В выдыхаемом воздухе содержится кислорода. Глава IV. Дыхание
Оставшиеся 1-1,5% объема большей частью приходятся на аргон и углекислый газ, а также незначительное количество других газов - неон, гелий, ксенон и другие. При этом доля углекислого газа в обыкновенном атмосферном воздухе, не подверженном какому-либо воздействию, чаще всего составляет около 0,3% по объему.
Выдыхаемый воздух
При этом состав воздуха, который получается в результате дыхательного процесса человека, существенно отличается от первоначального по содержанию ряда элементов. Так, известно, что в процессе дыхания организм человека потребляет кислород, поэтому закономерно, что его количество в выдыхаемом воздухе оказывается существенно меньше, чем во вдыхаемом. Если в первоначальном составе воздуха содержалось около 21% кислорода, то в воздухе на выдохе его будет лишь порядка 15,4%.
Другое значительное изменение, которое происходит с воздухом в процессе дыхания, касается содержания углекислого газа. Так, если в воздухе, попадающем в организм человека, его содержание обычно не превышает 0,3% объема, то в выходящем из организма воздухе объем углекислого газа достигает 4%. Это связано с тем, что в процессе функционирования человеческого организма его органы и ткани выделяют углекислый газ, который выводится в процессе дыхания. А вот содержание других газов в выдыхаемом воздухе практически не изменяется по отношению к первоначальному. Это связано с тем, что для человеческого организма они являются инертными, то есть никак не взаимодействуют с ним - не усваиваются и не выделяются.
При этом стоит иметь в виду, что воздух, выдыхаемый человеком, изменяет не только свой состав, но и некоторые физические характеристики. Его температура приближается к температуре человеческого тела, которая в норме составляет 36,6оС. Таким образом, если человек вдохнул холодный воздух, его температура повысится, а если горячий - понизится. Кроме того, выдыхаемый воздух обычно характеризуется более высоким уровнем влажности по сравнению с вдыхаемым.
Основными составными частями атмосферного воздуха являются кислород (около 21%), азот (78%), углекислый газ (0,03-0,04%), водяные пары, инертные газы, озон, перекись водорода (около 1%).
Кислород - наиболее составная часть воздуха. При его непосредственном участии протекают все окислительные процессы в организме человека и животных. В покое человек потребляет в минуту примерно 350 мл кислорода, а при тяжелой физической работе количество потребляемого кислорода увеличивается в несколько раз.
Вдыхаемый воздух содержит 20,7-20,9% кислорода, а выдыхаемый - около 15-16%. Таким образом, ткани организма поглощают около 1/4 кислорода, имеющегося в составе вдыхаемого воздуха.
В атмосфере содержание кислорода существенно не изменяется. Растения поглощают углекислый газ и, расщепляя его, усваивают углерод, а освободившийся кислород выделяют в атмосферу. Источником образования кислорода является также фотохимическое разложение водяных паров в верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетового излучения солнца. В обеспечении постоянного состава атмосферного воздуха имеет значение также перемешивание воздушных потоков в нижних слоях атмосферы. Исключение составляют герметически замкнутые помещения, где вследствие длительного пребывания людей содержание кислорода может значительно понижаться (подводные лодки, убежища, герметизированные кабины самолетов и др.).
Для организма важное значение имеет парциальное давление * кислорода, а не его абсолютное содержание во вдыхаемом воздухе. Это обусловлено тем, что переход кислорода из альвеолярного воздуха в кровь и из крови в тканевую жидкость происходит под влиянием разницы в парциальном давлении. Парциальное давление кислорода уменьшается с увеличением высоты местности над уровнем моря, (таблица 1).
Таблица 1. Парциальное давление кислорода на разных высотах
Большое значение имеет использование кислорода для лечения заболеваний, сопровождающихся кислородным голоданием (кислородные палатки, ингаляторы).
Углекислый газ. Содержание углекислого газа в атмосфере достаточно постоянно. Это постоянство объясняется круговоротом его в природе. Несмотря на то, что процессы гниения, жизнедеятельности организма сопровождаются выделением углекислого газа, значительного увеличения его содержания в атмосфере не происходит, так как углекислый газ усваивается растениями. При этом углерод идет на построение органических веществ, а кислород поступает в атмосферу. В выдыхаемом воздухе содержится до 4,4% углекислого газа.
