Трохи відомостей про анатомію і фізіологію дихальної системи
Анатомія дихальної системи
До дихальній системі людини відносять всі структури, які забезпечують доставку в організм атмосферного кисню і обмін його на вуглекислий газ, що утворюється в процесі життєдіяльності організму. Ця система складається з наступних структур:
• повітроносні порожнини і трубки - порожнину носа, носоглотка, гортань, трахея, бронхи (рис. 1);
• функціональна легенева тканина, в якій, власне, і відбувається обмін кисню і вуглекислого газу [1];
• грудна клітка і дихальна мускулатура.
Воздухоносной порожнину починається порожниною носа, триває в носоглотку, потім в гортань, яка переходить в трахею (див. Рис. 1). Трахея, після входження в грудну клітку, розділяється на два головних бронхи. кожен з яких входить до відповідної легке. Далі бронхи послідовно діляться (розгалужуються) 16 - 18 разів і утворюють бронхіальне дерево.
Мал. 1. Органи грудної клітини; вигляд спереду:
1 - правий головний бронх; 2 - праву легеню; 3 - стравохід; 4 - гортань; 5 - носоглотка; 6 - порожнина носа; 7 - мова; 8 - трахея; 9 - ліва легеня; 10 - лівий головний бронх; 11 - бронхіоли; 12 - діафрагма; 13 - ацинус (в збільшеному масштабі см. Рис. 3)
Стінки бронхів складаються з трьох оболонок (рис. 2): слизової, фіброзно-м'язово-хрящової і зовнішньої сполучнотканинної (адвентициальной) оболонки [2]. Слизова оболонка бронха вистелена війчастим клітинами. кожна з яких містить на своїй поверхні близько 200 відростків, що нагадують вії діаметром 0,3 мкм [3] і довжиною близько 6 мкм.
Мал. 2. Поперечний зріз стінки бронха:
1 - фіброзно-м'язово-хрящової шар; 2 - слизова оболонка; 3 - просвіт бронха; 4 - війчасті клітини
Фіброзно-м'язово-хрящової шар є жорстким структурним каркасом бронха, який складається з незамкнутих хрящових півкілець, з'єднаних в кільця гладкими м'язами. Така конструкція дозволяє змінювати діаметр бронха, скорочуючи м'язи. Між собою хрящові кільця з'єднані фіброзною тканиною.
У міру зменшення діаметра бронха кількість хрящових кілець і їх розміри зменшуються, а кількість м'язових клітин збільшується.
В стінках бронхів проходять кровоносні судини і нерви, а також міститься безліч спеціальних клітин, які виконують різні функції. Наприклад, клітини виробляють захисну слиз, огрядні клітини, що містять біологічно активні речовини та ін.
Найбільш дрібні бронхи називають бронхіолами (рис. 3). Розрізняють кінцеві і дихальні бронхіоли. які тривають в альвеолярний хід. перехідний в альвеоли. Альвеола [4] - це дихальний бульбашка, оточений мережею дрібних кровоносних судин - капілярів. Між стінками альвеол і капілярів відбувається обмін кисню і вуглекислого газу.
Мал. 3. Структура ацинуса:
1 - альвеолярний мішечок; 2 - кінцева бронхіола; 3 - дихальна бронхіола; 4 - альвеолярний хід; 5 - альвеоли
Анатомічне утворення, що складається з кінцевої бронхіоли, дихальної бронхіоли, альвеолярного ходу і альвеоли, називають легеневим ацинусів.
Розмір одного ацинуса - близько 1,5 мм. Ацинус є структурною одиницею функціональної тканини легені. Таку тканину, що складається з ацинусів, також називають легеневої паренхіми. В обох легенів близько 800 тис. Ацинусів, що містять понад 700 млн альвеол. Завдяки дивно компактної архітектурі легких, дихальна поверхня альвеол складає більше 100 м 2 (при глибокому диханні), а поверхня мережі капілярів перевищує 80 м 2. Така площа дозволяє забезпечувати організм киснем навіть при значних навантаженнях.
