Будова органів дихання, їх функції та вікові
Особливості
Дихання – це складний біологічний процес, у результаті якого живий організм із зовнішнього середовища споживає кисень, а у нього виділяє вуглекислий газ та воду.
Система дихання складається з повітропровідного шляху (носова порожнина, носоглотка, гортань, трахея, бронхи) і легенів.
Дихання включає такі процеси:
1. Обмін повітря між зовнішнім середовищем і альвеолами легень (легенева вентиляція).
2. Обмін газів між альвеолярним повітрям і кров'ю (дифузія газів у легенях).
3. Транспорт газів кров'ю.
4. Газообмін між кров'ю, тканинами і клітинами.
Використання кисню клітинами і виділення ними вуглекислого газу (тканинне або клітинне дихання) (рис. 55).
Дихання забезпечує газообмін, який є основною ланкою обміну речовин. Повітря із навколишнього середовища до легень проходить послідовно через порожнину носа чи рота, глотку, гортань, трахею та бронхи.
Рис. 55. Газообмін між зовнішньою середою і організмом
(три етапи дихання)
Характерною особливістю повітроносних шляхів є те, що стінки їх не спадаються під час нахилів та поворотів тіла, зміщення органів тощо, у зв’язку із наявністю твердої хрящової основи.
Носова порожнина.Носова порожнина, знаходячись на початку дихального шляху, пристосована безперешкодно пропускати повітря під час дихання. Вдихуване повітря у ній трохи очищається, зволожується та зігрівається, а орган нюху, який знаходиться тут, бере участь у сприйнятті запахів. Тому корисніше носове дихання, а не ротове.
Із носової порожнини повітря надходить через хоани до глотки (при вході через рот – до зіву, а потім до глотки), а звідти до гортані.
Дихальні шляхи у дітей значно вужчі, ніж у дорослих. Це сприяє більш легкому проникненню інфекції в організм дитини.
Носоглотка у дітей широка і коротка, слухова труба знаходиться низько. У 4-14 річних дітей утворюються аденоїди розрощення, тобто розрощення лімфатичної тканини у ділянці глотки, а також у носі. Крім того, аденоїдні розрощення можуть негативно впливати на загальний стан здоров'я і працездатність дітей.
Гортань. Гортань розташована на передній поверхні шиї на рівні 4-6-го шийного хребців. Оскільки гортань знаходиться на шляху руху повітря до легень та із легень, просвіт її повинен завжди зяяти. Разом з тим повинен закриватися під час проходження їжі. Окрім того, людина може довільно змінювати просвіт гортані і цим регулювати звук голосу. Все це стає можливим завдяки особливій будові гортані. Скелетом гортані, її твердою основною, є хрящі: щитоподібний, перснеподібний, черпакуватий і надгортанник. Всі вони гіалінові, окрім надгортанника та голосового відростка черпакуватого хряща, які складаються із еластичної хрящової тканини. Наявність між хрящами суглобів і м’язів із поперечносмугастої м’язової тканини дозволяє приводити їх (особливо черпакуватий) у рух або фіксувати у певному положенні (рис. 56). Гортань до трьох років у дівчаток і хлопчиків однакова; з 7-10 років починаються помітні зміни, характерні для гортані чоловіків. Голосові зв’язки спочатку короткі, енергійний ріст їх помітний на першому році та в 14-15 років. З 12 років голосові зв’язки у хлопчиків стають довші, ніж у дівчаток.
Трахея та бронхи. Трахея, або дихальне горло, є трубкою довжиною близько 11-13 см. Угорі, на рівні 6-го шийного хребця, вона з'єднується із перснеподібним хрящем гортані, унизу, на рівні 4-5-го грудних хребців, розділяється на правий та лівий головні бронхи. Позаду трахеї розташований стравохід (рис. 56).
Основу трахеї складають 16-20 незамкнених хрящових кілець, з’єднаних один із одним зв’язками. Задня стінка трахеї перетинчаста, хрящів не має, що сприяє безперешкодному проходженню грудки їжі стравоходом. Ззовні трахея має сполучнотканну оболонку, а з внутрішнього боку – слизову оболонку, яка містить бокалоподібні клітини та слизові залози, що зволожують її. Слизова оболонка вкрита миготливим епітелієм, війки якого очищують вдихуване повітря від пилу.