Углекислый газ - физиологический возбудитель дыхательного центра, поэтому при искусственном дыхании его в незначительном количестве добавляют к воздуху. В больших количествах он может оказывать наркотическое действие и вызывать смерть.
Углекислый газ имеет и гигиеническое значение. По его содержанию судят о чистоте воздуха жилых и общественных помещений (т. е. помещений, где находятся люди). При скоплении людей в плохо вентилируемых помещениях параллельно накоплению углекислого газа в воздухе увеличивается содержание других продуктов жизнедеятельности человека, повышается температура воздуха и увеличивается его влажность.
Установлено, что если содержание углекислого газа в воздухе помещений превышает 0,07-0,1%, то воздух приобретает неприятный запах и может нарушить функциональное состояние организма.
Параллельность изменения перечисленных свойств воздуха жилых помещений и возрастания концентрации углекислого газа, а также простота определения его содержания позволяют использовать этот показатель для гигиенической оценки качества воздуха и эффективности вентиляции общественных помещений.
Азот и другие газы. Азот является основной составной частью атмосферного воздуха. В организме он находится в растворенном состоянии в крови и тканевых жидкостях, но не принимает участия в химических реакциях.
В настоящее время экспериментально установлено, что в условиях повышенного давления азот воздуха вызывает у животных расстройство нервно-мышечной координации, последующее возбуждение и наркотическое состояние. Аналогичные явления исследователи наблюдали у водолазов. Применение для дыхания водолазов гелио-кислородной смеси позволяет увеличить глубину спуска до 200 м без выраженных симптомов интоксикации.
При электрических грозовых разрядах и под влиянием ультрафиолетовых лучей солнца в воздухе образуется незначительное количество других газов. Гигиеническое значение их сравнительно невелико.
* Парциальным давлением газа в смеси газов называется то давление, которое производил бы данный газ, если бы он занимал весь объем смеси.
Атмосферный воздух , который вдыхает человек, находясь вне помещения (или в хорошо вентилируемых помещениях), содержит 20,94% кислорода, 0,03% углекислого газа, 79,03% азота. В закрытых помещениях, заполненных людьми, процентное содержание углекислого газа в воздухе может быть несколько выше.
Выдыхаемый воздух содержит в среднем 16,3% кислорода, 4% углекислого газа, 79,7% азота (эти цифры приведены в перерасчете на сухой воздух, т. е. за вычетом паров воды, которыми всегда насыщен выдыхаемый воздух).
Состав выдыхаемого воздуха весьма непостоянен; он зависит от интенсивности обмена веществ организма и от объема легочной вентиляции. Стоит сделать несколько глубоких дыхательных движений или, напротив, задержать дыхание, чтобы состав выдыхаемого воздуха изменился.
Азот в газообмене не участвует, однако процентное содержание азота в видимом воздухе на несколько десятых долей процента выше, чем во вдыхаемом. Дело в том, что объем выдыхаемого воздуха несколько меньше, чем объем вдыхаемого, а потому то же самое количество азота, распределяясь в меньшем объеме, дает больший процент. Меньший объем выдыхаемого воздуха по сравнению с объемом вдыхаемого объясняется тем, что углекислого газа выделяется несколько меньше, чем поглощается кислорода (часть поглощаемого кислорода используется в организме на обращение соединений, которые выделяются из организма с мочой и потом).
Альвеолярный воздух отличается от выдыхаемого большим процентом некислоты и меньшим процентом кислорода. В среднем состав альвеолярного воздуха таков: кислорода 14,2-14,0%, углекислого газа 5,5- 5,7%, азота около 80%.
Определение состава альвеолярного воздуха важно для понимания механизма газообмена в легких. Холден предложил простой метод для определения состава альвеолярного воздуха. После нормального вдоха исследуемый делает возможно более глубокий выдох через трубку длиной 1-1,2 м и диаметром 25 мм. Первые порции выдыхаемого воздуха,уходящие через трубку, содержат воздух вредного пространства; последние же порции, остающиеся в трубке, содержат альвеолярный воздух. Для анализа в газоприемник берут воздуха из той части трубки, которая находится ближе всего ко рту.