Між грудною кліткою і легкими існує невелике замкнутий щелевидное простір, яке називають плевральної порожниною (рис. 4). Вона утворена двома листками, що переходять один в одного: пристеночной плеври (покриває зсередини грудну клітку) і легеневої плеври (покриває легені). У нормі ця порожнина містить невелику кількість рідини, яка виконує роль мастила при русі легенів і грудної клітини.
Мал. 4. Поперечний зріз органів грудної клітини на рівні серця:
1 - плевральна порожнина; 2 - листок пристеночной плеври; 3 - листок легеневої плеври; 4 - праву легеню; 5 - заднє середостіння; 6 - тіло хребця; 7 - спинний мозок; 8 - стравохід; 9 - аорта; 10 - легенева артерія; 11 - переднє середостіння; 12 - ліва легеня; 13 - ребро; 14 - серце; 15 - грудина
Область грудної порожнини, розташована між легкими і обмежена спереду грудиною, а ззаду хребтом, називають средостением (див. Рис. 4). Розрізняють переднє середостіння. в якому містяться серце, висхідна частина аорти, великі вени і діафрагмальні нерви. У задньому середостінні знаходяться: грудна частина низхідної аорти і її гілки, стравохід, вени, нервові стовбури.
Знизу легкі відмежовані від органів черевної порожнини діафрагмою (див. Рис. 1), яка представляє собою сухожильно-м'язову освіту. Діафрагма, м'язи грудної клітки і передньої черевної стінки беруть участь в акті дихання, і їх називають дихальної мускулатурою.
Управляє диханням нервова система в такий спосіб. Одна частина нервової системи активізує дихання, а інша частина пригнічує дихання. Для того щоб зрозуміти, як це відбувається, необхідно коротко описати функціональні особливості нервової системи людини. Згідно анатомічної класифікації, нервову систему поділяють на центральну і периферичну. Центральна нервова система складається з головного і спинного мозку, а периферична нервова система представлена 12 парами черепномозкових і 31 парою спинномозкових нервів. Черепномозкові нерви беруть початок в головному мозку, а спинномозкові - в спинному мозку. Черепномозкові нерви нумеруються римськими цифрами і мають також власні назви. Іннервація легких здійснюється X парою черепномозкових нервів, які називають блукаючим нервом. і спинномозковими нервами.
Центральні та периферичні відділи нервової системи виконають різні функції. Французький вчений М. Біша [5] запропонував класифікацію, в якій розділив нервову систему, в залежності від виконуваних функцій, на дві підсистеми - соматичну і вегетативну (рис. 5). Ці дві підсистеми включають в себе центральні структури, розташовані в головному і спинному мозку, і периферичні структури.
Соматична нервова система іннервує головним чином кістки, скелетні м'язи (поперечно-смугасту мускулатуру), шкіру і забезпечує зв'язок організму з зовнішнім середовищем.
Вегетативна нервова система іннервує всі внутрішні органи, гладкі м'язи, кровоносні судини. Вегетативна нервова система керує функціями внутрішніх органів і підтримує постійність внутрішнього середовища. Вегетативна нервова система має дві підсистеми: симпатичну і парасимпатичну. Діяльність симпатичної нервової системи переважає в момент напруги, мобілізації, віддзеркалення загрози. Парасимпатична нервова система активізується, коли організм відпочиває. При активації симпатичної нервової системи збільшується частота серцевих скорочень, підвищується артеріальний тиск, посилюється вентиляція легенів за рахунок розширення просвітів бронхів, прискорюється травлення, збільшується інтенсивність обміну речовин і т. П. Т. Е. В організмі переважають катаболические процеси.
