Физиология и функции дыхательной системы

 

Основная поза для дыхательных практик

Дыхание – сложный физиологический механизм, обеспечивающий обмен кислородом и углекислым газом между клетками и внешней средой. Кислород постоянно поглощается клетками и одновременно идет процесс удаления из организма углекислого газа, который образуется в результате биохимических реакций, протекающих в организме. Кислород участвует в реакциях окисления сложных органических соединений с их конечным распадом до углекислого газа и воды, в ходе чего образуется необходимая для жизни энергия.

Кроме жизненно необходимого газообмена, внешнее дыхание обеспечивает другие важные функции в организме, например способность к звукообразованию. В этом процессе участвуют мышцы гортани, дыхательные мышцы, голосовые связки и полость рта, а сам он возможен только при выдохе. Вторая важная «недыхательная» функция – обоняние.

Кислород в нашем организме содержится в небольшом количестве – 2,5–2,8 л, причем около 15 % этого объема находится в связанном состоянии.

В покое человек в минуту потребляет приблизительно 250 мл кислорода и удаляет около 200 мл углекислого газа. Таким образом, при остановке дыхания запаса кислорода в нашем организме хватает всего на несколько минут, затем наступает повреждение и гибель клеток, в первую очередь страдают клетки ЦНС. Для сравнения: без воды человек способен прожить 10–12 сут (в организме человека запас воды в зависимости от возраста составляет до 75 %), без еды – до 1,5 мес. При интенсивной физической нагрузке расход кислорода резко возрастает и может доходить до 6 л в минуту.

Функцию дыхания в организме человека осуществляет дыхательная система, в которую входят органы внешнего дыхания (верхние дыхательные пути, легкие и грудная клетка, включая ее костно-хрящевой каркас и нервно-мышечную систему), органы транспорта газов кровью (сосудистая система легких, сердце) и регуляторные центры, обеспечивающие автоматизм дыхательного процесса.

Грудная клетка образует стенки грудной полости, в которой расположены сердце, легкие, трахея и пищевод. Она состоит из 12 грудных позвонков, 12 пар ребер, грудины и соединений между ними. Передняя стенка грудной клетки короткая, она сформирована грудиной и реберными хрящами. Задняя стенка образована позвонками и ребрами, тела позвонков расположены в грудной полости. Ребра соединены между собой и с позвоночником подвижными суставами и принимают активное участие в дыхании. Промежутки между ребрами заполнены межреберными мышцами и связками. Изнутри грудная полость выстлана пристеночной, или париетальной, плеврой.

 

Мышечная система, обеспечивающая дыхание

Дыхательные мышцы подразделяют на осуществляющие вдох (инспираторные) и осуществляющие выдох (экспираторные). К основным инспираторным мышцам относят диафрагму, наружные межреберные и внутренние межхрящевые мышцы.

К вспомогательным инспираторным мышцам принадлежат лестничные, грудиноключично-сосцевидные, трапециевидные, большие и малые грудные.

К экспираторным мышцам относят внутренние межреберные, прямые, подреберные, поперечные, а также наружную и внутреннюю косые мышцы живота.

Поскольку грудобрюшная перегородка, диафрагма, имеет крайне важное значение в процессе дыхания, рассмотрим ее строение и функции более подробно. Эта обширная изогнутая (выпуклостью кверху) пластина полностью разграничивает брюшную и грудную полости. Диафрагма – главная дыхательная мышца и важнейший орган брюшного пресса. В ней выделяют сухожильный центр и три мышечные части с названиями по тем органам, от которых они начинаются, соответственно выделяют реберную, грудинную и поясничную области. При сокращении купол диафрагмы удаляется от стенок грудной клетки и уплощается, за счет чего увеличивается объем грудной полости и уменьшается объем брюшной полости. При одновременном сокращении диафрагмы с мышцами брюшного пресса повышается внутрибрюшное давление. Следует учесть, что к сухожильному центру диафрагмы крепятся париетальная плевра, перикард и брюшина, то есть перемещение диафрагмы смещает органы грудной и брюшной полости.

