ГоловнаЗворотній зв'язок

Возрастная физиология

I

 

од обогащенная кислородом (до 100 мм рт. ст.) кровь содержит сравнительно мало углекислого газа (40 мм рт. ст.) и вновь готова к осуществлению тканевого газообмена.

Чтобы мельчайшие пузырьки — альвеолы — не спадались во время выдоха, их поверхность изнутри покрыта слоем специально­го вещества, вырабатываемого легочной тканью. Это вещество — сурфактант — уменьшает поверхностное натяжение стенок аль­веол. Обычно оно вырабатывается в избыточном количестве, что­бы гарантировать максимально полное использование поверхно­сти легких для газообмена.

Диффузионная способность легких. Градиент концентраций га­зов по обе стороны альвеолярной стенки является той силой, ко­торая заставляет молекулы кислорода и углекислого газа диффун­дировать, проникать сквозь эту стенку. Однако при одном и том же атмосферном давлении скорость диффузии молекул зависит не только от градиента, но и от площади соприкосновения альве­ол и капилляров, от толщины их стенок, от наличия сурфактанта и ряда других причин. Для того чтобы оценить все эти факторы, с помощью специальных приборов измеряют диффузионную спо­собность легких, которая в зависимости от возраста и функцио­нального состояния человека может изменяться от 20 до 50 мл 02/мин/мм рт. ст.

Вентиляционно-перфузионное отношение. Газообмен в легких происходит только в том случае, если воздух в альвеолах перио­дически (в каждом дыхательном цикле) обновляется, а через легочные капилляры непрерывно течет кровь. Именно по этой причине остановка дыхания, как и остановка кровообращения, в равной мере означают смерть. Непрерывный ток крови через капилляры называется перфузией, а ритмическое поступление новых порций атмосферного воздуха в альвеолы — вентиляцией. Следует подчеркнуть, что воздух в альвеолах по составу весьма существенно отличается от атмосферного: в альвеолярном воз­духе гораздо больше углекислого газа и меньше кислорода. Дело в том, что механическая вентиляция легких не затрагивает наи­более глубоких зон, в которых расположены легочные пузырь­ки, и там газообмен происходит только благодаря диффузии, а потому несколько замедленно. Тем не менее каждый дыхатель­ный цикл приносит в легкие новые порции кислорода и уносит избыток углекислоты. Скорость перфузии легочной ткани кро­вью должна точно соответствовать скорости вентиляции, чтобы между этими двумя процессами устанавливалось равновесие, иначе либо кровь будет перенасыщена углекислотой и недонасыщена кислородом, либо, наоборот, углекислота будет вымываться из крови. И то и другое плохо, так как дыхательный центр, располо­женный в продолговатом мозге, генерирует импульсы, заставля­ющие дыхательные мышцы осуществлять вдох и выдох, под воз-

 

действием рецепторов, измеряющих содержание С02 и 02 в кро­ви. Если уровень С02 в крови падает, дыхание может остановить­ся; если же растет — начинается одышка, человек ощущает уду­шье. Соотношение между скоростью кровотока через легочные ка­пилляры и скоростью потока воздуха, вентилирующего легкие, называется вентиляционио-перфузионным отношением (ВПО). От него зависит соотношение концентраций 02 и С02 в выдыхаемом воздухе. Если прибавка С02 (по сравнению с атмосферным возду­хом) в точности соответствует уменьшению содержания кисло­рода, то ВПО= 1, и это повышенный уровень. В норме ВПО со­ставляет 0,7—0,8, т.е. перфузия должна быть несколько интенсив­нее, чем вентиляция. Величину ВПО учитывают при выявлении тех или иных заболеваний бронхолегочной системы и системы кровообращен ия.

