§ 49. Регуляция дыхания

Определения и обозначения

Дыхательный центр — совокупность нервных клеток продолговатого мозга и моста, управляющих последовательностью вдоха и выдоха. Он работает автоматически и задаёт ритм дыхательных движений. Благодаря ему человек дышит во время сна и не обязан постоянно думать о каждом вдохе.

Нервная регуляция дыхания — изменение частоты и глубины дыхательных движений с помощью нервных импульсов. Эти импульсы быстро передают команды от дыхательного центра к дыхательным мышцам. Так организм может почти сразу подстроить дыхание к движению, разговору или другому воздействию.

Гуморальная регуляция дыхания — изменение дыхания под влиянием состава крови, прежде всего содержания углекислого газа. В данном случае сигнал переносится не по нерву, а изменением внутренней среды организма. Такой механизм помогает поддерживать постоянный газовый состав крови.

Хеморецепторы — рецепторы, воспринимающие изменения содержания углекислого газа, кислорода и кислотности внутренней среды. Они работают как датчики химического состава крови и других жидкостей организма. Полученная от них информация нужна дыхательному центру, чтобы выбрать подходящую силу и частоту дыхания.

Как это устроено

Дыхательный центр автоматически организует чередование вдоха и выдоха, потому что его нервные клетки возбуждаются ритмично. Сначала формируется команда на сокращение дыхательных мышц, затем активность центра меняется, и мышцы расслабляются. Поэтому дыхательные движения продолжаются даже тогда, когда человек спит или занят другой деятельностью.

Нервные импульсы от дыхательного центра поступают к диафрагме и межрёберным мышцам по двигательным нервам. При возбуждении диафрагма сокращается и опускается, а межрёберные мышцы поднимают рёбра, поэтому объём грудной клетки увеличивается и происходит вдох. Когда эти мышцы расслабляются, грудная клетка возвращается к исходному объёму, и при спокойном дыхании воздух выходит наружу.

Хеморецепторы обнаруживают увеличение содержания углекислого газа, уменьшение содержания кислорода или изменение кислотности внутренней среды. Такие сдвиги возникают, например, при усиленной работе клеток или недостаточном газообмене. Рецепторы передают информацию в дыхательный центр, потому что именно он может изменить работу дыхательных мышц.

Повышение концентрации углекислого газа усиливает и учащает дыхание, так как этот газ изменяет кислотность внутренней среды и раздражает хеморецепторы. Дыхательный центр получает сигнал об отклонении состава крови и посылает более частые и сильные импульсы мышцам. В результате углекислый газ быстрее удаляется из организма, а состав крови приближается к норме.

Кора больших полушарий позволяет человеку временно произвольно задерживать дыхание, делать вдохи чаще или менять их глубину. Это возможно потому, что сознательные команды могут на некоторое время влиять на работу дыхательного центра и мышц. Однако накопление углекислого газа всё сильнее возбуждает автоматический механизм, поэтому надолго подавить дыхание усилием воли нельзя.

Механизмы регуляции дыхания

Сначала определите, какой сигнал запускает изменение дыхания: нервный импульс или изменение состава крови. Затем проследите его путь до дыхательного центра и от центра к дыхательным мышцам. Одна ситуация может включать оба механизма: химический сигнал обнаруживается рецепторами, а ответ выполняется нервными импульсами.

Разбор задач

Задача 1

После нескольких приседаний дыхание человека стало более частым и глубоким. Нужно определить, какой механизм регуляции вызвал это изменение. Важно связать физическую работу мышц с изменением состава крови, а не только с волевым решением дышать чаще.

1. При приседаниях мышцы работают активнее, поэтому им требуется больше кислорода и образуется больше углекислого газа.
2. Хеморецепторы обнаруживают увеличение содержания углекислого газа и передают сведения в дыхательный центр.
3. Дыхательный центр усиливает нервные импульсы к диафрагме и межрёберным мышцам, поэтому дыхание учащается и углубляется.