Диафрагма в дыхательной системе

К дыхательным путям относят путь, который воздух проходит от носа до альвеол. Их делят на воздухоносные пути, расположенные вне грудной полости (это носовые ходы, глотка, гортань и трахея) и внутригрудные дыхательные пути (трахея, главные и долевые бронхи).

Воздухоносные пути

Мы рассмотрим основную функцию аппарата дыхания – внешнее дыхание, при котором происходит газообмен в легких, то есть поступление кислорода к дыхательной поверхности легких и удаление углекислого газа. В процессе внешнего дыхания принимают участие собственно аппарат дыхания, включающий воздухоносные пути (нос, глотка, гортань, трахея), легкие и инспираторные (дыхательные) мышцы, расширяющие грудную клетку во всех направлениях.

Подсчитано, что в среднем суточная вентиляция легких составляет около 19 000–20 000 л воздуха, а за год через легкие человека проходит более 7 млн л воздуха!

Легочная вентиляция обеспечивает газообмен в легких и снабжается благодаря чередованию вдоха (инспирации) и выдоха (экспирации). Вдох – это активный процесс за счет инспираторных (дыхательных) мышц, основные из которых – диафрагма, наружные косые межреберные мышцы и внутренние межхрящевые мышцы. Диафрагма – это мышечно-сухожильное образование, разграничивающее брюшную и грудную полости, при ее сокращении увеличивается объем грудной клетки. При спокойном дыхании диафрагма смещается вниз на 2–3 см, а при глубоком форсированном экскурсия диафрагмы может достигать 10 см!

Внутригрудные дыхательные пути

 

Процесс дыхания условно можно разделить на три этапа:

• внешнее, или легочное, дыхание;

• транспорт газов кровью (транспортировка кислорода кровью к тканям и клеткам, одновременно удаление из тканей углекислого газа);

• тканевое (клеточное) дыхание, которое осуществляется непосредственно в клетках в специальных органеллах.

При вдохе за счет расширения грудной клетки пассивно увеличивается объем легких, давление в них становится ниже атмосферного, что дает возможность проникать в них воздуху. Во время вдоха воздух первоначально проходит через нос, глотку и затем поступает в гортань. Носовое дыхание у человека очень важно, так как при прохождении воздуха через нос происходит увлажнение и согревание воздуха. Кроме того, эпителий, выстилающий полость носа, способен задерживать мелкие инородные тела, поступающие с воздухом. Таким образом, воздухоносные пути также выполняют очистительную функцию.

Гортань, вид спереди

 

Гортань находится в передней области шеи, сверху она соединена с подъязычной костью, снизу переходит в трахею. Спереди и с боков располагаются правая и левая доли щитовидной железы. Гортань участвует в акте дыхания, защите нижних дыхательных путей и голосообразовании, состоит из 3 парных и 3 непарных хрящей. Из этих образований в процессе дыхания важную роль выполняет надгортанник, который предохраняет дыхательные пути от попадания инородных тел и пищи. В гортани условно выделяют три отдела. В среднем отделе расположены голосовые связки, которые образуют самое узкое место гортани – голосовую щель. Голосовые связки играют основную роль в процессе звукообразования, а голосовая щель – при дыхательной практике.

 

Голосовые связки

 

Из гортани воздух поступает в трахею. Трахея начинается на уровне 6-го шейного позвонка; на уровне 5-го грудного позвонка она делится на 2 главных бронха. Сама трахея и главные бронхи состоят из незамкнутых хрящевых полуколец, что обеспечивает их постоянную форму и не дает им спадаться. Правый бронх шире и короче левого, расположен вертикально и служит продолжением трахеи. Он делится на 3 долевых бронха, так как правое легкое разделяется на 3 доли; левый бронх – на 2 долевых бронха (левое легкое состоит из 2 долей). Затем долевые бронхи делятся дихотомически (надвое) на бронхи и бронхиолы более мелких размеров, заканчиваясь дыхательными бронхиолами, на конце которых расположены альвеолярные мешочки, состоящие из альвеол – образований, в которых, собственно, и происходит газообмен. В стенках альвеол находится большое количество мельчайших кровеносных сосудов – капилляров, которые служат для проведения газообмена и дальнейшей транспортировки газов. Бронхи с разветвлением их на более мелкие бронхи и бронхиолы (до 12-го порядка стенка бронхов включает в себя хрящевую ткань и мышцы, это препятствует спадению бронхов во время выдоха) внешне напоминают дерево. К альвеолам подходят терминальные бронхиолы, которые являются разветвлением 22-го порядка.

