Структура и функция дыхательной системы

Ваша дыхательная система объединяется с сердечно-сосудистой системой, обеспечивая условия, необходимые крови для газообмена. Грубо говоря, все газы поступают в наш организм и выводятся из него через легкие. Это относится ко всем газам, вдыхаемым нами или находящимся в наших тканях, включая важнейшие компоненты обмена веществ - кислород и углекислый газ. Далее в этой главе мы более подробно рассмотрим то, как азот и гелий проникают в наши ткани и удаляются из них через легкие, что напрямую влияет на необходимость использования декомпрессионных таблиц и подводных компьютеров для предотвращения декомпрессионной болезни.

Начнем с основной последовательности явлений, вовлеченных в физиологический процесс дыхания. Вы делаете вдох в тот момент, когда ваш организм регистрирует увеличение содержания углекислого газа и/или уменьшение содержания кислорода в вашей крови и тканях.

Рефлекторный дыхательный центр, находящийся у вершины спинного мозга, в основном контролирует дыхание путем стимуляции позыва на вдох в тот момент, когда регистрируется повышение содержания углекислого газа выше определенного уровня.

Периферические хеморецепторы других частей вашего тела отслеживают уровень содержания кислорода и сообщают дыхательному центру, если парциальное давление кислорода опускается ниже определенного уровня. Снижение содержания кислорода, зарегистрированное периферическими хеморецепторами, а также наличие высокой концентрации углекислого газа, совместно влияют на рефлекторный дыхательный центр, который, в свою очередь, стимулирует дыхание.

Важно заметить, что в норме дыхание контролируется содержанием углекислого газа, а не кислорода. В случае если периферические хеморецепторы регистрируют снижение уровня кислорода, но рефлекторный дыхательный центр оценивает концентрацию углекислого газа как приемлемую, ваш дыхательный центр может не начать стимуляцию дыхания. С другой стороны, даже если уровень содержания кислорода остается в пределах нормы, чрезмерная концентрация углекислого газа заставит рефлекторный дыхательный центр стимулировать дыхание. Это имеет особое значение в условиях погружений на задержке дыхания (фридайвинг), а также при использовании ребризеров замкнутого цикла.

При повышении уровня углекислого газа в крови, ваш дыхательный центр стимулирует вдох. При этом диафрагма, которая представляет собой большую мышцу, отделяющую грудную полость от брюшной, смещается вниз, что увеличивает внутренний объем грудной клетки. Изменение объема и снижение уровня внутреннего давления заставляет воздух проникать внутрь, чтобы обеспечить равенство давления между пространством внутри легких и окружающей средой. Выдох представляет собой обратный процесс: диафрагма расслабляется, позволяя легким уменьшиться и заставляя воздух выходить наружу так же, как если бы он выходил из воздушного шарика.

При вдохе воздух проходит через полость рта или носа, а затем - через придаточные пазухи, где он увлажняется и очищается. Из наружных дыхательных путей воздух попадает в трахею, минуя надгортанник, находящийся в глотке. Надгортанник исполняет роль клапана между трахеей и пищеводом (ведущим в желудок), предотвращая вдыхание жидкостей и пищи. Трахея разделяется на левый и правый бронхи, ведущие к легким.

Легкие, обычно представляемые в виде воздушных шариков, на самом деле больше похожи на две большие губки, расположенные внутри защитной клетки, образованной ребрами. В легких бронхи продолжают делиться на более мелкие дыхательные пути, называемые бронхиолами. Бронхиолы оканчиваются альвеолами, представляющими собой мешочки, опутанные легочными капиллярами. Здесь происходит газообмен между воздухом и кровью.

Газы циркулируют между альвеолами и капиллярами, проникая через мембраны, составляющие альвеолярные и капиллярные стенки. Эти мембраны настолько тонкие, что газы могут проникать сквозь них, перемещаясь между полостью альвеол и кровотоком. Таким образом, между кровью и альвеолами происходит постоянный обмен кислородом и углекислым газом, и при этом нет непосредственного контакта между кровью и воздухом (или другой смесью газов, которой вы дышите). Обмен газами между кровью и альвеолярным воздухом происходит посредством диффузии — естественного стремления газов к перемещению из области с большим парциальным давлением в область с меньшим парциальным давлением.

Без диффузии этот важнейший для жизнедеятельности процесс был бы невозможен. Для того чтобы обеспечить максимальную площадь соприкосновения для быстрой диффузии газов, существует огромное множество альвеол и капилляров. Если бы все альвеолы можно было разрезать и разложить на плоскость, их общая поверхность заняла бы весь пол в вашей гостиной. Несмотря на столь большую площадь, в норме дыхательная и сердечно-сосудистая системы при каждом вдохе используют только 15-20% доступного кислорода. Искусственное дыхание изо рта в рот эффективно, поскольку в выдыхаемом воздухе все еще содержится около 80-85% от изначального содержания кислорода, что вполне достаточно для поддержания жизни.

Частота дыхания изменяется в зависимости от того, какое количество углекислого газа выделяют ткани, что, в свою очередь, напрямую зависит от количества затрачиваемой вами энергии. В состоянии покоя человек делает 12-20 вдохов в минуту, а во время физических упражнений частота дыхания возрастает по мере того, как мышечная система быстрее поглощает кислород и производит углекислый газ. Рефлекторный дыхательный центр поддерживает высокую частоту вдохов до тех пор, пока концентрация углекислого газа не возвращается к нормальному значению.

То, насколько часто и глубоко вы дышите, также зависит от уровня вашей физической активности. Как вам уже известно, вы дышите глубже и чаще, когда тренируетесь или находитесь под действием стресса. Так происходит потому, что под действием стресса повышается потребность тканей в кислороде и увеличивается производство углекислого газа. Физиологи называют объем газа, который вы вдыхаете и выдыхаете при нормальных условиях, рабочим объемом легких. Жизненная емкость легких — максимальный объем воздуха, который вы можете выдохнуть после максимального вдоха. Количество воздуха, остающееся в легких после максимального выдоха называется остаточным объемом легких. Понятия рабочего объема и остаточного объема легких имеют прямое отношение к некоторым реакциям нашего организма, связанным с дайвингом.