Функция дыхательной системы заключается в передаче кислорода из воздуха, которым мы дышим, в нашу кровь и, в конечном итоге, в наши клетки. Для нормального функционирования нашим клеткам требуется постоянное снабжение кислородом, а они, в свою очередь, вырабатывают углекислый газ в качестве побочного продукта, который должен быть удалён из организма. Чтобы понять, как работает дыхательная система, мы должны сначала разобраться в том, как она устроена и за что отвечает каждая из её частей.
ДЫХАТЕЛЬНЫЕ ПУТИ
Дыхательная система включает в себя дыхательные пути, альвеолы, артерии, капилляры, вены и органы нейромышечного контроля, поддерживающие и регулирующие её правильное функционирование. Дыхательные пути включают нос, рот, гортань, трахею, главные правый и левый бронхи, бронхи, бронхиолы и терминальные бронхиолы.
Все это оканчивается микроскопическими мешочками -Альвеолами, где происходит газообмен. Как виноград на лозе, альвеолы прикреплены к бронхиолам. Альвеолы – это миллионы крошечных шарообразных мешочков, каждый из которых состоит из очень тонкой мембраны, окутанной густой сетью капилляров. Альвеолы и связанные с ними капилляры образуют основу легочной системы, так как они являются основной точкой газообмена. В общей сложности альвеолы среднего взрослого человека имеют площадь около 70 квадратных метров.
НЕЙРОМЫШЕЧНАЯ СИСТЕМА
Нейромышечная система – это общий термин, охватывающий дыхательный центр головного мозга и дыхательные нервы и мышцы. Рёбра, в числе других органов, защищают лёгкие, и предназначены для работы с дыхательной мускулатурой, чтобы помогать лёгким расширяться и сжиматься. Основные дыхательные мышцы - это куполообразная диафрагма и межреберные мышцы.
Диафрагма располагается в основании грудной клетки и отделяет грудную полость от брюшной полости. Межрёберные мышцы, как следует из названия, проходят между рёбрами. Некоторые мышцы шеи и грудной клетки также участвуют в дыхании, но они считаются вторичными.
Дыхательный центр головного мозга, располагающийся в продолговатом мозге (medulla oblongata) и варолиевом мосту (pons), является центром, контролирующим и регулирующим все аспекты дыхания.
Основным стимулом, который диктует частоту и глубину нашего дыхания, является количество углекислого газа (по кислотности), обнаруженного в артериальной крови.
Когда уровень углекислого газа высок, дыхательный центр посылает всё большее число сигналов дыхательным мышцам, стимулируя их увеличить частоту и глубину дыхания до тех пор, пока не выявится снижение уровня углекислого газа. После стабилизации уровня, дыхание возвращается в норму. Эмоциональные факторы, такие, как тревога, стресс и паника, могут вызвать увеличение или уменьшение частоты дыхания, как при химических и фармакологических механизмах.
Вдох - это активный процесс; он требует от нас энергозатрат для сокращения наших мышц. Во время вдоха межреберные мышцы сокращаются, что вызывает расширение рёбер. Диафрагма также сокращается, опускаясь ближе к брюшной полости. Легкие реагируют на увеличение пространства расширением, что снижает в них внутреннее давление, по сравнению с атмосферой. Этот перепад давления заставляет воздух поступать в легкие.
Напротив, выдох является пассивным процессом. Когда дыхательные мышцы расслабляются, рёбра и диафрагма возвращаются в своё обычное положение, повышая тем самым давление в лёгких и позволяя воздуху пассивно выходить наружу.
ГАЗООБМЕН
Как уже говорилось ранее, в воздухе, которым мы дышим в обычных условиях, содержится примерно 78,1 процента азота, 20,9 процента кислорода, а также один процент остаточных газов, таких как аргон, углекислый газ и водяной пар. Более близкое значение кислорода в нормальных условиях – 20,95%, азота – 78,08%, углекислого газа – 0,04%. Остаток – следы других газов. Соответствующее парциальное давление, выраженное в mmHg (миллиметры ртутного столба):
- Кислород = 159,22 mmHg
- Азот = 593,408 mmHg
- Углекислый газ = 0,304 mmHg
Как и ожидалось, процент, и, следовательно, парциальное давление кислорода и углекислого газа значительно отличаются в выдыхаемом воздухе. Приблизительный процент кислорода в выдыхаемом газе составляет 16,3%, а углекислого газа - 4,5%. Это соответствует парциальным давлениям:
- Кислород = 123,88 ммHg,
- Углекислый газ = 34,2 ммHg
Так как организм не использует азот для своих целей, его количество в вдыхаемом и выдыхаемом воздухе остаётся практически неизменным. Тем не менее, азот поглощается и присутствует в крови и тканях организма, что при отсутствии контроля представляет потенциальную проблему для дайверов. В действительности, дополнительный азот, поглощённый нашими тканями во время погружения, является основной причиной, по которой мы придерживаемся определённых времени и глубины с целью предотвращения декомпрессионной болезни.