Від місця поділу трахеї головні бронхи розходяться у боки та вниз у напрямку до воріт легень. Правий бронх коротший і ширший, ніж лівий, у зв’язку з чим сторонні тіла зазвичай потрапляють до правого бронха. Будова стінки головних бронхів така сама, як і стінки трахеї.
Ріст трахеї відбувається паралельно з ростом тулуба. Трахея швидко росте перші 6 місяців, а найбільше – в 14-16 років. Верхній кінець трахеї поступово спускається з четвертого до сьомого шийного хребця. Трахея ділиться на бронхи; місце такого поділу у новонародженої дитини знаходиться на рівні третього грудного хребця, в 4-6 років – на рівні четвертого, а в 12 років спускається до п’ятого хребця. Правий бронх є продовженням трахеї, а лівий відходить від боку трахеї.
Легені. Легені – парний орган, який розташован у грудній порожнині по обидва боки від середостіння. Серце трохи зміщене вліво, тому права легеня коротша та ширша за ліву. У правій легені три частки, а у лівій - дві. Кожна легеня має форму конусу.
Верхня, звужена, частина її називається верхівкою легень, а нижня, розширена – основою. У легені розрізняють три поверхні: реберну, діафрагмальну та медіальну, звернену до серця. Легені таким чином складаються із бронхіального дерева та його кінцевих утворень – легеневих пухирців – альвеол.
Із зменшенням розміру бронхів зменшується кількість хрящової тканини і у них і відносно збільшується кількість гладких м’язових клітин й еластичних волокон.
Структурною основною одиницею легені є легенева часточка, а функціональною одиницею легеневої частки є ацинус, що представляє собою розгалуження кінцевого бронха та зв’язаних із ним альвеол, загальна поверхня яких досягає 100 м2. Зливаючись, 20-30 ацинусів утворюють часточку величиною до 1 см у діаметрі. Часточки відокремлені одна від одної сполучною тканиною, у якій проходять судини та нерви. Із сукупності часточок (2000-3000) утворюються бронхолегеневі сегменти, а із останніх – частки легень. Важливе значення для газообміну має альвеола, стінка якої дуже тонка та складається із одного шару альвеолярного епітелію із базальною мембраною.
Рис. 56. Будова легенів: А – повітроносні шляхи і респіраторні відділи;
Б – легеневі альвеоли та їх кровопостачання; В– долька легені
Альвеоли зовні обплетені густою сіткою кровоносних судин. Через стінку альвеоли і відбувається газообмін між кров’ю, що протікає капілярами, та видихуваним повітрям, багатим на кисень.
Легені ростуть безперервно, причому з віком збільшується об’єм альвеол. Посилено ростуть легені в перші місяці життя і під час статевого дозрівання. Ємкість легень новонародженої дитини становить 65-67 мл, у восьмирічної дитини вона збільшується в 8 разів, до 12 років – у 10, а в 20 років – у 20 разів порівняно з об’ємом легень новонародженої дитини.
Вага легень становить 1/34 – 1/54 ваги тіла. У 6 місяців вона подвоюється, в 1 рік потроюється, а в 12 років збільшується в 10 раз.
Акт вдиху та видиху. Акт вдиху відбуваєшся у результаті збільшення об’єму грудної клітки за рахунок підйому ребер та опускання купола діафрагми. Під час вдиху купол діафрагми стає пласким, черевні нутрощі відтісняються вниз та уперед, у результаті чого об’єм грудної порожнини збільшується, тиск у грудній клітці зменшується та повітря поступає у легені. Вдих представляє собою активний процес. Видих при спокійному диханні здійснюється пасивно, тому що грудна клітка та легені після вдиху прагнуть зайняти вихідні положення. У результаті чого об’єм черевної порожнини зменшується скорочуються внутрішні косі міжреберні м’язи – відбувається опускання ребер та підвищується тиск у ній, який через органи черевної порожнини передається на діафрагму та підіймає її (рис. 57).
Дихальні м’язи.Дихальні м’язи – це скелетні м’язи, що збільшують об’єм грудної клітки під час дихання. Головна робота дихальних м’язів припадає на процес вдиху, тому що видих звичайно відбувається у значній мірі пасивно та здійснюється головним чином внаслідок ваги стінок грудної клітки, еластичності легенів та реберних хрящів, а також тонусу черевних м’язів. У процесі спокійного дихання в акті вдиху бере участь незначна кількість м’язів, а саме: діафрагма, зовнішні міжреберні та міжхрящові м’язи.