Количество альвеол в организме человека достигает 700 млн, а их суммарная площадь составляет 160 м².

К слову, наши легкие имеют огромный резерв; в покое человек использует не более 5 % дыхательной поверхности.

 

Альвеолы

 

Газообмен на уровне альвеол идет непрерывно, он осуществляется методом простой диффузии за счет разницы парциального давления газов (процентного соотношения давления различных газов в их смеси). Процентное давление кислорода в воздухе составляет около 21 % (в выдыхаемом воздухе его содержание – приблизительно 15 %), углекислого газа – 0,03 %.

Спокойный выдох – пассивный процесс за счет нескольких факторов.

• После прекращения сокращения инспираторных мышц ребра и грудина опускаются (за счет силы тяжести) и грудная клетка уменьшается в объеме, соответственно, увеличивается внутригрудное давление (становится выше атмосферного) и воздух устремляется наружу.

• Легкие сами по себе обладают эластической упругостью, которая направлена на уменьшение объема легких. Этот механизм обусловлен наличием пленки, выстилающей внутреннюю поверхность альвеол, которая содержит сурфактант – вещество, обеспечивающее поверхностное натяжение внутри альвеол. Так, при перерастяжении альвеол сурфактант ограничивает этот процесс, стремясь сократить объем альвеол, в то же время не позволяя им спадаться полностью. Механизм эластической упругости легких также обеспечивается за счет мышечного тонуса бронхиол.

Глубокий выдох – активный процесс с участием вспомогательных мышц. В качестве экспираторных мышц при глубоком выдохе выступают мышцы живота (косые, прямая и поперечные), при сокращении которых возрастает давление в брюшной полости и поднимается диафрагма. К вспомогательным мышцам, обеспечивающим выдох, также можно отнести межреберные внутренние косые мышцы и мышцы, сгибающие позвоночник.

 

Глубокий вдох и спокойный выдох

 

Внешнее дыхание можно оценить с помощью нескольких параметров.

• Дыхательный объем. Количество воздуха, которое в спокойном состоянии поступает в легкие. В покое норма составляет приблизительно 500–600 мл. Объем вдоха немного больше, так как углекислого газа выдыхается меньше, чем поступает кислорода.

• Альвеолярный объем. Часть дыхательного объема, которая участвует в газообмене.

• Анатомическое мертвое пространство. Образуется в основном за счет верхних дыхательных путей, которые заполнены воздухом, но сами не участвуют в газообмене. Оно составляет около 30 % от дыхательного объема легких.

• Резервный объем вдоха. Количество воздуха, которое человек может дополнительно вдохнуть после обычного вдоха (может достигать 3 л).

• Резервный объем выдоха. Остаточный воздух, который можно выдохнуть после спокойного выдоха (у отдельных людей достигает 1,5 л).

• Частота дыхания. В среднем составляет 14–18 дыхательных циклов в минуту. Она обычно возрастает при физической нагрузке, стрессе, беспокойстве, когда организму требуется больше кислорода.

• Минутный объем легких. Определяется с учетом дыхательного объема легких и частоты дыхания в минуту.

В нормальных условиях продолжительность фазы выдоха длиннее, чем вдоха, приблизительно в 1,5 раза.

Из характеристик внешнего дыхания важен еще тип дыхания. Он зависит от того, осуществляется ли дыхание только с помощью экскурсии грудной клетки (грудной, или реберный, тип дыхания) либо в процессе дыхания основное участие принимает диафрагма (брюшной, или диафрагмальный, тип дыхания). Для женщин более характерен грудной тип дыхания, хотя физиологически более оправдано дыхание с участием диафрагмы. При этом виде дыхания лучше вентилируются нижние отделы легких, увеличивается дыхательный и минутный объем легких, организм затрачивает меньше энергии на процесс дыхания (диафрагма движется легче, чем костно-хрящевой каркас грудной клетки).

