Дыхание

Материал из Циклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Пять тайн дыхания

Дыхание — процесс вентиляции легких и газообмена, сопровождается поглощением кислорода и выделением углекислого газа. Газообмен является важнейшей функцией системы органов дыхания. Без него невозможна жизнь, поскольку образование энергии в организме происходит в результате окисления питательных веществ, для которого нужен кислород. Высвобождение углекислого газа — одного из конечных продуктов обмена веществ — также важная функция газообмена. Состоит из трех последовательных этапов: внешнего дыхания, транспорта газов кровью, внутреннего дыхания.

Дыхание людей и отдельных животных возможно через нос и через ротовую полость. Человек без дыхания может прожить до 5—7 минут, даже меньше. После такого промежутка времени отмирают невозобновляемые клетки мозга.

Содержание

[править] Эволюция типов дыхания

Дыхание возникло в конце докембрия, около 2 млрд лет назад, когда в атмосфере в результате жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов появился свободный кислород. До этого живые существа использовали анаэробные, бескислородные источники энергии.[1]

[править] Дыхание животных

Одноклеточные организмы используют диффузное дыхание, которое происходит в результате непосредственного проникновения газов через оболочку клетки. В низших многоклеточных, например у червей, низших насекомых, обмен газами происходит вследствие кожного дыхания — через клетки поверхности тела. Кожное дыхание играет большую роль и у низших позвоночных (рыб, амфибий, пресмыкающихся), у которых есть и другие, специальные, в зависимости от среды, органы дыхания.

Органами водного дыхания являются жабры, имеющие разнообразную строение и обеспечивающие жаберное дыхание, а органами воздушного дыхания — трахеи и легкие (трахейное, легочное дыхание). У всех рыб жаберное дыхание, а у некоторых рыб, кроме жаберного, есть еще кожное и кишечное дыхание. Кишечное дыхание обеспечивается через плавательный пузырь, клетки которого активно поглощают кислород (секреция газа). Например, в плавательном пузыре щуки 35 % кислорода, а у морского окуня — до 88 %.

У водных позвоночных бывают как внешние, так и внутренние жабры. У беспозвоночных органами воздушного дыхания нередко являются преобразованные жабры. У большинства насекомых существует трахейная система, состоящая из сложной сети тонких ветвей трахеи, через которые ткани снабжаются кислородом. У рептилий и амфибий газообмен осуществляется на 2/3 через кожу и на 1/3 — через легкие (легочное дыхание).

У птиц органы дыхания имеют особое строение. В них, как и у рептилий, нет диафрагмы. Трахея делится на 2 бронхов, проходящих через легкие в воздушные мешки. Легкие небольшие и сросшиеся с ребрами. Воздух из легких поступает через разветвления бронхов, бронхиол и воздушные капилляры в воздушные мешки. Небольшие воздушные мешки расположены в грудной, а большие — в брюшной полости. Во всех воздушных мешках имеются отростки, некоторые из них проникают в трубчатые длинные кости конечностей. При вдохе происходит значительное увеличение объема грудной клетки в вертикальном направлении за счет увеличения угла между частями ребер. Газообмен осуществляется в легких и в воздушных капиллярах (обильно снабженных кровеносными капиллярами), через которые воздух проходит при вдохе и выдохе дважды (в воздушные мешки и обратно). Воздушные мешки способствуют поддержанию тела птицы в полете, а также охлаждению тела и сохранению жизни при длительном отсутствии дыхания. У водоплавающих птиц они уменьшают плотность тела, в результате чего птицы мало погружаются в воду.[2]

[править] Дыхание растений

Схема цикла дыхания растений

Дыхание присуще всем органам, тканям и клеткам растения. Интенсивность дыхания можно представить, измеряя количество углекислого газа, выделяемого тканью, или измеряя кислород, который поглощается ею. Более интенсивно дышат молодые, быстро растущие органы и ткани растений. Наиболее активно дыхание репродуктивных органов, затем листьев; слабее дышат стебли и корни. Теневыносливые растения дышат слабее светолюбивых. Для высокогорных растений, адаптированных к пониженному парциальному давлению кислорода, характерна повышенная интенсивность дыхания. Очень активно дыхание плесневых грибов, бактерий. Дыхание усиливается с повышением температуры (на каждые 10 °C — примерно в 2-3 раза), останавливаясь при температуре в 45-50 °C. В тканях зимующих органов растений (почки лиственных деревьев, иглы хвойных) дыхание продолжается (с резко сниженной интенсивностью) и при значительных морозах. Дыхание растений стимулируют механические и химические раздражения (ранения, некоторые яды, наркотики). Закономерно изменяется дыхание во время развития растения и его органов. Сухое семя дышит достаточно слабо. При набухании и последующем прорастании семян дыхание усиливается в сотни и тысячи раз. С окончанием периода активного роста растений дыхание их тканей ослабевает, что связано с процессом старения протоплазмы. При созревании семян, плодов интенсивность дыхания уменьшается.

