"Биология (изд. "БИНОМ. Лаборатория знаний")", Беркинблит М.Б., Мартьянов А.А. и др.
Дыхание подстраивается под потребности организма: после бега оно становится чаще и глубже, а в покое замедляется. Этим управляет дыхательный центр в продолговатом мозге: он посылает импульсы дыхательным мышцам и меняет ритм вдохов и выдохов. Центр получает сигналы о химическом составе крови, прежде всего об изменении содержания углекислого газа. Растяжение лёгких тоже помогает переключать вдох на выдох, а произвольный контроль дыхания ограничен автоматической регуляцией.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Дыхательный центр — совокупность нервных центров, которые создают и изменяют ритм дыхательных движений. Основные центры находятся в продолговатом мозге — части головного мозга, соединённой со спинным. Они посылают команды дыхательным мышцам и помогают согласовать вдох с выдохом. Благодаря этой работе дыхание продолжается автоматически, даже когда человек о нём не думает.
Хеморецепторы — чувствительные клетки и нервные окончания, воспринимающие изменения химического состава крови. Особенно важны изменения содержания углекислого газа и водородных ионов, связанных с кислотностью внутренней среды. Рецепторы передают информацию нервным центрам, чтобы дыхание могло измениться вслед за потребностями организма. Так организм получает сигнал, когда состав крови отклоняется от привычного.
Нервная регуляция дыхания — управление дыхательными мышцами с помощью нервных импульсов, то есть сигналов, проходящих по нервным клеткам. Импульсы вызывают или прекращают сокращение мышц, участвующих в дыхательных движениях. Поэтому нервный центр может менять длительность вдоха и выдоха, а также их ритм. Эта регуляция позволяет быстро отвечать на сигналы от рецепторов.
Гуморальная регуляция дыхания — влияние веществ, переносимых кровью, на активность дыхательного центра. При изменении состава крови её химические особенности воздействуют на рецепторы и нервные центры. В ответ меняется частота и глубина дыхания, а значит, и поступление воздуха в лёгкие. Такая связь помогает согласовать дыхание с обменом веществ в тканях.
Дыхательный центр в продолговатом мозге посылает импульсы к дыхательным мышцам, прежде всего к диафрагме и межрёберным мышцам. Когда эти мышцы сокращаются, грудная клетка расширяется, лёгкие следуют за её движением, и происходит вдох. Затем импульсы ослабевают или прекращаются, мышцы расслабляются, объём грудной клетки уменьшается и начинается выдох. Значит, центр не двигает лёгкие напрямую: он задаёт работу мышц, от которых зависит движение грудной клетки.
При усиленной работе организма клетки активнее расходуют вещества и образуют больше углекислого газа. Его содержание в крови повышается, а химические свойства крови меняются, в том числе возрастает содержание водородных ионов. Хеморецепторы воспринимают эти сдвиги и передают сигнал дыхательному центру. Центр увеличивает частоту и глубину дыхательных движений, чтобы усилить газообмен и вывести из организма больше углекислого газа.
Если содержание углекислого газа снижается, возбуждение дыхательного центра становится слабее. Тогда импульсы к дыхательным мышцам поступают реже, и дыхательные движения замедляются. Причина этой реакции — уменьшение сигнала, который прежде усиливал работу центра. Такая обратная связь помогает удерживать состав крови относительно постоянным, несмотря на изменения активности человека.
Во время вдоха лёгкие растягиваются, и связанные с их растяжением рецепторы посылают нервные импульсы в дыхательные центры. В ответ вдох тормозится, а последовательность сигналов переключается так, что начинается выдох. Если бы вдох не сменялся выдохом вовремя, дыхательные движения не образовывали бы согласованного ритма. Рефлекторная реакция помогает регулировать длительность фаз дыхания.
Человек может по своей воле ненадолго задержать дыхание, ускорить или замедлить его. Однако обмен веществ не прекращается, поэтому углекислый газ продолжает поступать в кровь. Хеморецепторы усиливают сигнал дыхательному центру, и автоматическая регуляция становится сильнее произвольного контроля. Поэтому задерживать дыхание бесконечно или на любое желаемое время нельзя.
| Сторона регуляции | Что воспринимается | Как передаётся сигнал | Результат |
|---|---|---|---|
| Нервная регуляция | Команды центра и сигналы от рецепторов | Нервными импульсами по нервам | Меняется сокращение дыхательных мышц и ритм дыхания |
| Гуморальная регуляция | Изменения состава крови, особенно содержания CO₂ и водородных ионов | Вещества переносятся кровью и влияют на рецепторы и центр | При накоплении CO₂ дыхание обычно учащается и углубляется |
| Рефлекторное изменение дыхания | Растяжение лёгких при вдохе | От рецепторов импульсы поступают в нервные центры, затем меняется команда мышцам | Вдох тормозится, начинается выдох |
| Произвольное изменение дыхания | Намерение человека задержать или изменить дыхание | Команда от нервных центров временно меняет дыхательные движения | Дыхание меняется ненадолго, затем усиливается автоматическая регуляция |
Сравнивайте строки по трём вопросам: что служит сигналом, каким путём он передаётся и к какому изменению дыхания приводит. Нервная и гуморальная регуляция различаются способом передачи воздействия, а рефлекторная и произвольная описывают, как меняются движения. В организме эти способы могут взаимодействовать.