Параметры дыхания на протяжении всей жизни человека регулируются автоматически, в зависимости от потребностей в определенное время. Центр регуляции дыхания состоит из нескольких звеньев.

В качестве первого звена регуляции выступает необходимость поддержания на постоянном уровне напряжения кислорода и углекислого газа в крови. Эти параметры постоянны, при выраженных нарушениях организм может существовать всего несколько минут.

Второе звено регуляции – периферические хеморецепторы, расположенные в стенках сосудов и тканях, которые реагируют на снижение уровня кислорода крови либо на повышение уровня углекислого газа. Раздражение хеморецепторов вызывает изменение частоты, ритма и глубины дыхания.

Мозговой центр дыхания

 

Третье звено регуляции – собственно дыхательный центр, который состоит из нейронов (нервных клеток), расположенных на различных уровнях нервной системы. Различают несколько уровней дыхательного центра.

• Спинальный дыхательный центр, расположенный на уровне спинного мозга, иннервирует диафрагму и межреберные мышцы; его значение – в изменении силы сокращения этих мышц.

• Центральный дыхательный механизм (генератор ритма), находящийся в продолговатом мозге и варолиевом мосту, обладает свойством автоматизма и регулирует дыхание в покое.

• Центр, расположенный в коре больших полушарий и гипоталамусе, обеспечивает регуляцию дыхания при физической нагрузке и в состоянии стресса; кора головного мозга позволяет произвольно регулировать дыхание, производить самовольную задержку дыхания, осознанно менять его глубину и ритм и т. д.

Следует отметить еще один важный момент: отклонение от нормального ритма дыхания обычно сопровождается изменениями со стороны других органов и систем организма. Одновременно с изменением частоты дыхания часто нарушается частота сердечных сокращений и становится нестабильным артериальное давление.

 

Физиология кровообращения

Жизнь высших организмов невозможна без постоянной циркуляции биологических жидкостей – крови и лимфы. Эту задачу выполняет система кровообращения, или сердечно-сосудистая система. Она включает в себя сердце и сосуды – кровеносные и лимфатические.

Высшие организмы, в том числе человек, имеют замкнутую систему кровообращения, кровь находится только в сосудах, перемещаясь с помощью работы сердца. Постоянное движение крови по организму обеспечивает следующие функции:

• доставку кислорода и питательных веществ непосредственно к тканям и клеткам организма;

• удаление углекислого газа и продуктов жизнедеятельности из клеток;

• участие в процессах терморегуляции организма;

• участие лимфатической системы (части системы кровообращения) в поддержании иммунитета с помощью выработки и распределения по организму специальных клеток и иммунных тел.

Непрерывное движение крови по сосудам происходит благодаря постоянной работе сердца. Сердце – это своеобразный биологический насос, который работает в течение всей жизни.

 

Система кровообращения человека

В среднем у взрослого человека в минуту сердце перекачивает до 6 л крови, в течение суток – порядка 8000 л; за жизнь объем крови, проходящий через сердце, достигает 170–200 млн л.

Сердце расположено в грудной клетке позади грудины и закреплено в центральной части диафрагмы. По обе стороны от него расположены легкие, сверху находятся главные кровеносные сосуды и бифуркация трахеи (разделение ее на два основных бронха). Сердце представляет собой полый четырехкамерный мышечный орган. Стенка сердца (миокард) состоит из типических мышечных волокон, которые обеспечивают сократительную функцию сердца, и атипических волокон, которые образуют проводящую систему сердца. Наружная поверхность покрыта фиброзной оболочкой – перикардом. В верхние камеры (предсердия) поступает венозная кровь, в нижние (желудочки) – кровь из предсердий, которая в дальнейшем прибывает в артерии (в аорту – из левого желудочка, в легочную артерию – из правого).