Если сознательно резко активизировать дыхание, делая макси­мально глубокие и частые вдохи-выдохи, то ВПО превысит 1, а человек вскоре почувствует головокружение и может упасть в об­морок — это результат «вымывания» избыточных количеств С02 из крови и нарушения кислотно-щелочи ого гомеостаза. Напро­тив, если усилием воли задержать дыхание, то ВПО составит ме­нее 0,6 и через несколько десятков секунд человек почувствует удушье и императивный позыв к дыханию. В начале мышечной работы ВПО резко изменяется, сначала снижаясь (усиливается перфузия, так как мышцы, начав сокращаться, выдавливают из своих вен добавочные порции крови), а через 15—20 с стреми­тельно увеличиваясь (активизируется дыхательный центр и возра­стает вентиляция). Нормализуется ВПО только через 2—3 мин после начала мышечной работы. В конце мышечной работы все эти про­цессы протекают в обратном порядке. У детей подобная перенас­тройка системы кислородного снабжения происходит немного бы­стрее, чем у взрослых, так как размеры тела и соответственно инерционные характеристики сердца, сосудов, легких, мышц и других участвующих в этой реакции структур у детей существенно меньше.

Тканевый газообмен. Кровь, приносящая к тканям кислород, отдает его (по градиенту концентрации) в тканевую жидкость, а оттуда молекулы 02 проникают в клетки, где и захватываются митохондриями. Чем интенсивнее происходит этот захват, тем бы­стрее уменьшается содержание кислорода в тканевой жидкости, тем выше становится градиент между артериальной кровью и тка­нью, тем быстрее кровь отлает кислород, отсоединяющийся при этом от молекулы гемоглобина, которая служила «транспортным средством» для доставки кислорода. Освободившиеся молекулы ге­моглобина могут захватывать молекулы С02, чтобы нести их к легким и там отдавать альвеолярному воздуху. Кислород, вступая в цикл окислительных реакций в митохондриях, в конечном сче-

1С оказывается соединенным либо с водородом (образуется Н20), либо с углеродом (образуется С02). В свободном виде кислород в организме практически не существует. Весь образующийся в тка­нях углекислый газ выводится из организма через легкие. Метабо­лическая вода также частично испаряется с поверхности легких, но может выводиться, кроме того, с потом и мочой.

Дыхательный коэффициент. Соотношение количеств образовав­шегося С02 и поглощенного О, называется дыхательным коэффи­циентом (ДК) и зависит от того, какие субстраты окисляются в тканях организма. ДК в выдыхаемом воздухе составляет от 0,65 до 1. По сугубо химическим причинам при окислении жиров ДК=0,65; при окислении белков — около 0,85; при окислении углеводов ДК=1,0. Таким образом, по составу выдыхаемого воздуха можно судить о том, какие вещества используются в настоящий момент для выработки энергии клетками организма. Естественно, обычно ДК принимает какое-то промежуточное значение, чаще всего близкое к 0,85, но это не значит, что окисляются белки; скорее это результат одновременного окисления жиров и углеводов. Ве­личина Д К тесно связана с ВПО, между ними есть"почти полное соответствие, если не считать периодов, когда ВПО подвергается резким колебаниям. У детей в покое ДК обычно выше, чем у взрос­лых, что связано со значительно большим участием углеводов в энергетическом обеспечении организма, особенно деятельности нервных структур.

При мышечной работе ДК также может существенно превы­шать ВПО, если в энергообеспечении участвуют процессы ана­эробного гликолиза. В этом случае гомеостатические механизмы (буферные системы крови) приводят к выбросу из организма до­бавочного количества С02, что обусловлено нс метаболическими нуждами, а гомсостатическими. Такое добавочное выделение С02 называют «не метабол и чес ким излишком». Его появление в выды­хаемом воздухе означает, что уровень мышечной нагрузки достиг некоего порога, после которого необходимо подключение анаэ­робных систем энергопродукции («анаэробный порог»). Дети от 7 до 12 лет обладают более высокими относительными показателя­ми анаэробного порога: у них при такой нагрузке выше частота пульса, легочная вентиляция, скорость кровотока, потребление кислорода и т.п. К 12 годам наїрузка, соответствующая анаэроб-пому порогу, резко снижается, а после 17—18 лет не отличается от соответствующей нагрузки у взрослых. Анаэробный порог — один из важнейших показателей аэробной производительности человека, а также та минимальная нагрузка, которая способна обеспечить достижение тренировочного эффекта.