Состав альвеолярного воздуха несколько различается в зависимости от того, произведён ли забор пробы воздуха для анализа на высоте вдоха или выдоха. Если сделать быстрый, короткий и неполный выдох в конце нормального вдоха, то проба воздуха отразит состав альвеолярного воздуха после наполнения легких дыхательным воздухом, т. е. во время вдоха. Если же сделать глубокий выдох после нормального выдоха, то проба отразит состав альвеолярного воздуха во время выдоха. Понятно, что в первом случае процент углекислого газа будет несколько меньше, а процент кислорода несколько больше, чем во втором. Это видно из результатов опытов Холдена, который установил, что процент углекислого газа в альвеолярном воздухе в конце вдоха составляет в среднем 5,54, а в конце выдоха - 5,72.
Таким оораэом, имеется сравнительно небольшое различие в содержании углекислого газа в альвеолярном воздухе на вдохе и на выдохе: всего на 0,2-0,3%. Это в большой степени объясняется тем, что при нормальном дыхании, как сказано выше, ется всего, обновляется всего 1/7 объема воздуха в легочных альвеолах. Относительное постоянство состава альвеолярного воздуха имеет большое физиологическое значение, что выяснено ниже.
Обмен газов в легких происходит путем диффузии. Газы диффундируют изобласти высокого давления в область низкого давления. В связи с этим кислород проникает из альвеол в венозную кровь, а углекислый газ - из венозной крови в альвеолы. В результате этих процессов кровь обогащается кислородом и становится артериальной.
Транспорт газов кровью. Кислород в основном транспортируется к тканям в составе оксигемоглобина. Небольшое количество углекислого газа переносится в составе карбгемоглобина. Большое количество СО 2 соединяясь с водой, образует угольную кислоту. Угольная кислота в тканевых капиллярах реагирует с солями натрия и калия и превращается в бикарбонаты. Перенос углекислого газа происходит в составе бикарбонатов калия эритроцитов (меньшая часть) и бикарбонатов натрия плазмы (большая часть). Большое значение для образования и распада угольной кислоты имеет фермент карбоангидраза.
Газообмен в тканях происходит по тому же принципу, что и в легких. Диффузия газов в тканях происходит следующим образом. Кислород проникает из крови в тканевую жидкость, а углекислый газ - из тканевой жидкости в кровь. В результате этих процессов клетки тканей обогащаются кислородом, а кровь из артериальной превращается в венозную.
Жизненная емкость легких. При спокойном уровне дыхания между легкими и внешней средой курсирует определенный объем воздуха, называемый дыхательным объемом. Он составляет 500 - 600 мл. После спокойного вдоха человек может дополнительно вдохнуть еще 1500 мл воздуха. Этот объем называют дополнительным объемом вдоха. После спокойного выдоха человек может выдохнуть еще примерно 1500 мл воздуха. Этот объем называется резервным объемом выдоха. Совокупность этих трех объемов составляет жизненную емкость легких (около 3500 мл для взрослого человека).
Общая емкость легких превышает жизненную емкость. Даже при самом глубоком выдохе в легких остается еще примерно 1000 мл так называемого остаточного воздуха.
Дыхательные движения осуществляются благодаря дыхательной мускулатуре, к которой относятся наружные и внутренние межреберные мышцы и диафрагма.
Вдох- активный процесс, при котором происходит сокращение наружных межреберных мышц и диафрагмы. При этом ребра приподнимаются, а диафрагма становится более плоской. В результате объем грудной клетки увеличивается. Давление в плевральной полости падает, и легкие растягиваются. Давление воздуха в них становится ниже атмосферного, и воздух входит в легкие.
При усиленном дыхании в акте вдоха принимают участие все мышцы, способные поднимать ребра и грудину, например, большие и малые грудные мышцы, мышцы плечевого пояса и др.
При выдохе наружные межреберные мышцы и диафрагма расслабляются и сокращаются внутренние межреберные мышцы. Вследствие этого объем грудной клетки уменьшается, легкие сжимаются, давление воздуха в них увеличиваются и воздух выходит наружу.
При активном выдохе сокращаются имышцы брюшной стенки (косые, поперечные и прямые), что усиливает поднятие диафрагмы.