Газообмен происходит между капиллярами и альвеолярной стенкой через дыхательную мембрану. Обмен обеспечивается за счёт градиента давления – разницы между парциальным давлением кислорода в альвеолярном газе и парциальным давлением кислорода в крови. То же самое верно и для обмена углекислого газа.
Газ, как правило, перемещается через проницаемые мембраны, где имеется градиент, от высокого давления к низкому, до достижения равновесия. Кровь, идущая от сердца через лёгочную артерию, имеет пониженную концентрацию кислорода и повышенную концентрацию углекислого газа по сравнению с только что поступившим в лёгкие воздухом. Через дыхательную мембрану кислород поступает из альвеол в кровь. Углекислый газ через дыхательную мембрану поступает из капилляров в альвеолы, чтобы быть удалённым при выдохе.
В организме нормального человека процесс достижения газового равновесия занимает около 0,25 секунды. Аналогичный процесс происходит на клеточном уровне – он называется системным газообменом.
Когда насыщенная кислородом кровь достигает расположенных в тканях капилляров, кислород, вследствие его высокой концентрации в крови, перемещается через стенки клеток из артериальной крови в клетки, где концентрация кислорода понижена. Клетки производят углекислый газ, побочный продукт метаболизма, который удаляется из тела клетки в капилляры вследствие градиента давлений углекислого газа. По окончании этого процесса, лишенная кислорода венозная кровь возвращается обратно к сердцу, откуда через лёгочную артерию перекачивается к лёгким, и процесс начинается заново.
УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ
Легочные артерии несут кровь с низким парциальным давлением кислорода и повышенным парциальным давлением углекислого газа от сердца к капиллярам легких, где при нормальных условиях удаляется углекислый газ и восполняется запас кислорода.
Лёгочные вены переносят насыщенную кислородом кровь от лёгких обратно к сердцу, для дальнейшего её распространения по артериям к остальным частям тела.
Красные кровяные тельца, которые содержатся в плазме крови (жидкости), переносят молекулы кислорода. Эти клетки содержат вещество под названием гемоглобин, который обладает способностью химически связываться с молекулами различных газов, среди которых надо отметить кислород. Проходя через дыхательную мембрану, кислород почти мгновенно связывается с гемоглобином. При нормальных условиях газы не существуют в крови в виде пузырьков. Транспортировка газа в крови осуществляется на молекулярном уровне. Кислород, азот и углекислый газ присутствуют в крови в виде молекул и в некоторых случаях связываются с другими молекулами.
Углекислый газ может представлять чрезвычайную опасность, если его парциальное давление превысит определённый порог. Поэтому он должен быстро выводиться из организма. Как мы уже обсуждали, уровень углекислого газа в крови является основным фактором, влияющим на частоту дыхания в обычных условиях.
Гиперкапния, то есть избыток углекислого газа в крови, может возникать по многим причинам, включая затруднённое и прерывистое поверхностное дыхание. Плохо обслуженный или неисправный регулятор может стать причиной повышения уровня углекислого газа. Короткое неглубокое дыхание вызывает накопление углекислого газа быстрее, потому что большинство газа, который, как правило, вдыхается и выдыхается при таком дыхании, является газом из анатомически мертвого пространства – это пространство между ртом и бронхиолами, не участвующее в альвеолярном газообмене. Если такое поверхностное дыхание продолжается, то выдыхаемый воздух, насыщенный углекислым газом, остается в анатомически мертвом пространстве и возвращается в альвеолы с каждым последующим вдохом, увеличивая выраженность гиперкапнии. Дайвер, который с целью экономии газа дышит с задержками, делает более редкие, чем следует, вдохи, что также приведет к росту концентрации углекислого газа в его организме.
Повышенная плотность вдыхаемого воздуха и увеличение сопротивления выдоху за счет увеличения плотности газа во время погружения, также может привести к ухудшению газообмена. Например, представим себе наполовину заполненную людьми комнату с одной дверью. Её можно освободить легче и быстрее, чем комнату, полную людей. Потому что, если комната до конца заполнена, то её придётся освобождать от в два раза большего числа людей. По мере погружения дайвера в глубину, плотность вдыхаемого им газа возрастает. Более плотный газ сложнее вдыхать и он требует больше усилий при выдохе. Плохо обслуженное оборудование может усугубить трудности, связанные с вдыханием и выдыханием плотного газа.
Симптомы гиперкапнии часто включают головную боль, тошноту и сонливость. Более тяжелые случаи могут включать тремор, спазмы в груди и потерю сознания. Немедленной помощью при гиперкапнии является обеспечение 100% кислородом. При изменении уровня сознания или при потере сознания дайвером, следует обратиться за неотложной медицинской помощью.