Внешнее дыхание — это проявления процесса дыхания, кото­рые хорошо заметны без всяких приборов, поскольку воздух вхо­дит в воздухоносные пути и выходит из них только благодаря тому, что изменяется форма и объем грудной клетки. Что же заставляет воздух проникать вглубь организма, достигая, в конечном счете, мельчайших легочных пузырьков? В данном случае действует сила, вызванная разницей в давлении внутри грудной клетки и в окру­жающей атмосфере. Легкие окружены соединительно-тканной обо­лочкой, которая называется плеврой, причем между легкими и плевральным мешком находится плевральная жидкость, которая служит смазкой и герметикой. Внутри плевральное пространство герметично, не сообщается с соседними полостями и проходя­щими через грудную клетку пищеварительными и кровеносными зрубами. Герметична и вся грудная клетка, отделенная от брюш­ной полости не только серозной оболочкой, но и крупной коль­цевой мышцей — диафрагмой. Поэтому усилия дыхательных мышц, приводящие даже к небольшому увеличению ее объема во время вдоха, обеспечивают достаточно существенное разряжение внут­ри плевральной полости, и именно под действием этого разряже­ния воздух входит в ротовую и носовую полость и проникает да­лее через гортань, трахею, бронхи и бронхиолы в легочную ткань.

Организация дыхательного акта. Три группы мышц участвуют в организации дыхательного акта, т.е. в перемещении стенок груд­ной клетки и брюшной полости: инспираторные (обеспечиваю­щие вдох) наружные межреберные мышцы; экспираторные (обест печивающие выдох) внутренние межреберные мышцы и диаф­рагма, а также мышцы брюшной стенки. Слаженное сокращение этих мышц под управлением дыхательного центра, который рас­положен в продолговатом мозге, вызывает перемещение ребер несколько вперед и вверх относительно их положения в момент выдоха, грудина приподнимается, а диафрагма вжимается внутрь брюшной полости. Таким образом, обший объем грудной клетки существенно увеличивается, там создается довольно высокое раз­ряжение, и воздух из атмосферы устремляется внутрь легких. В конце вдоха им пульсация из дыхательного центра к этим мыш­цам прекращается, и ребра под силой собственной тяжести, а диафрагма в результате се расслабления возвращаются в «нейт­ральное» положение. Объем грудной клетки уменьшается, там по­вышается давление, и лишний воздух из легких выбрасывается через те же трубки, через которые он входил. Если по каким-то причинам выдох затруднен, то для облегчения этого процесса под­ключаются экспираторные мышцы. Работают они и в тех случаях, когда дыхание усиливается или ускоряется под воздействием эмо­циональных либо физических нагрузок. Работа дыхательных мышц, как и любая другая мышечная работа, требует затрат энергии. Под­считано, что при спокойном дыхании на эти нужды расходуется чуть больше 1 % потребляемой организмом энергии.

В зависимости от того, связано ли расширение грудной клетки при нормальном дыхании преимущественно с поднятием ребер или уплощением диафрагмы, различают реберный (грудной) и диафрагмальный (брюшной) типы дыхания. При грудном типе дыхания диафрагма смешается пассивно в соответствии с изме­нением внутри грудного давления. При брюшном типе мощные сокращения диафрагмы сильно смещают органы брюшной поло­сти, поэтому при вдохе живот «выпячивается». Становление типа дыхания происходит в возрасте 5—7 лет, причем у девочек оно становится, как правило, грудным, а у мальчиков — брюшным.