Рис. 57. Механізм дихальних рухів: А - зміни об’єму грудної клітки (за рахунок діафрагми і м’язів черевного пресу); Б - скорочення зовнішніх міжреберних м’язів (зліва модель руху ребер)
Під час посиленого напруженого вдиху діють м’язи тулуба. У процесі посиленого напруженому видиху беруть участь міжкісткові частини, м’язи черевного пресу.
Переважно дія дихальних м’язів зводиться до збільшення та зменшення об’єму грудної порожнини.
Під час вдиху вона збільшується у вертикальному напрямку за рахунок опускання діафрагми, а в сагітальному та фронтальному – за рахунок підняття та розходження при цьому ребер.
При посиленому видиху зменшення об’єму грудної порожнини досягається дією м’язів, які опускають ребра та черевний прес, що підвищує тиск у черевній порожнині, внаслідок чого діафрагма відтісняється догори .
Основні типи дихання. Зовнішнє дихання – це обмін газів між зовнішнім середовищем і кров’ю – здійснюється спеціальними органами. У людини дихання через шкіру і травний тракт складає всього 1-2 % із загальної величини газообміну. Газообмін між зовнішнім повітрям і кров’ю у легенях відбувається тільки в альвеолах, яких налічується понад 700 млн. Вони покриті густою сіткою кровоносних капілярів. Кожна альвеола має діаметр 0,2 мм, товщину стінки – 0,04 мм. Загальна площа їх поверхні, через яку відбувається газообмін, у середньому дорівнює 90 м2.
У людини розрізняють грудний, черевний, діафрагмальний і змішаний тип дихання.
У процесі грудного типу дихання грудна порожнина розширюється переважно у передньо-задньому (підйом ребер) і бічному (обертання ребер) напрямках.
Під час черевного – у вертикальному (скорочення та опускання діафрагми).
Під час змішаного – рівномірне розширення у всіх трьох напрямках.
Особливості зовнішнього дихання плоду. Дихання плоду реалізується плацентою. Проте вже з 11 тижня у плоду спостерігається скорочення діафрагми та міжреберних м’язів. Ці рухи сприяють розвиткові легенів плоду, активізують його кровообіг, а також формують ансамбль нейронів, який бере участь у регуляції дихання. Гіпоксія, гіперкапнія та ацидоз збільшують частоту дихальних рухів плоду. Вимірювані за допомогою ультразвуку дихальні рухи плоду (як компонент його біофізичного профілю) дозволяють робити висновок про функціональний стан плоду.
Механізм першого вдиху новонародженого. Перший вдих звичайно настає через 15-70 сек. після народження. Він обумовлений розвитком гіпоксії (у процесі пологів та особливо після перев’язки пуповини й відшарування плаценти), зростанням потоку аферентної імпульсації від рецепторів шкіри, пропріо- та вестибулорецепторів, а також усуненням рефлексу “нирця” (видалення рідини із носової порожнини), що гальмував активність центрального дихального механізму.
Морфологічні особливості системи зовнішнього дихання в онтогенезі. У новонароджених дітей ребра розташовані майже під прямим кутом до хребта, тому реберне дихання, яке переважно виникає під час крику, у них малоефективне, на відміну від діафрагмального. Для новонароджених характерні низька розтяжність тканини легень і висока піддатливість стінок грудної порожнини. Усе це породжує низьку величину еластичної тяги легень під час видиху та пояснює нижчу величину від'ємного тиску плевральної порожнини, ніж у дорослих (0,2-0,9 проти 2,0 см вод. ст.), але вищу – під час вдиху (5,0 проти 2-3 см вод. ст.).
У процесі раннього онтогенезу у системі зовнішнього дихання відбуваються анатомічні, біофізичні та фізіологічні зміни, змінюється структура дихального центру. Зростає дихальна поверхня легенів, знижується частота дихання, зростають дихальний об’єм, життєва ємність легень та її складові компоненти, хвилинний об’єм дихання, споживання кисню, а також показники, що характеризують резервні можливості зовнішнього дихання (максимальна вентиляція легенів, максимальне споживання кисню). Провідним чинником всіх цих перемін є зміна споживання кисню в умовах спокою та під час фізичного навантаження.