Для предотвращения развития гиперкапнии рекомендуется использовать высококачественное и хорошо обслуженное оборудование, а также сохранять нормальное дыхание – глубокое и медленное, не задерживая его с целью увеличения продолжительности погружения. Не погружайтесь глубже, чем запланировали, и избегайте повторных глубоких погружений в течение одного дня.
Тревога, стресс и паника во время пребывания под водой могут привести к гипервентиляции – глубокому и быстрому дыханию, что приведёт к снижению уровня углекислого газа в организме. Гипервентиляция может быть сознательной или, в случае паники, непроизвольной. Понижение уровня углекислого газа в крови и тканях приведёт к угнетению дыхательного стимула. Фридайверы часто гипервентилируются перед погружением, поскольку так они могут дольше задерживать дыхание без физиологического импульса на вдох.
Гипервентиляция, намеренная или непреднамеренная, может быть очень опасна. Апноэ — временное прекращение дыхания после избыточной гипервентиляции, замедляет дыхательный стимул. Это может привести к гипокапнии — пониженному содержанию углекислого газа в крови и потере сознания. Непреднамеренная гипервентиляция в результате тревоги или паники может быстро выйти из-под контроля и привести к еще большей гипервентиляции и последующей потере сознания.
Лучший способ предотвратить гипокапнию - это нормально дышать в течение всего погружения.
Если вы заметили, что дышите глубже и быстрее, чем обычно, остановитесь, подумайте, расслабь- тесь и восстановите нормальное дыхание.
СИСТЕМА КРОВООБРАЩЕНИЯ
Кровеносная система отвечает за транспортировку крови, питательных веществ и отходов в организме. Она состоит из сердца, артерий, вен и капилляров.
Сердце – это полая мышца, которая в обычных условиях ритмично сокращается и проталкивает кровь через артерии ко всем частям организма. Кровь возвращается к сердцу по венам, где имеются односторонние клапаны, предотвращающие противоток крови и обеспечивающие её постоянный приток к сердцу.
Сердце является главным органом сердечно-сосудистой системы и располагается в грудной полости между лёгкими, над диафрагмой. Сердце имеет четыре камеры: правое и левое предсердия, и левый и правый желудочки.
Предсердия находятся выше желудочков и обладают самым маленьким размером из четырех камер. Сердце разделено продольно: правое предсердие и правый желудочек отделены от левого предсердия и левого желудочка.
Между предсердиями и желудочками расположены односторонние предсердно-желудочковые клапаны или AV-клапаны. Кровь от тела и лёгких поступает в сердце через предсердие по венам, а покидает через желудочки и прокачивается к телу и легким. То есть, кровь в артериях движется центробежно - от центра, в то время как кровь в венах двигается центростремительно – к центру.
По мере удаления артерий от сердца, они переходят в артериолы. Артериолы, в отличие от артерий, имеют большее разветвление и меньший диаметр. Далее артериолы продолжают уменьшаться в диаметре и становятся артериальными капиллярами.
Капилляры настолько малы, что красные кровяные клетки выстраиваются друг за другом, чтобы пройти через них. По мере прохождения, красные кровяные тельца лишаются кислорода, а капилляры становятся венозными капиллярами. Капилляры являются точкой перехода между артериолами и венозной системой. Маленькие сосуды соединяются в сосуды большего диаметра, называемые венами.
Обычно считается, что артериальная кровь богата кислородом, а венозная бедна. Из этого есть два исключения: лёгочная артерия и лёгочная вена.
Легочная артерия берет начало от правого желудочка сердца и несет богатую углекислым газом кровь в легкие. Внутри легких легочная артерия разветвляется на многочисленные сосуды, которые далее образуют сеть, словно паутинкой из микроскопических артериол окутывающую стенки альвеол.
Затем кровь насыщается кислородом, поскольку эритроциты проходят через капилляры, и возвращается в сердце через легочную вену. Лёгочная вена впадает в левое предсердие сердца.
Кровь проталкивается сердечной мышцей через левый AV-клапан (двустворчатый / митральный) в левый желудочек, который затем нагнетает обогащенную кислородом кровь в аорту, откуда она по артериям и артериолам распространяется к остальным частям тела. В больших основных артериях кровь движется со скоростью около 30 сантиметров в секунду, в значительной степени, благодаря упругим свойствам артерий. После того, как кровь достигает артериол, скорость замедляется до миллиметра в секунду, чтобы обеспечить процесс газообмена. В этот момент происходит обмен газом, питательными веществами и передача отходов между тканями и кровью.
Кровь движется по венам и возвращается в правое предсердие сердца через полую вену. Затем она поступает в правый желудочек, откуда направляется в легкие, чтобы снова насытиться кислородом через легочную артерию.
Хотя сказанное охватывает то, что нам, как дайверам, нужно знать о дыхании, в реальности физические и физиологические процессы гораздо более глубоки.
Литература
Advanced Open Water Diver [2016]