В зависимости от того, в каком направлении изменяются размеры грудной клетки при дыхании, различают грудной, брюшной и смешанный типы дыхания. Диафрагмальное (брюшное) дыхание – дыхание, осуществляемое за счет сокращения диафрагмы и брюшных мышц. Грудное дыхание - дыхание, при котором происходит активное движение грудной клетки: расширение грудной клетки и втягивание живота при вдохе и обратные движения – при выдохе. Грудобрюшное дыхание (смешанное) – дыхание, при котором активны мышцы грудной и брюшной полостей, а также диафрагма.
Частота дыхательных движений у взрослого человека в среднем 16–20 в минуту. Изменение ее зависит от многих причин: от возраста – у новорожденных она составляет 40–55 дыханий в мин., у детей 1–2 лет – 30–40; от пола – у женщин на 2–4 дыхания в мин. больше, чем у мужчин; от положения тела – в лежачем положении происходит 14–16 дыханий в мин., в сидячем – 16–18, в стоячем – 18–20. Физическое напряжение, еда, повышение температуры тела, нервное возбуждение учащают дыхание. У спортсменов в покое частота дыханий может быть 6–8 в мин.
Глубина дыхания определяется по объему вдыхаемого и выдыхаемого воздуха в спокойном состоянии больного. У взрослого человека дыхательный объем в среднем составляет 500 мл.
Дыхание здорового человека осуществляется ритмично, с равными промежутками времени между вдохами и выдохами, с одинаковой глубиной и продолжительностью вдоха и выдоха. У новорожденных и грудных детей дыхание аритмично. Глубокое дыхание сменяется поверхностным. Паузы между вдохом и выдохом неравномерны.
Нервная и гуморальная регуляция дыхания. Регуляция дыхания осуществляется дыхательным центром, который находится в продолговатом мозге. Он состоит из центра вдоха и центра выдоха и обладает автоматией. В дыхательном центре периодически возникает возбуждение, которое передается сначала на нейроны спинного мозга, а затем - к дыхательным мышцам, что приводит к их сокращению.
При вдохе альвеолы растягиваются, что раздражает нервные окончания блуждающего нерва Возникшее возбуждение передается в дыхательный центр, что тормозит центр вдоха; происходит выдох. Альвеолы возвращаются в исходное состояние, возбуждение рецепторов растяжения альвеол прекращается. В центре вдоха вновь возникает возбуждение, и процесс повторяется.
На работу дыхательного центра оказывает влияние кора больших полушарий. Человек может произвольно регулировать дыхание при разговоре, пении, может «держать дыхание или провести гипервентиляцию легких путем усиленного дыхания.
Рефлекторное изменение дыхания происходит при раздражении многих рецепторов: болевых, холодовых и др. Наиболее важным гуморальным фактором регуляции дыхания является изменение напряжение углекислого газа в крови. Чувствительные к содержанию СО 2 хеморецепторы располагаются в области дуги аорты, в месте разветвления сонных артерий. Повышение содержания углекислого газа в крови приводит к углублению и учащению дыхания.
Дыхание возможно только тогда, когда свободны воздухоносные пути. Костные стенки носовой полости, полукольца трахеи и кольца бронхов, состояние из хрящевой ткани, не дают спадаться дыхательным трубкам при дыхании. Воздух свободно проходит от носовых ходов до легочных пузырьков.
Охлаждение ног, сквозняки вызывают рефлекторное расширение кровеносных сосудов в стенке носовой полости и других участках верхних дыхательных путей. Носовые пути становятся узкими, забиваются слизью, и воздух через них пройти не может. Часто то же самое происходит при попадании в верхние дыхательные пути инфекции, а также пыли, веществ, вызывающих сильное раздражение слизистой, например табачного дыма. Изменение слизистой может быть вызвано и аллергией. Возникающие при этом кашель и насморк способствуют выведению слизи наружу и восстановлению нормального дыхания. Правда, бывают случаи, когда эти естественные реакции не дают эффекта и их приходится задерживать специальными препаратами или, наоборот, стимулировать, чтобы накопившаяся в трахее и бронхах слизь выходила скорее. Так, микстуры от кашля делают слизь более жидкой и она легче отделяется.
Для профилактики респираторных заболеваний чрезвычайно важно закаливание, борьба с курением, пылью, загазованностью производственных помещений.
Причины заболеваний сердечно-сосудистой системы и их профилактика отражены в таблице 8.
