§ 21. Механизм дыхания. Жизненная ёмкость лёгких

Определения и обозначения

Дыхательные движения — ритмические изменения объёма грудной клетки, обеспечивающие вдох и выдох. Благодаря им воздух постоянно обновляется в лёгких. Это основа внешнего дыхания.

Вдох — поступление воздуха в лёгкие вследствие увеличения объёма грудной клетки и снижения давления в лёгких. Он нужен для доставки кислорода к альвеолам. Направление движения воздуха определяется разностью давления.

Выдох — выход воздуха из лёгких вследствие уменьшения объёма грудной клетки и повышения давления в лёгких. Так организм удаляет углекислый газ и часть водяного пара. Выдох обычно следует за вдохом.

Жизненная ёмкость лёгких — наибольший объём воздуха, который человек может выдохнуть после максимально глубокого вдоха. Она характеризует резерв дыхательной системы. Чем больше ЖЕЛ при прочих равных условиях, тем больше воздуха можно заменить за один глубокий дыхательный цикл.

Как это устроено

При вдохе диафрагма сокращается и становится более плоской, опускаясь вниз. Наружные межрёберные мышцы сокращаются, поднимают рёбра и немного выдвигают их вперёд. Поэтому объём грудной клетки увеличивается, а лёгкие растягиваются вслед за её стенками.

Увеличение объёма лёгких приводит к уменьшению давления воздуха внутри них. Давление снаружи, то есть в окружающей атмосфере, становится относительно большим. Воздух движется внутрь по разности давлений, пока они не выровняются.

При спокойном выдохе диафрагма и наружные межрёберные мышцы расслабляются. Грудная клетка возвращается к прежнему положению, а упругая ткань лёгких стремится уменьшиться после растяжения. Объём лёгких становится меньше, давление в них повышается, и воздух выходит наружу.

Спокойное дыхание использует небольшие изменения объёма и обычно не требует дополнительных мышц. Для глубокого вдоха сильнее сокращаются диафрагма и наружные межрёберные мышцы, а также могут подключаться мышцы шеи и верхней части грудной клетки. Усиленный выдох требует активного сокращения внутренних межрёберных мышц и мышц брюшного пресса, которые уменьшают объём грудной клетки сильнее.

Жизненная ёмкость лёгких складывается из дыхательного объёма, резервного объёма вдоха и резервного объёма выдоха: ЖЕЛ = ДО + РОВД + РОВЫ. Дыхательный объём — воздух обычного вдоха, а резервные объёмы — дополнительные порции, которые можно вдохнуть или выдохнуть сверх обычного дыхания. Измеряют ЖЕЛ спирометром: человек делает максимальный вдох, затем полностью выдыхает воздух в прибор.

Изменения при вдохе и выдохе и основные объёмы воздуха

Сначала определите, увеличивается или уменьшается объём грудной клетки, затем установите изменение давления. По этому изменению легко определить направление движения воздуха. Последняя строка помогает понять, какие части входят в жизненную ёмкость лёгких.

Разбор задач

Задача 1

Условие: объясните, почему воздух поступает в лёгкие при сокращении диафрагмы. Нужно связать работу мышцы с изменением давления, а не считать лёгкие самостоятельным насосом.

1. Сокращаясь, диафрагма опускается и увеличивает вертикальный размер грудной клетки.
2. Общий объём грудной клетки и лёгких становится больше, поэтому давление воздуха в лёгких снижается.
3. Атмосферное давление снаружи оказывается выше, и воздух движется внутрь лёгких.

Ответ: сокращение диафрагмы увеличивает объём грудной клетки, снижает давление в лёгких и вызывает поступление воздуха извне.

Задача 2

Условие: дыхательный объём равен 0,5 л, резервный объём вдоха — 2,5 л, резервный объём выдоха — 1,5 л. Требуется найти ЖЕЛ.

1. Запишите формулу: ЖЕЛ = ДО + РОВД + РОВЫ.
2. Подставьте значения: ЖЕЛ = 0,5 л + 2,5 л + 1,5 л.
3. Сложите объёмы: 0,5 + 2,5 = 3,0 л, затем 3,0 + 1,5 = 4,5 л.

Ответ: жизненная ёмкость лёгких равна 4,5 л.

Задача 3

Условие: после максимального вдоха объём воздуха в лёгких составил 5,2 л, а после максимального выдоха — 1,2 л. По данным спирометрии нужно определить ЖЕЛ.

1. ЖЕЛ показывает не весь объём воздуха, а разность между максимальным и минимальным измеренными объёмами.
2. Вычтите объём после максимального выдоха из объёма после максимального вдоха: 5,2 л − 1,2 л.
3. Получите разность: 4,0 л.

Ответ: жизненная ёмкость лёгких равна 4,0 л.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что воздух активно втягивается самими лёгкими. Лёгкие не имеют мышц и расширяются вслед за грудной клеткой. Проверьте себя цепочкой: мышцы изменили объём — изменилось давление — воздух переместился.

Ошибка 2. Путать вдох и выдох, меняя местами объём и давление. При вдохе объём увеличивается, а давление уменьшается; при выдохе наоборот. Полезно мысленно сравнить давление в лёгких с атмосферным.

Ошибка 3. Приравнивать ЖЕЛ к объёму одного спокойного вдоха. ЖЕЛ включает дыхательный объём и два резервных объёма, поэтому она значительно больше обычной порции воздуха. Проверьте наличие всех трёх слагаемых в формуле.

Ошибка 4. Складывать остаточный объём с ЖЕЛ. Остаточный воздух нельзя выдохнуть даже после максимального усилия, поэтому в ЖЕЛ он не входит. Если объём нельзя удалить выдохом, его нельзя включать в эту величину.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать строение дыхательной системы, роль лёгких и плевральной полости, а также свойства мышечной ткани. Это помогает понять, почему лёгкие следуют за движениями грудной клетки.

Дальше знания пригодятся при изучении газообмена, переноса кислорода и углекислого газа кровью, регуляции дыхания и влияния физической нагрузки на организм.

Связь с физикой проявляется в движении воздуха по разности давления. При увеличении занимаемого газом объёма его давление уменьшается, а при уменьшении объёма повышается.

Что запомнить

• Вдох происходит при увеличении объёма грудной клетки и снижении давления в лёгких.
• Выдох происходит при уменьшении объёма грудной клетки и повышении давления в лёгких.
• Главная дыхательная мышца — диафрагма.
• При спокойном выдохе мышцы обычно расслабляются, а лёгкие возвращаются к исходному объёму благодаря упругости.
• ЖЕЛ = ДО + РОВД + РОВЫ.
• Жизненную ёмкость лёгких измеряют с помощью спирометра.
• ЖЕЛ зависит от возраста, пола, роста, тренированности и состояния здоровья.