Согласно теории советского биохимика А. М. Баха, процесс дыхания, то есть окисления углеводов, жиров, белков, осуществляется с помощью окислительной системы клетки в два этапа[3]:

  • активация кислорода воздуха путем его присоединения к ненасыщенным, способных самопроизвольно окисляться соединениям, содержащимся в живой клетке (оксигеназы) с образованием перекиси;
  • активация перекисей с освобождением атомарного кислорода, способного окислять трудноокисляемые органические вещества.

По теории дегидрирования русского ботаника В. И. Палладина, важнейшее звено дыхания — активация водорода субстрата, осуществляемая дегидрогеназой. Обязательный участник сложной цепи процессов дыхания — вода, водород которой вместе с водородом субстрата используется для восстановления самоокисяющихся соединений — так называемых дыхательных пигментов. Углекислый газ, который выделяется при дыхании, образуется без участия кислорода воздуха, то есть анаэробно. Кислород воздуха идет на окисление дыхательных хромогенов, превращающиеся при этом в дыхательные пигменты. Дальнейшее развитие теория дыхания получила в исследованиях советского ботаника С. П. Костычева, согласно которым первые этапы аэробного дыхания аналогичны процессам, присущим анаэробам. Преобразование создаваемого при этом промежуточного продукта могут идти с участием кислорода, что свойственно для аэробных. В анаэробных же эти преобразования идут без участия молекулярного кислорода.

По современным представлениям, процесс окисления, который составляет химическую основу дыхания, заключается в потере веществом электрона. Способность присоединять или отдавать электроны зависит от величины окислительного потенциала соединения. Кислород обладает самым высоким окислительным потенциалом и, следовательно, максимальной способностью присоединять электроны. Однако потенциал кислорода сильно отличается от потенциала дыхательного субстрата. Поэтому роль промежуточных переносчиков электронов от дыхательного субстрата к кислороду выполняют специфические соединения. Поочередно окисляясь и восстанавливаясь, они образуют систему переноса электронов. Присоединив к себе электрон от менее окисленного компонента, такой переносчик восстанавливается и, отдавая его следующему компоненту с более высоким потенциалом, окисляется. Так электрон передается от одного звена дыхательной цепи к другому и, в конце концов, кислороду. Это заключительный этап дыхания.

Все эти процессы (активация кислорода, водорода, перенос электрона цепной реакцией на кислород) осуществляются главным образом в митохондриях благодаря разветвленной системе окислительно-восстановительных ферментов. Путем прохождения к кислороду электроны, мобилизуются сначала от молекулы органического вещества, постепенно отдают заложенную в них энергию, которую клетка запасает в форме химических соединений, главным образом АТФ.

Благодаря совершенным механизмам запасания и использования энергии процессы энергообмена в клетке идут с очень высоким коэффициентом полезного действия, пока недостижимым в технике. Биологическая роль дыхания не исчерпывается использованием энергии, накопленной в окисляемой органической молекуле. В ходе окислительных превращений органических веществ образуются активные промежуточные соединения — метаболиты, которые живая клетка использует для синтеза специфических составных частей своей протоплазмы, образования ферментов. Всем этим определяется центральное место, которое занимает дыхание в комплексе процессов обмена веществ живой клетки. В дыхании скрещиваются и связываются между собой процессы обмена белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и других компонентов протоплазмы.

[править] Дыхание человека

Чудо строения дыхательной системы

Дыхание человека состоит из следующих процессов:

  • Внешнее дыхание (вентиляция легких) — поступления воздуха в воздухоносные пути и газообмен между альвеолами и внешней средой. К этому процессу относятся дыхательные движения — вдох и выдох, направленные на прохождение воздуха в дыхательные пути, а из них — в легких и в обратном направлении.
  • Диффузия газов между альвеолами и в кровь.
  • Транспортировка газов кровью. Она заключается в разнесении кислорода к клеткам всего организма и переносе углекислого газа, образующегося в клетках, в легкие.
  • Диффузия газов между кровью и тканями в тканевых капиллярах.
  • Внутреннее (тканевое) потребление кислорода клетками и выделение углекислого газа.

