Энциклопедия здоровья

ДЫХАНИЕ— совокупность процессов, обеспе­чивающих поступление в организм кислорода, использование его в окислительных процессах, удаление из организма образующихся углеки­слого газа и паров воды. Первоначально под дыханием подразумевали лишь внешнее дыхание, т. е. непосредственное вдыхание и выдыхание воз­духа (см. Дыхательная система). Позже под дыханием стали понимать обмен газов между окружа­ющей средой и клеткой, т. е. газообмен, а также сложный комплекс биохимических реак­ций, которые обеспечивают потребление кисло­рода и перевод энергии, полученной при этом, в форму, доступную для биологического исполь­зования (см. Обмен веществ и энергии).

Все животные и человек приспособились добывать энергию из синтезированных расте­ниями органических веществ, поступающих в их организм с пищей. Чтобы использовать энергию, заключенную в молекулах органичес­ких веществ, ее необходимо высвободить, оки­слив эти вещества. Чаще всего в качестве окис­лителя используется кислород воздуха (он со­ставляет почти 21% объема окружающей атмо­сферы). На заре биологической эволюции (бо­лее 600 млн. лет назад) живые организмы были вынуждены извлекать энергию, не пользуясь кислородом воздуха в качестве окислителя. Бескислородный (анаэробный) способ дыхания заключается в том, что молекула органичес­кого вещества расщепляется и окисляется за счет кислорода, содержащегося в самих молекулах. Многие живые организмы, напр. дрожжи, пользуются анаэробным Д. и по сей день. Поскольку при таком дыхании более 90% энергии бесполезно уходит вместе с недоокисленными продуктами обмена, подавляющее большин­ство организмов «перешло» на извлечение энер­гии путем окисления органического вещества кислородом воздуха (аэробный тип дыхания). Вместе с тем иногда возможен возврат к старому (ана­эробному) способу дыхания. Напр., человеческий зародыш получает энергию на самых ранних стадиях развития за счет анаэробного дыхания. Другой пример: при больших физических нагрузках человек дышит весьма интенсивно, однако мышечной ткани все же не хватает кислорода для полного окисления глюкозы (основного источника энергии, поступающей с пищевыми продуктами). Поэтому на помощь приходит анаэробный механизм, окисляющий глюкозу лишь до молочной кислоты. Одышка после значительных физических нагрузок — это «уплата» работавшим мышцам кислородного долга для последующего окисления накопив­шейся молочной кислоты. Анаэробное дыха­ние характерно и для клеток многих видов опухолей.

В обычных условиях для обеспечения аэроб­ного клеточного дыхания необходимо подвести к каждой клетке кислород и обеспечить удаление углекислого газа. В природе известны два спо­соба решения проблемы транспорта газов. У насекомых и многих других членистоногих воз­дух непосредственно поступает ко всем клеткам тела через систему воздуховодных трубок — трахей. Более широко распространен в живой природе опосредованный способ газового транспорта. Суть его в том, что от специализи­рованного органа дыхания (легкие, жабры) кислород переносится кровью (см. Кровь, кроветворная система) к тканям, где кровь забирает накопив­шийся углекислый газ (углекислоту) и транс­портирует его к органам дыхания, откуда он удаляется в окружающую среду.

У человека дыхание включает обмен воздуха между атмосферой и альвеолами легких (вне­шнее дыхание), газообмен между альвеолярным воз­духом и кровью, транспорт газов кровью, обмен газов между кровью и тканями и меха­низм клеточного дыхания.

В покое человек вдыхает и выдыхает 6—9 л воздуха в 1 мин, примерно 5 л крови проходит за это время по мельчайшим кровеносным сосу­дам (капиллярам) легких. В альвеолах легких газообразный кислород переходит в кровь (рас­творяется в крови) легочных капилляров, а углекислый газ — в обратном направлении; молекулы каждого газа движутся из области более высокой их концентрации в область более низкой. Чрезвычайно тонкий слой (ок. 1 мкм) стенок альвеол не оказывает существен­ного сопротивления продвижению газов. В аль­веолах концентрация кислорода в обычных условиях выше, чем в крови, притекающей к легким по легочным капиллярам (содержание кислорода в альвеолярном воздухе практически такое же, как в окружающей атмосфере), поэтому кислород диффундирует (переходит) в кровь. Напротив, концентрация углекислоты в крови всегда выше, чем в атмосферном (аль­веолярном) воздухе. Поэтому углекислый газ в легочных капиллярах будет выходить из крови в альвеолы, а из них в окружающую атмосфе­ру. На следующем этапе кислород, переноси­мый с током крови в различные ткани и орга­ны, начинает переходить из крови в клетки этих тканей и органов, т. к. вследствие постоянной «работы» клеток они непрерывно потребляют кислород и выделяют углекислоту. Концентра­ция кислорода в клетках всегда ниже, чем в при­текающей крови, а концентрация углекислоты выше. Т. о., на всем своем пути от легких через кровь к тканям кислород движется из области его более высокой концентрации в область более низкой и, наконец, утилизируется (по­требляется) в клетках. То же самое и с углеки­слым газом, который движется из работающих органов (т. е. мест более высокой его концент­рации) через кровь к легким, где концентрация его минимальна.