Легочная вентиляция. Чем крупнее организм и чем сильнее ра­ботают дыхательные мышцы, тем большее количество воздуха проходит через легкие за каждый дыхательный цикл. Для оценки легочной вентиляции измеряют минутный объем дыхания, т.е. среднее количество воздуха, которое проходит через дыхательные пути за 1 мин. В покое у взрослого человека эта величина составля­ет 5—6 л/мин. У новорожденного ребенка минутный объем дыха­ния составляет 650—700 мл/мин, к концу 1 года жизни достигает 2,6—2,7 л/мин, к 6 годам — 3,5 л/мин, в 10 лет — 4,3 л/мин, а у подростков — 4,9 л/мин. При физической нагрузке минутный объем дыхания может очень существенно увеличиваться, достигая у юношей и взрослых 100 л/мин и более.

Частота и глубина дыхания. Дыхательный акт, состоящий из вдоха и выдоха, имеет две основные характеристики — частоту и глубину. Частота — это количество дыхательных актов в минуту. У взрослого человека эта величина обычно составляет 12—15, хотя она может изменяться в широких пределах. У новорожденных ча­стота дыхания во время сна достигает 50—60 в минуту, к годова­лому возрасту снижается до 40—50, затем по мере роста происхо­дит постепенное снижение этого показателя. Так, у детей младшего школьного возраста частота дыхания составляет обычно около 25 циклов в минуту, а у подростков — 18—20. Прямо противополож­ную тенденцию возрастных изменений демонстрирует дыхатель­ный объем, т.е. мера глубины дыхания. Он представляет собой среднее количество воздуха, которое поступает в легкие за каж­дый дыхательный цикл. У новорожденных он очень мал — всего 30 мл или даже меньше, к годовалому возрасту увеличивается до 70 мл, в 6 лет становится свыше 150 мл, к 10 годам достигает 240 мл, в 14 лет — 300 мл. У взрослого дыхательный объем в покое не превышает 500 мл. Минутный объем дыхания представляет со­бой произведение дыхательного объема на частоту дыхания.

Если человек выполняет любую физическую нагрузку, ему тре­буется дополнительное количество кислорода, соответственно увеличивается минутный объем дыхания. У детей до 10 лет это увеличение обеспечивается в основном учащением дыхания, ко­торое может стать в 3—4 раза более частым, чем дыхание в покое, тогда как дыхательный объем увеличивается только в 1,5—2 раза. У подростков, а тем более у взрослых увеличение минутного объема

осуществляется главным образом за счет дыхательного объема, который может увеличиться в несколько раз, а частота дыхания обычно не превышает 50—60 циклов в минуту. Считается, что та­кой тип реакции системы дыхания более экономичен. По различ­ным критериям эффективность и экономичность внешнею дыха­ния с возрастом существенно увеличивается, достигая максималь­ных величин у юношей и девушек 18—20 лет. При этом дыхание юношей, как правило, организовано более эффективно, чем у девушек. На эффективность дыхания и его экономичность боль­шое влияние оказывает физическая тренированность, особенно в тех видах спорта, в которых кислородное обеспечение играет ре­шающую роль. Это стайерский бег, лыжи, плавание, гребля, ве­лосипед, теннис и другие виды, связанные с проявлением вы­носливости.

При выполнении циклической нагрузки ритм дыхания обычно «подстраивается» под ритм сокращения скелетных мышц — это облегчает работу дыхания и делает ее более эффективной. У детей усвоение ритма движений дыхательной мускулатурой происходит инстинктивно без вмешательства сознания, однако учитель мо­жет помочь ребенку, что способствует быстрейшей адаптации к такого рода нагрузке.

При выполнении силовой и статической нагрузки наблюдает-, ся так называемый феномен Линдгардта — задержка дыхания во, время натуживания с последующим увеличением час готы и глуч, бины дыхания после снятия нагрузки. Не рекомендуется исполь­зовать тяжелые силовые и статические нагрузки в тренировке и физическом воспитании детей до 13—14 лет, в том числе и по причине незрелости системы дыхания.