Ответ: изменение вызвано главным образом гуморальной регуляцией, которая через хеморецепторы повлияла на дыхательный центр.

Задача 2

Человек задержал дыхание, но через некоторое время вынужден был сделать вдох. Нужно объяснить, почему волевое удерживание дыхания оказалось временным. Для решения проследим, что происходит с газовым составом крови при отсутствии дыхательных движений.

1. Клетки продолжают использовать кислород и выделять углекислый газ, хотя воздух в лёгкие не поступает.
2. Содержание углекислого газа в крови возрастает, а хеморецепторы передают сигнал о нарушении в дыхательный центр.
3. Автоматическая работа центра усиливается настолько, что преодолевает произвольную задержку и вызывает вдох.

Ответ: долго удерживать дыхание невозможно из-за накопления углекислого газа и возбуждения дыхательного центра.

Задача 3

У пациента нарушена работа дыхательного центра. Нужно определить возможные изменения дыхания и объяснить опасность такого поражения. Для этого надо вспомнить, что центр задаёт ритм и передаёт команды мышцам.

1. При нарушении центра могут измениться частота и глубина дыхания, а чередование вдоха и выдоха может стать неправильным.
2. Если импульсы к диафрагме и межрёберным мышцам ослабнут или прекратятся, дыхательные движения станут недостаточными либо остановятся.
3. Тогда нарушится поступление кислорода и удаление углекислого газа, что быстро повлияет на работу всех органов.

Ответ: поражение дыхательного центра опасно для жизни, потому что оно может нарушить автоматическое дыхание и привести к нехватке кислорода.

Типичные ошибки

Считать, что дыхание полностью управляется сознанием. Так думают, потому что человек действительно может задержать дыхание или изменить его ритм. Проверьте себя вопросом: продолжится ли дыхание во сне; если да, главным остаётся автоматический контроль центра.

Утверждать, что главным сигналом служит только недостаток кислорода. Ошибка возникает из-за естественной связи дыхания с поступлением кислорода. Вспомните, что обычно особенно быстро хеморецепторы реагируют на накопление углекислого газа и изменение кислотности крови.

Путать дыхательный центр с органом дыхания. Лёгкие и дыхательные мышцы выполняют команды, а сам центр находится в головном мозге. Чтобы проверить ответ, разделите систему на управляющую часть и исполнительные органы.

Считать вдох и выдох одинаковыми активными процессами. Вдох обычно требует сокращения дыхательных мышц, тогда как спокойный выдох происходит главным образом при их расслаблении и благодаря упругости лёгких. Проверьте себя, указав, какая сила непосредственно увеличивает объём грудной клетки.

Связь с другими темами

Для понимания регуляции дыхания нужны знания о строении дыхательной системы, диафрагме, межрёберных мышцах, а также о нервной и гуморальной регуляции. Эти понятия объясняют, кто воспринимает сигнал и кто выполняет команду.

Тема связана с газообменом в лёгких и тканях: именно изменения содержания кислорода и углекислого газа запускают регулирующие реакции. Поэтому нарушения газообмена отражаются на частоте и глубине дыхания.

Полученные знания пригодятся при изучении нервной системы, постоянства внутренней среды и влияния физической нагрузки на организм. По реакции дыхания можно понять, как тело приспосабливается к изменению потребностей клеток.

Что запомнить

• Автоматическую регуляцию дыхания обеспечивает дыхательный центр.
• Дыхательный центр расположен главным образом в продолговатом мозге.
• Нервные импульсы управляют сокращением диафрагмы и межрёберных мышц.
• Хеморецепторы воспринимают изменения состава крови.
• Избыток углекислого газа обычно учащает и углубляет дыхание.
• Кора больших полушарий может временно изменять дыхание произвольно.
• Регуляция дыхания поддерживает постоянство газового состава внутренней среды.