§ 28. Механизмы вдоха и выдоха. Регуляция дыхания. Охрана воздушной среды

Определения и обозначения

Внутригрудное давление — давление внутри грудной полости, окружающей лёгкие. При спокойном дыхании оно ниже атмосферного, потому что лёгкие стремятся упруго сократиться, а грудная клетка удерживает их растянутыми через плевру. Во время вдоха давление в лёгких становится ещё ниже атмосферного, а при выдохе повышается и может стать выше него. Разница давлений помогает воздуху двигаться в нужном направлении.

Дыхательный центр — группа нервных клеток в продолговатом мозге, управляющая дыхательными движениями. Он посылает сигналы мышцам, благодаря которым вдохи и выдохи чередуются автоматически. Центр согласует работу диафрагмы и межрёберных мышц, чтобы дыхание оставалось ритмичным. Без такой согласованности воздухообмен не мог бы поддерживаться непрерывно.

Рефлекторная регуляция дыхания — изменение дыхательных движений в ответ на нервные сигналы от рецепторов. Рецепторы сообщают дыхательному центру об изменениях в организме, например о растяжении лёгких. В ответ центр может изменить частоту и глубину вдохов. Так организм подстраивает дыхание к текущим условиям без постоянного сознательного контроля.

Гуморальная регуляция дыхания — изменение работы дыхательного центра под действием веществ, переносимых кровью. Особенно важен углекислый газ: когда его содержание в крови возрастает, дыхательный центр активнее посылает сигналы дыхательным мышцам. Дыхание учащается или становится глубже, и избыток газа быстрее удаляется из организма. Эта регуляция помогает поддерживать подходящий состав крови.

Как это устроено

При вдохе сокращаются наружные межрёберные мышцы и диафрагма. Межрёберные мышцы поднимают рёбра, а диафрагма, куполообразная мышца под лёгкими, уплощается и опускается. Из-за этого увеличивается объём грудной полости: в ней появляется больше пространства. Лёгкие могут расшириться вслед за стенками грудной клетки, поскольку соединены с ними через плевру.

Лёгкие покрыты плеврой, и её наружный листок выстилает грудную полость. Между листками находится тонкий слой жидкости, который позволяет им скользить, но помогает сохранять сцепление. Поэтому при движении грудной клетки лёгкие следуют за ней и меняют объём. Когда объём лёгких увеличивается, давление воздуха внутри них снижается относительно атмосферного, и воздух поступает внутрь по дыхательным путям.

При спокойном выдохе дыхательные мышцы расслабляются, а не выполняют такое же активное сокращение, как при вдохе. Рёбра опускаются, диафрагма возвращается к куполообразной форме, грудная клетка становится меньше. Упругие ткани лёгких также стремятся вернуться к исходному состоянию, поэтому объём лёгких уменьшается. Давление в них повышается относительно атмосферного, и воздух выходит наружу.

Дыхательный центр в продолговатом мозге автоматически организует смену вдоха и выдоха. Он направляет нервные сигналы к дыхательным мышцам, а рецепторы передают ему сведения о состоянии организма. Например, рецепторы реагируют на растяжение лёгких и помогают регулировать дыхательные движения. Благодаря обратной связи дыхание не просто повторяется с одинаковой силой, а может изменяться в ответ на потребности тела.

При физической нагрузке клетки работают интенсивнее и образуют больше углекислого газа. Его содержание в крови увеличивается, и это воздействует на дыхательный центр через гуморальную регуляцию. Центр усиливает сигналы дыхательным мышцам, поэтому дыхание становится чаще и глубже, а обмен газов ускоряется. Охрана воздушной среды важна для здоровья: загрязнители могут раздражать и повреждать органы дыхания, а через них влиять на весь организм.

Сравнение вдоха и спокойного выдоха

Чтобы пользоваться таблицей, проследи цепочку от состояния мышц к изменению объёма, затем к давлению и направлению воздуха. При вдохе объём растёт, поэтому давление падает; при спокойном выдохе всё происходит наоборот. Сравнение помогает не путать, какие движения грудной клетки сопровождают каждый этап дыхания.

Разбор задач

Задача 1. Определите, что происходит с рёбрами, диафрагмой и направлением движения воздуха во время вдоха. Чтобы ответить, начните не с движения воздуха, а с работы мышц. Затем свяжите положение грудной клетки с изменением объёма лёгких и давления.