Задача 1. После бега дыхание стало чаще и глубже. Какой сигнал запускает это изменение и какова роль дыхательного центра? Чтобы ответить, проследим цепочку от работающих мышц к изменению дыхательных движений. Важно не путать первоначальное изменение крови с командой, которую затем получают мышцы.
Ответ: изменение содержания углекислого газа служит сигналом для усиления дыхания. Дыхательный центр преобразует полученную информацию в нервные импульсы, управляющие дыхательными мышцами.
Задача 2. Человек задержал дыхание, но через некоторое время непроизвольно сделал вдох. Почему задержка не может продолжаться долго? Нужно учесть, что даже без вдохов обмен веществ в организме продолжается. Отсюда можно восстановить причину непроизвольного вдоха.
Ответ: произвольный контроль временно задерживает дыхание, но не останавливает обмен веществ. Накопление CO₂ усиливает автоматическую регуляцию, поэтому задержка не может продолжаться сколь угодно долго.
Задача 3. Раздражение рецепторов, связанных с растяжением лёгких, прекращает вдох и вызывает выдох. Опишите путь сигнала и значение реакции. Здесь нужно проследить последовательность от рецептора к мышцам, а не считать, что лёгкие сами дают команду на выдох.
Ответ: это рефлекторная реакция, помогающая своевременно переключать вдох на выдох. Она согласует дыхательные движения и поддерживает их последовательный ритм.
Неверно считать, что дыхательный центр непосредственно сокращает лёгкие. Такое представление возникает потому, что говорят «центр управляет дыханием» и не замечают промежуточного звена. На самом деле импульсы поступают к дыхательным мышцам, а лёгкие движутся вслед за грудной клеткой. Проверь себя: в цепочке от центра к движению лёгких должны быть мышцы и грудная клетка.
Не стоит объяснять регуляцию только содержанием кислорода в крови. Часто так думают, потому что кислород необходим клеткам, но важным стимулом изменения дыхания служит накопление CO₂ и связанное с ним изменение химического состава крови. Хеморецепторы сообщают об этих сдвигах нервным центрам. Проверка простая: объясняя учащение дыхания, назови сигнал, связанный с углекислым газом.
Нервную регуляцию нельзя смешивать с гуморальной. Путаница появляется из-за того, что обе влияют на дыхательный центр и в итоге меняют дыхательные движения. Нервная регуляция передаёт импульсы по нервам, а гуморальная связана с действием веществ, переносимых кровью. Проверь себя: укажи, передаётся ли воздействие по нервному пути или с кровью.
Ошибочно полагать, что человек может произвольно остановить дыхание на любое время. Волевое управление действительно позволяет временно менять дыхательные движения, поэтому ограничение легко упустить. Но углекислый газ продолжает накапливаться, и автоматическая регуляция усиливает работу дыхательного центра. Проверь себя: если задержка долгая, объясни, как меняется содержание CO₂ и почему возникает вдох.
Для понимания регуляции дыхания нужно знать строение органов дыхания, работу дыхательных мышц и газообмен в лёгких и тканях. Тема связана с кровообращением: кровь переносит газы между лёгкими и клетками. Интенсивность обмена веществ определяет, сколько кислорода расходуется и сколько углекислого газа образуется, поэтому нагрузка влияет на дыхание. Представления о нервной и гуморальной регуляции пригодятся при изучении других систем органов и поддержания постоянства внутренней среды.
Почему после бега дыхание становится чаще?
При работе мышц обмен веществ усиливается, поэтому образуется больше углекислого газа. Хеморецепторы улавливают изменение состава крови и передают сигнал дыхательному центру, который усиливает дыхательные движения.
Что запускает дыхательный центр?
На его активность влияют сигналы от хеморецепторов об изменениях состава крови, особенно при накоплении углекислого газа. Центр также участвует в рефлекторной смене вдоха выдохом и может получать сигналы от других нервных центров.
Почему задержать дыхание можно только на ограниченное время?
Во время задержки дыхания углекислый газ продолжает образовываться и накапливаться в крови. Это усиливает возбуждение дыхательного центра, и автоматическая регуляция в итоге вызывает дыхательное движение.
Чем нервная регуляция дыхания отличается от гуморальной?
При нервной регуляции сигнал передаётся нервными импульсами по нервам к дыхательным мышцам. При гуморальной регуляции на дыхательный центр воздействуют вещества, переносимые кровью, например изменения химического состава крови.
Как растяжение лёгких влияет на смену вдоха и выдоха?
При вдохе лёгкие растягиваются, и рецепторы посылают нервный сигнал в дыхательные центры. В ответ вдох тормозится и начинается выдох, что помогает согласовать последовательность дыхательных движений.
§ 31. Регуляция дыхания