Мал. 5. Відділи нервової системи
Коли виникає потреба відпочити і набратися сил, активізується парасимпатична нервова система. яка знижує частоту серцевих скорочень, звужує просвіт бронхів, сповільнює травлення, зменшує інтенсивність обміну речовин і т. п. т. е. в організмі переважають анаболічні (синтетичні) процеси. Інакше кажучи, симпатична система витрачає енергію з метою активізації організму, а парасимпатична сприяє відновленню розтраченої енергії і створення її запасів в момент відпочинку. Активність симпатичної системи більш виражена в денний час, а парасимпатичної в нічний час. Таким чином підтримується функціональне рівновагу внутрішніх органів.
Зв'язок між нервами і органами здійснюється за допомогою спеціальних структур - синапсів і рецепторів. Виниклий в центральній нервовій системі керуючий імпульс проходить по нервовому волокну до самого його закінчення. На кінчику нервового волокна є спеціальну освіту, яке називають синапсом. Синапс реагує на керуючий імпульс виділенням хімічної речовини - передавача (медіатора), який сприймається рецептором внутрішнього органу. І вже цей рецептор, отримавши сигнал, спонукає орган до тієї або іншої дії. У парасимпатическом відділі вегетативної нервової системи таким передавачем є ацетилхолін. а в симпатичної системі - норадреналін. Тому все рецептори поділяються на холінергічні і адренергічні. Ці рецептори знаходяться практично у всіх органах і тканинах, але в різних кількісних співвідношеннях. Оскільки симпатична і парасимпатична нервова система діють антагоністично, то відповідно стимуляція холинорецепторов і блокатори призводить до протилежних ефектів. Так, наприклад, стимуляція холинорецепторов серця призводить до уражень його скорочень, бронхів - до їх звуження. І навпаки, стимуляція адренорецепторів призводить до почастішання серцебиття і розширенню бронхів.
Адренергічні рецептори можуть також активізуватися і при впливі на них різних адренергічних медіаторів (адреналін та ін.), Які передаються не тільки через синапси, а заносяться з потоком крові. У цьому випадку механізм дії наступний. Виділився адреналін, і серце забилося частіше, кровоносні судини розширилися, м'язи бронхів розслабилися, огрядні клітини зменшили виділення біологічно активних речовин. Адреналін виділяється залозами і циркулює в крові, але звідки він знає, на які клітини потрібно впливати, а на які ні? Рецептори і молекули адреналіну (або іншого якого-небудь адренергического медіатора) знаходяться в таких же відносинах, як ключ і замок. Молекули адреналіну, пропливаючи в крові повз клітин, реагують тільки на специфічні рецептори, до яких мають спорідненість - адренорецептори. В іншому випадку клітина такі речовини «не бачить».
Залежно від виконуваних функцій адренергічні рецептори поділяють на підтипи - альфа-адренорецептори і бета-адренорецептори. Локалізація і функції альфа- і бета-блокатори різні.
Альфа-1 - локалізуються в судинах шкіри, нирках, скелетних м'язах, органах черевної порожнини, селезінці. Стимуляція цих рецепторів призводить до спазму артеріол, підвищенню артеріального тиску, вивільненню медіаторів із стовбурових клітин.
Альфа-2 - локалізуються в центральній нервовій системі, їх стимуляція веде до зниження артеріального тиску.
Бета-1 - локалізуються в серці, їх стимуляція призводить до збільшення частоти і сили серцевих скорочень, що призводить до підвищення потреби міокарда в кисні і підвищенню артеріального тиску.
Бета-2 - локалізуються переважно в м'язах бронхів, в судинах головного мозку, серця, легенів. Стимуляція цих рецепторів викликає розширення бронхів, пригнічує виділення біологічно активних речовин із стовбурових клітин.
Після цього невеличкого екскурсу в анатомію і фізіологію нервової системи повернемося до дихальній системі. Отже, активізує дихальну систему симпатична нервова система: розширюються бронхи, частішає серцебиття, посилюється кровообіг, обмін речовин, вивільняється енергія, інтенсифікується обмін вуглекислого газу на кисень. Коли необхідність у активних діях відпадає, то домінує парасимпатична нервова система: бронхи звужуються, уповільнюється серцебиття, знижується інтенсивність кровообігу, енергія накопичується (синтезується), зменшується обмін вуглекислого газу на кисень. Після того як були відкриті рецепторні механізми управління нервовою системою, були створені лікарські препарати, які здатні пригнічувати або стимулювати адренорецептори і холінорецептори [6].