Сердце условно можно разделить пополам, и каждая половина будет состоять из предсердия и желудочка, которые действуют как самостоятельные насосы. При этом правая половина перекачивает венозную кровь, богатую углекислым газом, через легкие (малый круг кровообращения), левая половина обеспечивает движение артериальной, обогащенной кислородом крови (большой круг кровообращения). Во время систолы (сокращения мышцы сердца, или миокарда) вначале сокращаются предсердия, выталкивая кровь в расслабленные желудочки, которые затем также сокращаются. Во время сокращения желудочков предсердия расслаблены, в них поступает кровь из нижней и верхней полых вен, которые несут венозную кровь со всего организма в правое предсердие, а в левое предсердие поступает артериальная кровь из легких по четырем легочным венам. После фазы сокращения сердца следует фаза расслабления – диастола. Соотношение времени систолы и диастолы предсердий составляет приблизительно 1:7, желудочков – 3:5.

Сердце в разрезе

Выходные отверстия из полостей сердца разделены между собой клапанами, которые обеспечивают во время систолы движение крови только в одном направлении, препятствуя ее возвращению. Слева расположены митральный (между предсердием и левым желудочком) и аортальный (между желудочком и аортой) клапаны, справа – трикуспидальный клапан (между предсердием и желудочком), на выходе из правого желудочка – клапан легочной артерии.

Клапаны сердца

В состоянии покоя во время систолы в артерию выбрасывается в среднем приблизительно 50–70 мл крови, при физической нагрузке увеличивается сила сокращений миокарда и объем возрастает до 120 мл (у спортсменов – до 200 мл).

Важнейшая особенность сердца – автоматизм его работы, способность сокращаться под влиянием возникающих в клетках его проводящей системы импульсов.

Выделяют несколько центров проводящей системы.

• Синусно-предсердный (синоатриальный) узел, или узел Киса – Фляка, который расположен в стенке правого предсердия. В норме он – водитель ритма (пейсмекером) I порядка.

• Предсердно-желудочковый (атриовентрикулярный), расположенный в межпредсердной перегородке на границе предсердий и желудочков. Он водитель ритма II порядка, его способность к автоматизму в 2 раза ниже.

• Пучок Гиса, разделяющийся на правую и левую ножки, которые при дальнейшем разветвлении контактируют с клетками сократительного миокарда.

При возникновении и проведении импульсов с проводящей системы сердечная мышца реагирует по закону «все или ничего», то есть сокращение идет по типу одиночного, обеспечивающего перекачивание крови в кровеносные сосуды.

Кровеносные сосуды разделяются на артерии, несущие кровь от сердца, и вены, которые возвращают венозную кровь к сердцу. Вены и артерии связаны между собой микроциркуляторным руслом – капиллярами. От сердца артерии отходят одним стволом (аорта от левого желудочка, легочная артерия от правого желудочка), в дальнейшем разделяясь на более мелкие ветви, в основном дихотомически – надвое. Мелкие ветви разделяются до микроциркуляторного русла, которое состоит из сосудов притока – артериол – и оттока – венул; между собой артериолы и венулы связаны диффузной капиллярной сетью. На уровне капиллярной сети происходит обмен веществ и газов между кровью и тканями. Затем кровь поступает в венулы, которые объединяются в более крупные ветви, возвращающие кровь к сердцу.

Строение различных сосудов отличается между собой и зависит от выполняемых ими функций. Так, стенка артерий состоит из трех слоев, причем средний слой включает эластическую ткань и гладкие мышцы, которые поддерживают упругость и сократимость сосудистой стенки. Эти качества обеспечивают нормальное артериальное давление и регулируют просвет сосудов. Внутренний слой артерий (интима) по толщине составляет несколько клеток, придающих внутренней стенке артерий гладкость для лучшего движения крови.

Стенки капилляров состоят только из эндотелия (нескольких слоев клеток), что обеспечивает хороший обмен веществ и газов через сосудистую стенку.

Строение вен отличается от артерий тем, что мышечный слой выражен значительно слабее, так как венозное давление намного ниже артериального; вторая особенность заключается в наличии в них клапанов, поддерживающих кровоток в одном направлении.