[править] Значение дыхания для человека

  • Газообмен между организмом и внешней средой (поступление кислорода к клеткам организма, а также вывод углекислого газа из организма).
  • Терморегуляция
  • Функции выделения — через органы дыхания из организма выводятся: углекислый газ, вода, аммиак, пыль, микроорганизмы, ионы минеральных солей.
  • В носовой полости находится орган обоняния человека.
  • Участие в создании звуков, общении людей (голосовой аппарат — гортань).

[править] Верхние дыхательные пути

Носовая полость делится хрящевой перегородкой на две половины — правую и левую. На перегородке располагаются три носовые раковины, которые образуют носовые ходы: верхний, средний и нижний. Стенки полости носа покрыты слизистой оболочкой с реснитчатыми эпителием. Реснички эпителия, двигаясь резко и быстро в направлении ноздрей и медленно и плавно в направлении легких, задерживают и выводят наружу пыль и микроорганизмы, которые оседают на слизистой оболочке. Железы слизистой оболочки выделяют слизь, которая увлажняет стенки полости и снижает жизнеспособность бактерий которые попадают с воздуха.

Слизистая оболочка имеет густую сетку кровеносных сосудов и капилляров. Кровь, текущая по этим сосудам, участвует в терморегуляции тела человека, согревает или охлаждает воздух, который он вдыхает. Таким образом, воздух, поступающий в легкие через носовую полость, очищается, согревается и обеззараживается, чего не происходит при дыхании через ротовую полость. В слизистой оболочке верхней носовой раковины и верхнего отдела перегородки носа находятся специальные обонятельные клетки (рецепторы), которые образуют периферическую часть обонятельного анализатора (органа обоняния). Рядом с обонятельной полостью расположены четыре воздухоносные придаточные пазухи носа. Самые крупные из них гайморовы (содержатся в верхних челюстях) и лобная (в центре лба). Пазухи соединяются каналами с полостью носа.

Из полости носа воздух поступает в носоглотку. В ней содержатся скопления лимфатических миндалин, которые в случае воспаления могут увеличиваться и превращаться в аденоиды, затрудняющих носовое дыхание. Из носоглотки воздух попадает в глотку, в которой перекрещиваются дыхательные и пищеварительные пути. От глотки начинаются две трубки: дыхательная — гортань, и пищеварительная — пищевод, размещенный позади гортани. Вход в гортань при глотании пищи закрывается надгортанным хрящом. Благодаря этому воздух попадает только в гортань, а еда — в пищевод.

[править] Нижние дыхательные пути

Лёгкие

Легкие не имеют собственных мышц, и поэтому не могут активно сокращаться или растягиваться. Свой объем они меняют пассивно, вслед за изменением объема грудной полости. Дыхательные движения — вдох и выдох — происходят вследствие ритмического сокращения и расслабления дыхательных мышц — межреберных, диафрагмы и мышц передней брюшной стенки. Дыхательные движения регулируются дыхательным центром, расположенным в продолговатом мозге, с двумя узлами — центром вдоха и центром выдоха.

Примерно каждые 4 секунды в дыхательном центре возникают возбуждения, которые в спинном мозге проводятся в межреберные дыхательные мышцы и диафрагму. Наружные межреберные мышцы сокращаются и поднимают ребра. При сокращении диафрагмы ее купол, выступающий в сторону грудной полости, становится плоским и опускается вниз. Благодаря этому объем грудной полости увеличивается. В плевральной щели давление всегда несколько ниже атмосферного, поэтому при увеличении объема грудной полости легкие словно присасываются к стенкам грудной клетки и растягиваются. Легкие заполняются воздухом — происходит вдох.

При возбуждении центра выдоха одновременно тормозится центр вдоха и дыхательные мышцы (межреберные и диафрагма) расслабляются, ребра опускаются вниз, а органы брюшной полости выпирают диафрагму куполом вверх. В результате объем грудной полости уменьшается, и происходит спокойный пассивный выдох без участия мышц.