Порівняно з ровесниками у юних спортсменів, зазвичай, вищі ЖЄЛ, МСК, МВЛ, потужність форсованого вдиху та видиху (тобто показники тахометрії), вища стійкість до гіпоксії та гіперкапнії (тобто показники функціональних дихальних проб, наприклад, проби Штанге), знижена потреба у кисні в умовах спокою та під час фізичного навантаження, тобто у них робота здійснюється більш економно.
Спірометрія та спірографія. Спірографія – визначення усіх ємностей і об'ємів легень за допомогою спірографа типу “Метатест-1”. Крива, яка виходить під час запису показників зовнішнього дихання за допомогою цього прилада, називається спірограмою. Спірометрія–це визначення життєвої ємності легеньза допомогою прилада, який називається спірометром. Спірометрами називаються прилади, що уміщають різну кількість повітря при постійному диханні. Найбільш поширений водний спірометр. Цей прилад є циліндром, розміщеним дном догори у резервуарі з водою. Повітря, що потрапило до цього циліндра, не сполучається із зовнішнім середовищем. Сам циліндр урівноважується противагою. Повітроносні шляхи досліджуваного сполучаються за допомогою широкої трубки і загубника із простором всередині циліндра. Під час видиху об’єм повітря у циліндрі збільшується, і він спливає; а під час вдиху циліндр занурюється. Ці переміщення можуть бути обмірювані за допомогою калібрувальної шкали.
Спірометрія застосовується у дітей віком після 5-6 років, оскільки вона потребує певної активності випробуваного. У дітей раннього віку дослідження зовнішнього дихання обмежується клінічним спостереженням, рахунком дихання, пневмографією. Більш складні методи дослідження легеневої вентиляції, межі та резерву дихання потребують спеціальних приладів. На результати дослідження зовнішнього дихання значно впливає тренованість дитини, і тому у дітей, які систематично займаються спортом, ці показники значно вищі.
Частота дихальних рухів складає 12-16 разів у хв. – такий тип дихання називають ейпноє (нормальне дихання).
Легеневі об’єми та ємності. Легенева вентиляція визначається глибиною дихання (дихальним об’ємом) і частотою дихальних рухів. Обидва ці показники широко варіюють у залежності від потреб організму.
Легеневі об’єми.У спокої легеневий об’єм малий порівняно із загальним об’ємом повітря у легенях. Таким чином, людина може як вдихнути, так і видихнути великий додатковий об’єм. Проте навіть під час найглибшого видиху у альвеолах і повітроносних шляхах легень залишається деяка кількість повітря. Для того, щоб кількісно описати всі ці взаємовідношення, загальну ємність легень розділили на декілька компонентів; при цьому під терміном ємність розуміють сукупність двох або декількох компонентів.
З усіх цих величин найбільше практичне значення мають дихальний об’єм, життєва ємність легень і функціональна залишкова ємність.
Вікові особливості життєвої ємності легень. Життєва ємність легень (ЖЄЛ) є показником рухливості легенів і грудної клітки. Незважаючи на її назву, вона не має життєво важливого значення, тому що навіть при найбільш високих потребах організму щодо дихальної системи, глибина дихання ніколи не досягає максимально можливого значення.
Із практичної точки зору недоцільно встановлювати “єдину” норму для ЖЄЛ, тому що ця величина залежить від низки чинників, зокрема від віку, статі, розмірів і положення тіла та ступеня тренованості.
Життєва ємкість легень з віком (особливо після 40 років) зменшується. Це пов’язано зі зниженням еластичності легенів і рухливості грудної клітки. У жінок ЖЄЛ у середньому на 25 % менша, ніж у чоловіків. Цілком очевидно, що ЖЄЛ залежить від росту, тому що величина грудної клітки пропорційна іншим розмірам тіла. У молодих людей ЖЄЛ можна обчислити, виходячи із наступного емпіричного рівняння:
ЖЄЛ (л) = 2,5 х зріст (м) (І)
Таким чином, у чоловіка ростом 180 см життєва ємність легень повинна складати 4,5 л. ЖЄЛ залежить від положення тіла: у вертикальному положенні вона дещо більша, ніж у горизонтальному (це пов’язано з тим, що у вертикальному положенні у легенях міститься менше крові). У більшості досліджень ЖЄЛ визначалась у лежачому положенні. Нарешті, життєва ємність легень залежить від ступеня тренованості. У осіб, що займаються такими видами спорту, де необхідна витривалість, ЖЄЛ значно вища, ніж у нетренованих людей. Вона особливо велика у плавців та веслярів (до 8 л), тому що у цих спортсменів сильно розвинені допоміжні дихальні м’язи (великі та малі грудні). Визначення життєвої ємності легень має значення головним чином для діагностики (рис. 58).