В целом удобнее рассматривать систему кровообращения, начиная с возврата крови к правым отделам сердца. В правое предсердие кровь поступает по двум крупным венам: верхняя полая вена возвращает кровь от верхней половины туловища, нижняя – несет кровь от нижней половины тела. Из предсердия кровь поступает в правый желудочек, при сокращении которого через легочную артерию кровь нагнетается в легкие. Разветвление легочных артерий образует капиллярную сеть, которая связана с альвеолами. Именно на этом уровне происходит обмен газами между альвеолами и кровью, так называемый этап тканевого дыхания. Затем кровь, обогащенная кислородом, возвращается к сердцу и по четырем венам (две от каждого легкого) впадает в левое предсердие. В дальнейшем во время систолы левый желудочек под высоким давлением выталкивает кровь в аорту, от которой ответвляются все артерии, образующие большой круг кровообращения, снабжающие кровью все органы и ткани организма.

Кровь в сосудах распределена неравномерно: около 12 % присутствует в артериях и венах малого круга кровообращения (в легких), около 60 % – в венах большого круга, 15 % – в артериях большого круга, 5 % – в капиллярах, остальная кровь находится в сердце. Такое распределение крови характерно для состояния покоя.

 

Схема кругов кровообращения

Для обеспечения нормального кровотока по всему организму требуется определенный уровень кровяного давления. Во время систолы давление поддерживается за счет силы сокращения, во время диастолы – за счет эластических сил крупных сосудов. Чередование систолы и диастолы придает кровотоку пульсирующий характер, известный как пульс. Его можно обнаружить на любой крупной артерии. В норме у взрослого человека пульс составляет 60–75 уд./мин и соответствует частоте сердечных сокращений.

Нормальное артериальное давление регулируется многими факторами, главные из которых – сила сердечных сокращений, объем крови в артериях и сопротивление мелких сосудов движению крови. Во время систолы давление в норме у взрослого человека составляет 100–120 мм рт. ст., во время диастолы – 60–70 мм рт. ст. Разница между этими показателями называется пульсовым давлением и в норме она около 50 мм рт. ст.

При выполнении любой мышечной работы параллельно изменяется работа сердечно-сосудистой системы. Это необходимо для обеспечения повышенных потребностей работающих клеток в кислороде и питательных веществах, а также выведения увеличенного количества продуктов распада и углекислого газа.

 

Малый круг кровообращения

Характерными компенсаторными механизмами приспособления к повышенной нагрузке являются:

• увеличение частоты сердечных сокращений (до 180 в минуту);

• увеличение силы сокращения миокарда (с 50–60 до 100–120 мл);

• увеличение частоты и силы сердечных сокращений (происходит под влиянием симпатического отдела вегетативной нервной системы и адреналина);

• увеличение систолического артериального давления; диастолическое же давление либо остается на прежнем уровне, либо снижается за счет уменьшения периферического сопротивления сосудов току крови, что облегчает движение крови и уменьшает нагрузку на сердце;

• увеличение скорости движения крови по артериям, при котором увеличивается диаметр сосудов в работающих органах и мышцах и одновременно уменьшается просвет сосудов в не работающих в данный момент органах (наблюдается перераспределение объема крови в пользу работающих органов);

• уменьшается время полного кругооборота крови;

• в работающих мышцах открываются резервные сосуды;

• практически не меняется кровоток головного мозга;

• увеличивается сердечный кровоток. Можно подсчитать, что если во время нагрузки частота сердечных сокращений возрастает в 3 раза, а объем выбрасываемой крови – в 2 раза, то общая работа сердца (минутный объем кровообращения) возрастает в 6 раз.

 

 

 

Пранаяма

Как мы уже отмечали, в учении йоги утверждается, что, регулируя свое дыхание, можно научиться контролировать свое сознание, а искусство управлять своим дыханием называется пранаямой. Это слово пришло к нам из санскрита и дословно обозначает «управление энергией (праной) посредством управления своим дыханием». Слово «пранаяма» состоит из нескольких частей: «прана» означает «жизненная энергия», «яма» – «контроль, управление», его также можно перевести как «остановка». В некоторых традициях считается, что пранаяма – цель всех асан, бандх и мудр.

 

Контроль над дыханием – путь к контролю над сознанием