При глубоком вдохе происходит одновременное сокращение межреберных мышц, диафрагмы, а также некоторых мышц грудной клетки и плечевого пояса, поднимающих ребра выше, чем при спокойном вдохе. Глубокий выдох обусловлен, кроме расслабления наружных межреберных мышц и диафрагмы, сокращением внутренних межреберных мышц, а также мышц брюшной стенки, что приводит к более сильному выпячиванию диафрагмы в сторону грудной полости. Объем уменьшается в вертикальном направлении.

Различают брюшной и грудной типы дыхания, в зависимости от того, какие мышцы преобладают в акте выдоха (диафрагма или межреберные). Эффективным считают брюшной тип, потому что он обеспечивает более глубокую вентиляцию легких. Тип дыхания зависит от пола (у мужчин преобладает брюшной), профессии, возраста.

Ритм дыхательных движений поддерживается импульсами, поступающими в нервную систему (продолговатый мозг) из рецепторов легких и дыхательных мышц. Во время вдоха возбуждаются нервные импульсы, которые тормозят выдох. При активном выдохе возникают импульсы, которые тормозят вдох. Выдох является рефлексом на раздражение, вызванное вдохом, и наоборот.

На частоту и глубину дыхательных движений влияют различные раздражители внешней среды, действующие на рецепторы кожи, слуха, зрения, обоняния, вкуса. Процесс возбуждения попадает в различные участки головного мозга, а оттуда возбуждение достигает дыхательного центра. Оттуда через центробежные нервы возбуждение идет к дыхательным мышцам. Вследствие этого происходят ускорение и усиление или замедление и ослабление дыхательных движений. Психические раздражители (страх, радость) также влияют на дыхательный центр.

Существуют и защитные рефлексы (кашель, чихание). Это своеобразно измененные резкие выдохи, с помощью которых удаляются инородные частицы, попавшие в дыхательные пути.

[править] Газообмен в легких и тканях

При чередовании вдоха и выдоха, вентилируются легкие, в альвеолах поддерживается относительно постоянный газовый состав. Состав атмосферного воздуха: 21 % кислорода, 78 % азота, 0,03 % углекислого газа, небольшое количество водяного пара и инертных газов. Состав выдыхаемого отличается увеличенным содержанием углекислого газа, увеличивается содержание водяного пара. Альвеолярный воздух, находящийся в альвеолах, отличается от вдыхаемого и выдыхаемого. Это объясняется тем, что во время вдоха в альвеолы ​​поступает воздух воздухоносных путей (выдыхаемый), а при выдохе, наоборот, к выдыхаемому (альвеолярному) примешивается атмосферный из воздухоносных путей (мертвое пространство).

В легких кислород из альвеолярного воздуха переходит в кровь, а углекислый газ из крови поступает в легкие путем диффузии через стенки альвеол и кровеносных капилляров. Направление и скорость диффузии определяется парциальным давлением. Кровь из венозной превращается в артериальную, которая по легочным венам поступает к левому предсердию, потом к левому желудочку, а оттуда — к большому кругу кровообращения, которым переносится к тканям. Из капилляров кислород уже попадает в ткани. В артериальной крови кислорода больше, чем в клетках, он диффундирует в тканевую жидкость, которая омывает клетки в тканях, — промежуточную среду между кровью и клетками. Из тканевой жидкости кислород проникает в клетки и сразу вступает в реакции окисления, поэтому в клетках свободного кислорода практически нет. В результате окисления в клетках увеличивается содержание углекислого газа, который через тканевую жидкость поступает в венозный конец капилляра. Артериальная кровь превращается в венозную, которая по венам большого круга кровообращения поступает в правое предсердие, затем к правому желудочку сердца, а оттуда — в легкие.

[править] Основные показатели дыхания

Частота дыхания — количество дыхательных циклов (вдох — выдох) в минуту. В состоянии покоя человек осуществляет в минуту 12-16 дыхательных циклов, во время сна — 10-12, а при физической нагрузке, тяжелой болезни — 30-35. У младенцев и пожилых людей частота дыхания в покое — 20-25.

Глубина дыхания определяется объемом вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. В спокойном состоянии в легкие поступает 500 мл воздуха (дыхательный объем до) и столько же выходит при выдохе. Из 500 мл, вдыхаемых человеком, только 350 мл попадает в альвеолы. Около 150 мл задерживается в мертвом пространстве: в полостях носа, носовой и ротовой части глотки, гортани, трахеи и бронхов, где происходит газообмен. После спокойного вдоха при максимальном усилии можно еще вдохнуть 1,5 л дополнительного воздуха (резервный объем вдоха (РО вдоха)), а при глубоком выдохе можно еще выдохнуть 1,5 л, дополнительный выдох (резервный объем выдоха (РО выдоха)).

Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) — это наибольшее количество воздуха, которое человек может выдохнуть после максимально глубокого вдоха. Рассчитывается по формуле:

  • К + РО вдоха + РО выдоха = ЖЕЛ

Жизненная емкость легких зависит от возраста, пола, роста, массы тела, физического развития человека. Показатели ЖЕЛ колеблются от 3500-4800 мл — у мужчин и 3000-3500 мл — у женщин. У физически тренированных людей, занимающихся греблей, плаванием, гимнастикой, она достигает 6000-7000 мл. Определяют ЖЕЛ с помощью спирометра.

После максимального выдоха в легких остается 1000—1500 мл воздуха, называют остаточным. Это связано с тем, что благодаря более низкого давления в плевральной полости по отношению к атмосферному легкие не смыкаются и всегда имеют остатки воздуха.

У тренированных людей при нагрузке, конечно, растет дыхательный объем, а у нетренированных в ответ на нагрузку растет частота дыхательных движений.

[править] Регуляция дыхания

[править] Нервная регуляция

Регуляция дыхания

Дыхание регулируется как нервной, так и гуморальной системами организма. В продолговатом мозге существует безусловно-рефлекторный центр регуляции дыхания — дыхательный центр. Он обеспечивает скоординированную ритмичную деятельность дыхательных мышц (сокращение и расслабление), которая вызывает поочередно вдох и выдох, и приспособление дыхания к изменениям условий внешней и внутренней среды организма.

Автоматизм дыхательного центра обусловлено нервными импульсами, которые поступают из нервных окончаний легких, сосудов, мышц. Хотя работа дыхательного центра автоматическая (она не прекращается у спящего или без сознания человека) — однако она зависит от воли человека. Человек может произвольно затормозить или ускорить дыхания (условно-рефлекторная регуляция дыхания). Объясняется это контролем дыхательного центра корой больших полушарий мозга. Кроме попеременной замены вдоха выдохом дыхательный центр осуществляет замыкание дыхательных рефлексов:

  • задержку дыхания во время погружения тела в воду,
  • защитные рефлексы кашля и чихания, регуляцию деятельности мышц гортани, которые согласовывают глотание с дыханием.

[править] Гуморальная регуляция

Гуморальная регуляция дыхания происходит из-за содержания углекислого газа в крови. Нейроны дыхательного центра чувствительны к этому газу, если в крови, омывающей дыхательный центр, есть избыток углекислого газа, тогда возбудимость дыхательного центра растет, и дыхание становится частым и глубоким. Если СО2 в крови мало, то это вызывает торможение дыхания.

При физических нагрузках мышцы выполняют усиленную работу, и количество углекислого газа в крови возрастает, что становится одной из причин углубления и усиления дыхательных движений.

[править] Причины нарушения регуляции дыхания

Причинами нарушения регуляции дыхания чаще всего становятся:

  • Физическая нагрузка,
  • Недостаток кислорода в воздухе,
  • Болезни сердца, легких, повышенная температура окружающей среды,
  • Нарушение функции центра дыхания (травма головы, действие ядов).
  • Потеря нервной связи между дыхательным центром и дыхательными мышцами (повреждение шейного отдела позвоночника и спинного мозга).

[править] Источники

[править] Литература

  • Костычев С. П. Физиология растений. — 3. — М.-Л., 1937. — Т. 1.
  • Бах А. Н. Собрание трудов по химии и биохимии. — М., 1950.
  • Таусон В. А. Основные положения растительной биоэнергетики. — М.-Л., 1950.
  • Джеймс А. Дыхание растений, пер. с англ. — М., 1956.
  • Палладин В. И. Избранные труды. — М., 1960.
  • Михлин Д. М. Биохимия клеточного дыхания. — М., 1960.
  • Сент-Дьердьи А. Биоэнергетика, пер. с англ. — М., 1960.
  • Рубин Б. А., Ладыгина М. Е. энзимологии и биология дыхания растений. — М., 1966.
  • Рэкер Э. Биоэнергетические механизмы, пер. с англ. — М., 1967.
  • Рубин Б. А. Курс физиологии растений. — 3. — М., 1971.
  • Кретович В. Л. Основы биохимии растений. — 3. — М., 1971.
Персональные инструменты
Пространства имён

Варианты
Действия
Навигация
Инструменты