газа после глубоких вдохов. Позже накопившийся углекислый газ активирует дыхательный центр, и желание вдохнуть становится сильным.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что воздух активно втягивается лёгкими. Так думают, потому что при вдохе кажется, будто лёгкие сами выполняют работу. На деле движение воздуха возникает из-за разности давлений при изменении объёма грудной клетки; проверь себя, проследив, что происходит с давлением при вдохе.

Ошибка: путать вдох и выдох по работе диафрагмы. Путаница возникает, если запомнить только движение воздуха и не связать его с мышцей. При вдохе диафрагма сокращается и опускается, а при спокойном выдохе расслабляется и поднимается; сверяй фазу с направлением её движения.

Ошибка: утверждать, что дыхательный центр находится только в лёгких. Это может казаться логичным, потому что лёгкие участвуют в дыхании. Однако ритм регулируют нервные центры, прежде всего в продолговатом мозге; проверь себя, различая орган, который вентилируется, и нервную систему, которая управляет движениями.

Ошибка: считать, что частота дыхания меняется только по воле человека. Эту мысль поддерживает возможность сознательно ускорить дыхание или ненадолго его задержать. Автоматическая регуляция реагирует на содержание углекислого газа и потребности организма; проверь себя на примере физической нагрузки, когда дыхание усиливается без отдельного решения.

Связь с другими темами

Для понимания механизма дыхания нужно знать строение грудной клетки, диафрагмы, дыхательных путей и лёгких. Тогда становится ясно, какие части тела меняют объём грудной полости и по какому пути проходит воздух. Эти знания связывают работу мышц с вентиляцией лёгких.

Вентиляция лёгких связана с газообменом — обменом кислорода и углекислого газа между организмом и окружающей средой. Обновление воздуха позволяет кислороду поступать к местам газообмена, а углекислому газу — удаляться. Изменение дыхания помогает подстраивать этот процесс под потребности организма.

Механизм регуляции помогает объяснять изменения дыхания при физической нагрузке и заболеваниях органов дыхания. Он также важен при изучении первой помощи: состояние дыхания — один из признаков, за которым необходимо наблюдать. Знание роли дыхательного центра объясняет, почему дыхательные движения нельзя надолго остановить усилием воли.

Что запомнить

• Дыхательные движения состоят из вдоха и выдоха.
• Вдох происходит при увеличении объёма грудной клетки и снижении давления в лёгких.
• Спокойный выдох в основном является пассивным.
• Дыхательный центр задаёт ритм дыхательных движений.
• Повышение содержания углекислого газа усиливает дыхание.
• Дыхание регулируется нервными и гуморальными механизмами.
• Произвольная задержка дыхания не может полностью подавить работу дыхательного центра.