Кислород малорастворим в воде — основной составной части плазмы крови. Подсчитано, что если бы он переносился лишь плазмой кро­ви, то для поддержания жизни человеку массой 70 кг потребовалось бы в 25 раз более мощное сердце, в 20 раз большие легкие и за одну минуту перекачивать более 100 л жидкости (а не те 5 л крови, о которых говорилось выше). Природа нашла способ преодоления этой труд­ности, приспособив для переноса кислорода в углекислоты особое вещество — гемоглобин. Благодаря гемоглобину кровь способна связы­вать кислорода в 70 раз, а углекислого газа — в 20 раз больше, чем жидкая часть крови — ее плазма. Механизм связывания кислорода кровью с участием гемоглобина выглядит сле­дующим образом. Кислород входит в плазму крови легочных капилляров и переходит из нее в эритроциты. Содержащийся в эритроцитах гемоглобин соединяется с кислородом, образуя оксигемоглобин. В результате этого концент­рация свободного кислорода в эритроцитах резко снижается, что обеспечивает поступле­ние в эритроциты новых молекул кислорода. Формируя оксигемоглобин, эритроциты как бы «затягивают» в себя кислород. Поэтому за время прохождения крови по легочному ка­пилляру концентрация кислорода в ней воз­растает.

Процесс соединения кислорода с гемоглоби­ном и расщепление образующегося при этом оксигемоглобина регулируются двумя фактора­ми: общим количеством кислорода и в меньшей степени количеством углекислоты. В легких, где концентрация кислорода относительно высока, образуется оксигемоглобин. В тканях, где концентрация кислорода очень низка, окси­гемоглобин расщепляется, освобождая кисло­род, который диффундирует в ткани. Углекислый газ, образующийся в тканях в процессе жизне­деятельности, переходит в кровь и поступает в эритроциты. Часть углекислого газа (углеки­слоты) соединяется с гемоглобином, образуя карбогемоглобин, и доставляется в легкие. Дру­гая (большая) часть углекислого газа в эритро­цитах при участии содержащегося в них фер­мента карбоангидразы превращается в соли угольной кислоты (бикарбонаты), которые переходят в плазму крови и с током ее транспортируются в легкие. В легочных капиллярах бикарбонаты при участии того же фермента карбоангидразы распадаются. Образующийся при этом углеки­слый газ переходит в альвеолярное простран­ство, откуда с выдыхаемым воздухом удаляется в окружающую среду. Аналогично и углеки­слый газ, доставленный гемоглобином в легкие (т. е. карбогемоглобин), отщепляется от него, переходит в альвеолярное пространство, а оттуда — в окружающую среду.

В покое, при незначительной физической нагрузке кровь отдает тканям не весь кислород, а всего лишь около 40%. При увеличении нагрузки усиливается использование кислорода.

Патология дыхания проявляется измене­нием его глубины, частоты и ритма. Учащение дыхания (тахипноэ) и урежение (брадипноэ) возникают при нарушении деятельности дыха­тельного центра, расположенного в продолго­ватом мозге. Кроме того, после форсирован­ного дыхания вследствие ослабления раздраже­ния дыхательного центра, обусловленного сни­жением концентрации углекислого газа в лег­ких, может наступить длительное отсутствие дыхательных движений (апноэ). В других слу­чаях, напр. при угнетении дыхательного цент­ра, при различных формах дыхательной недо­статочности наблюдается редкое поверхност­ное дыхание, или олигопноэ.

Для поддержания интенсивности газообмена на достаточном уровне в случае остановки дыхания или его недостаточного объема необ­ходимо прибегнуть к искусственной вентиляции легких.