Життєву ємність легень (ЖЄЛ) вдається замірити з 4 років. У цьому віці вона складає 1100 мл, у 5 років – 1200, у 7 років – 1200-1400, у 10 років – 1400-1800, у 14-17 років – 2500-2700 (дівчата), 2700-3900 (юнаки), у дорослих – 4000-5000 мл.
Функціональна залишкова ємність. Фізіологічне значення функціональної залишкової ємності (ФЗЄ) полягає у тому, що завдяки наявності цієї ємності у альвеолярному повітрі вирівнюються коливання вмісту О2 та СО2, пов’язані з різною концентрацією цих газів у вдихуваному та видихуваному повітрі. Якщо б атмосферне повітря поступало безпосередньо до альвеол, не змішуючись із повітрям, що вже міститься у легенях, то вміст О2 та СО2 у альвеолах би коливався відповідно до фаз дихального циклу. Проте цього не відбувається: вдихуване повітря змішується із повітрям, що міститься у легенях, і, оскільки функціональна залишкова ємність у декілька разів більша за дихальний об’єм, зміни складу альвеолярного повітря відносно невеликі.
Функціональна залишкова ємність дорівнює сумі залишкового об’єму та резервного об’єму видиху, і величина її залежить від низки чинників. Середні показники складають у молодих людей 2,4 л, а у більш похилому віці – 3,4 л. У жінок функціональна залишкова ємкість приблизно на 25 % менша, ніж у чоловіків.
1. Дихальний об’єм – кількість повітря, яку людина вдихає та видихає під час спокійного дихання (рис. 58).
2. Резервний об’єм вдиху – кількість повітря, яку людина може додатково вдихнути після нормально вдиху (рис. 58).
Рис. 58. Легеневі об’єми та ємності, залежність ЖЄЛ і ЗО від статі і віку
3. Резервний об’єм видиху – кількість повітря, яку людина може додатково видихнути після спокійного видиху (рис. 58).
4. Залишковий об’єм – кількість повітря, що залишається у легенях після максимального видиху (рис. 58).
5. Життєва ємність легень – найбільша кількість повітря, яку можна видихнути після максимального вдиху. Дорівнює сумі дихального об’єму, резервного об’єму вдиху та резервного об’єму видиху.
6. Резерв вдиху – максимальна кількість повітря, яку можна вдихнути після спокійного видиху. Дорівнює сумі дихального об’єму та резервного об’єму вдиху (рис. 53).
7. Функціональна залишкова ємність – кількість повітря, що залишається у легенях після спокійного видиху. Дорівнює сумі залишкового об’єму та резервного об’єму видиху (рис. 58).
8. Загальна ємкість легень – кількість повітря, що міститься у легенях на висоті максимального вдиху. Дорівнює сумі залишкового об’єму та життєвої ємності легень (рис. 58).
Дихальним мертвим простором називається той об’єм дихальних шляхів, у якому не відбувається процесу газообміну між повітрям і кров’ю. У людини середнього віку об’єм дихального мертвого простору складає 140-150 мл, або 1/3 дихального об’єму під час спокійного дихання.
В альвеолах до кінця спокійного видиху знаходиться близько 3000 мл повітря (функціональна залишкова ємкість), тому під час кожного спокійного вдиху обновляється лише 1/5 – 1/10 альвеолярного повітря (рис. 59).
Показниками вентиляції легень є:
а) хвилинний об’єм дихання, що визначається як добуток дихального об’єму на число дихань на хвилину. У дорослої людини у спокійному стані хвилинний об’єм дихання складає 6-8 л на хвилину, при фізичному навантаженні – від 30 до 100-250 л на хвилину;
б) частота дихальних рухів у спокої, що складає 12-16 на хвилину.
Рис. 59. Схема вентиляції кровотоку і газообміну верхнього і нижнього