Фізіологія дихальної системи
Як зазначалося в попередньому розділі, дихальна система складається з трьох компонентів - повітроносних шляхів, легеневої паренхіми і грудної клітини з дихальними м'язами. Кожна з цих структур відіграє свою важливу роль в здійсненні дихання.
Перший компонент - повітроносні шляхи. Тут знижується швидкість повітряного потоку, він нагрівається і очищається від чужорідних домішок.
При вдиханні в порожнині носа, носоглотці, трахеї і великих бронхах тип повітряного потоку - турбулентний - хаотичний і віхреобразний, а в дрібних бронхах - ламінарний - упорядкований і спокійний. Тільки при ламінарному типі газотока можливий повноцінний обмін кисню і вуглекислого газу між альвеолами і капілярами. Швидкість і обсяг повітряного потоку регулюються за рахунок зміни інтенсивності роботи дихальної мускулатури і діаметра бронхів (за допомогою симпатичної і парасимпатичної нервової системи, які управляють скороченням або розслабленням гладкої мускулатури). Атмосферне повітря, яке ми вдихаємо, містить 20,94% кисню, 0,03% вуглекислого газу, 79,03% азоту і різних інертних газів (аргон, неон, гелій і ін.). У видихуваному повітрі міститься 16,3% кисню, 4% вуглекислого газу, 79,7% інертних газів і азоту. Як говорив М. Жванецький, «вдихаючи кисень, видихати норовимо всяку гидоту». Але сатирик мав рацію лише частково, оскільки ми не тільки видихаємо «гидоту», а й вдихаємо також «гидоту» - пил, мікроорганізми, дратівливі газоподібні речовини. Тому наш організм змушений постійно захищатися від цих шкідливих домішок.
Робить він це в такий спосіб. Війчастий епітелій, розташований на внутрішній поверхні бронхів, покритий тонким шаром захисної слизу - 5 - 7 мкм. Цей слиз виробляється слизовими залозами, що знаходяться в стінці бронхів. Вії епітелію синхронно рухаються з частотою 160 - 250 разів на хвилину і просувають слиз, змішану з чужорідними частинками у напрямку до трахеї і гортані. В ротоглотці відбувається заковтування цієї суміші, яка потім перетравлюється в шлунку без шкоди для організму. Завдяки цьому механізму чужорідні агенти навіть не потрапляють у внутрішнє середовище організму. Якщо чужорідний агент все-таки вторгається в організм, то за допомогою імунної системи він знешкоджується. Якщо імунна система не в силах впоратися з агентом, що ушкоджує, то виникає запальний процес, за допомогою якого організм прагне локалізувати вогнище ушкодження, не допустити подальшого проникнення в органи і тканини чужорідного агента, ліквідувати наслідки вторгнення і відновити пошкоджені структури [7].
Другий компонент - легенева паренхіма. З точки зору фізики, легенева паренхіма представляє собою подобу еластичного гумового балона, заповнюють повітрям при вдиху. На видиху розтягування легенів припиняється і легенева паренхіма зменшується в розмірах - спадается. При різних захворюваннях, які роблять легеневу паренхіму жорсткої і менш еластичною, вона перестає повністю спадаться, і тому зменшується сила, з якою повітря виходить з легенів. Це відбувається, наприклад, при такому ускладненні бронхіальної астми, як емфізема легенів.
Третій компонент - грудна клітка і дихальна мускулатура. до якої відносять міжреберні м'язи, діафрагму і черевну стінку. У нормі дихальні м'язи працюють тільки на вдиху. При патології, коли утруднюється видих, дихальні м'язи включаються в роботу і прагнуть виштовхнути повітря з легенів. Виникає характерна експіраторна задишка [8].