1. При вдохе сокращаются наружные межрёберные мышцы и диафрагма.
2. Рёбра поднимаются, а диафрагма уплощается и опускается, поэтому объём грудной полости увеличивается.
3. Лёгкие расширяются вслед за грудной клеткой, давление в них становится ниже атмосферного.

Ответ. Рёбра поднимаются, диафрагма уплощается и опускается. Воздух движется в лёгкие, потому что давление в них ниже атмосферного. Так причинная цепочка от сокращения мышц приводит к вдоху.

Задача 2. После выдоха объём грудной клетки уменьшается. Объясните, как меняется давление в лёгких и почему воздух выходит. Условие описывает уменьшение объёма, поэтому сначала определите направление изменения давления. Затем примените правило движения воздуха между областями с разным давлением.

1. Уменьшение объёма грудной клетки сопровождается уменьшением объёма лёгких.
2. В меньшем объёме давление воздуха в лёгких повышается относительно атмосферного.
3. Воздух движется из области более высокого давления в область более низкого — из лёгких наружу.

Ответ. Давление в лёгких повышается и становится выше атмосферного. Поэтому воздух выходит через дыхательные пути. При спокойном выдохе уменьшение объёма обычно связано с расслаблением мышц и упругим возвращением тканей.

Задача 3. Во время бега дыхание становится чаще и глубже. Объясните, какие изменения в организме вызывают эту реакцию и как она регулируется. Начните с того, что при нагрузке интенсивнее работают клетки. Затем свяжите изменение состава крови с ответом дыхательного центра.

1. Работа мышц при беге требует больше энергии, поэтому клетки активнее используют кислород и образуют больше углекислого газа.
2. Повышение содержания углекислого газа в крови действует на дыхательный центр гуморально.
3. Дыхательный центр усиливает нервные сигналы дыхательным мышцам, увеличивая частоту и глубину дыхательных движений.

Ответ. Во время бега возрастает образование углекислого газа, и его повышение усиливает работу дыхательного центра. В ответ дыхание становится чаще и глубже. Так организм ускоряет поступление кислорода и удаление углекислого газа.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что лёгкие сами активно расширяются при вдохе. Так можно подумать, потому что грудная клетка и лёгкие увеличиваются одновременно. Но лёгкие следуют за грудной клеткой благодаря плевре, а не расширяются за счёт собственных дыхательных мышц. Проверь себя: назови мышцы, которые сокращаются при вдохе, — это диафрагма и наружные межрёберные мышцы.

Ошибка: путать изменение давления при вдохе и выдохе. Кажется, что при вдохе давление должно повышаться, ведь воздуха в лёгких становится больше. На самом деле сначала увеличивается объём лёгких, а давление падает, поэтому воздух входит; при уменьшении объёма давление растёт. Проверка проста: воздух движется из области более высокого давления в область более низкого.

Ошибка: думать, что спокойный выдох требует активного сокращения мышц. Выдох может казаться столь же активным, как вдох, потому что воздух заметно выходит. Однако при спокойном дыхании мышцы обычно расслабляются, а грудная клетка и лёгкие упруго возвращаются к исходному объёму. Проверь себя, сравнив работу мышц на обоих этапах: для обычного вдоха нужно сокращение, для спокойного выдоха — расслабление.

Ошибка: считать, что дыханием управляет только сознание. Человек действительно может на короткое время задержать дыхание или изменить его ритм. Но автоматическую смену вдохов и выдохов поддерживает дыхательный центр в продолговатом мозге. Чтобы проверить себя, вспомни: дыхание продолжается и во сне, когда человек не управляет им намеренно.

Связь с другими темами

Для понимания механизма дыхания нужно знать строение грудной клетки, лёгких, межрёберных мышц и диафрагмы, а также путь воздуха по дыхательным путям. Эти знания помогают проследить, как движение мышц меняет объём лёгких и давление в них. Тема связана и с газообменом: вентиляция лёгких обеспечивает поступление воздуха, а кислород и углекислый газ затем переносятся кровью. Знание о роли чистого воздуха помогает понять, почему загрязнение опасно для органов дыхания и здоровья всего организма.

Что запомнить

• Вдох начинается при сокращении диафрагмы и наружных межрёберных мышц.
• При вдохе объём грудной полости и лёгких увеличивается.
• Воздух движется туда, где давление ниже.
• Спокойный выдох обычно происходит при расслаблении дыхательных мышц.
• Дыхательный центр находится в продолговатом мозге и поддерживает автоматический ритм дыхания.
• Рост содержания углекислого газа в крови усиливает дыхательные движения.
• Чистота воздуха важна для нормальной работы органов дыхания.