Спирограмма. Если на пути воздуха, входящего в легкие и вы­ходящего из них, установить резиновые меха или легкий коло-, кол, погруженный в воду, то благодаря действию дыхательных мышц это приспособление будет увеличивать свой объем при вы­дохе и уменьшать при вдохе. Если все соединения при этом будутц. герметичны (для герметизации ротовой полости используют спе­циальный резиновый загубник или маску, надеваемую на лицо), то можно, прикрепив к подвижной части устройства пишущий' инструмент, записать все дыхательные движения. Такой прибор, изобретенный еще в XIX в., называется спирограф, а сделанная с' его помощью запись — спирограмма (рис. 23). С помощью с и про­граммы, сделанной на бумажной ленте, можно количественно из--мерить важнейшие характеристики внешнего дыхания человека.

Легочные объемы и емкости. Благодаря спирограмме можно на­глядно увидеть и измерить различные легочные объемы и емко-, сти. Объемами в физиологии дыхания принято называть тс пока­затели, которые динамически изменяются в процессе дыхания : характеризуют функциональное состояние системы дыхания. Ем

кость — это не изменяе­мый в короткое время ре­зервуар, в рамках которо­го происходит дыхатель­ный цикл и газообмен. Точкой отсчета для всех легочных объемов и ем­костей является уровень спокойного выдоха.

I                 U

Рис. 23. Спирограмма: емкость легких и ее компоненты А — схема спирограммы: /— резервный объем вдоха; 2 — дыхательный объем; 3 — резерв­ный объем выдоха; 4 — остаточный объем; 5 — функциональная остаточная емкость; 6 — емкость вдоха; 7 — жизненная емкость; 8 — общая емкость легких;

Б — объемы и емкости легких: / — юные спорт­смены; // — нетренированные школьники (средний возраст 13 лет) (по А. И.Осипову, 1964). Цифры над столбиками — средние вели­чины общей емкости. Цифры в столбиках — средние величины легочных объемов в про­центах от общей емкости; цифры слева от столбиков соответствуют обозначениям на спирограмме

Легочные объемы. В покое дыхательный объем мал по сравнению с общим объе­мом воздуха в легких. По­лому человек может как вдохнуть, так и выдохнуть большой дополнительный объем воздуха. Эти объемы носят название соответ­ственно резервный объем вдоха и резервный объем выдоха. Однако лаже при самом глубоком выдохе в альвеолах и воздухоносных путях остается некоторое количество воздуха. Это — так называемый остаточ­ный объем, который не измеряется с помощью сиирограммы (для его из­мерения используется до­статочно сложная техника и расчеты, применяются инертные газы). У взросло-то человека он составляет около 1,5 л, у детей — су­щественно меньше.

Жизненная емкость лег­ких. Суммарная величина резервного объема вдоха, дыхательного объема и резервного объема выдо­ха составляет жизненную емкость легких (ЖЕЛ) — один из наиболее важных показателей состояния системы дыхания. Для ее измерения используются раз­нообразной конструкции спирометры, в которые необходимо сде­лать максимально глубокий выдох после максимально глубокого вдоха — это и будет Ж ЕЛ. ЖЕЛ зависит от размеров тела, а пото­му и от возраста, а также весьма существенно зависит от функ­ционального состояния и физической тренированности организма человека. У мужчин ЖЕЛ выше, чем у женщин, если ни те, ни другие не занимаются спортом, особенно упражнениями на вы­носливость. Величина ЖЕЛ сушсствснно различается у людей раз­ного телосложения: у брахиморфных типов она сравнительно мала, а у долихоморфных — очень велика. Принято использовать ЖЕЛ в качестве одного из показателей физического развития детей школь­ного возраста, а также призывников. Измерить ЖЕЛ можно толь­ко при активном и сознательном участии ребенка, поэтому дан­ные о детях до 3-летнего возраста практически отсутствуют.

Таблица 9

 

44