Внешнее дыхание
Внешнее дыхание проявляется в периодическом изменении объема грудной клетки: объем грудной клетки то увеличивается - вдох, то уменьшается - выдох. Вдох (инспирация) - является активным актом, так как осуществляется при помощи специализированных дыхательных мышц. К ним относятся наружные межреберные мышцы и диафрагма или грудобрюшная преграда. Чтобы представить, почему при сокращении наружных межреберных мышц происходит увеличение объема грудной клетки, необходимо знать места прикрепления мышц.
Как известно из курса анатомии, наружные межреберные мышцы идут сверху вниз, сзади наперед в косом направлении, причем вышерасположенная мышца прикрепляется к наружной части нижнего края нижерасположенного ребра (рис. 5.1.). Поэтому, при сокращении наружных межреберных мышц ребра, с одной стороны, поднимаются кверху, а с другой, развертываются кнаружи, вследствие чего объем грудной клетки увеличивается во всех трех плоскостях. К тому же, чем сильнее сокращаются мышцы, тем на большую величину изменяется объем грудной клетки. Однако, учитывая закон рычагов, объем нижних отделов грудной клетки увеличивается в 3-4 раза больше, чем верхних отделов. Следовательно, и вентиляция легких в нижних отделах возрастает на такую же величину. Вследствие относительно плохой вентиляции верхних отделов легких, чаще всего патологический процесс развивается именно в области верхушек легких (например, туберкулез).
Большое значение в дыхании имеет диафрагма - во время выдоха ее купол далеко выстоит в грудной полости, во время вдоха он опускается, вследствие чего объем грудной клетки увеличивается..
Кроме того диафрагма во время сокращения отодвигает нижние ребра к периферии, что также ведет к увеличению емкости грудной клетки. Причем, чем сильнее сокращения диафрагма, тем больше увеличивается ее объем.
Если дыхание осуществляется преимущественно за счет наружных межреберных мышц, его называют грудным. Если за счет диафрагмы - брюшным. С 7-14 лет проявляются некоторые половые различия в типе дыхания: у мужчин преобладает брюшной тип (вследствие большого развития мышц плечевого пояса), у женщин - грудной. Наблюдаются возрастные изменения внешнего дыхания: у новорожденных превуалирует диафрагмальное дыхание, позже подключается межреберное. Так если, у щенка перерезать диафрагмальные нервы, то животное погибает от нарушения функции внешнего дыхания.
При некоторых патологических состояниях, главным образом, при поражении дыхательной системы, в процессе дыхания могут принимать участие другие вспомогательные мышцы грудной клетки и шеи (лестничные, трапециевидные, ромбовидные, мышцы плечевого пояса и другие, облегчающие вдох). Однако, чтобы эти мышцы принимали участие в дыхательных движениях, необходимо, чтобы их фиксированная часть находилась вне грудной клетки (рис. 5.2.). Например, когда больному тяжело дышать, он опирается на верхние конечности или фиксирует их к перилам кровати. В таком положении при сокращении вспомогательных мышц легче увеличивается объем грудной клетки.
Выдох (экспирация), в отличие от вдоха, является преимущественно пассивным актом, так как в его осуществлении не принимают участие мышцы. Он происходит за счет следующих факторов: эластической тяги легких, эластического сопротивления реберных хрящей, сопротивления внутренних органов, тяжести грудной клетки. При глубоком же выдохе, этот процесс становится активным, так как он выполняется при помощи внутренних межреберных мышц. Специфическое прикрепление этих мышц с внутренней стороны грудной клетки и их ход позволяет уменьшать активно объем грудной клетки за счет смещения ребер (рис. 5.1.). Итак, во время вдоха объем грудной клетки увеличивается, во время выдоха - уменьшается.
Естественно возникает вопрос: “Для чего следует изменять объем грудной клетки?”. Изменение объема грудной клетки необходимо для того, чтобы изменять объем легких для осуществления вентиляции находящегося там воздуха, что лежит в основе газообмена между кровью и альвеолярным воздухом. Чтобы понять его, необходимо вспомнить некоторые анатомические особенности легочной системы. Как известно, легкие находятся в герметически закрытой полости – “мешке”, причем внутренняя поверхность грудной клетки покрыта париетальным листком плевры, который переходит на легкие и покрывает их, образуя висцеральный листок. Между плевральными листками образуется щелевидное пространство (межплевральное образование), в котором, как указано в большинстве физиологических руководств нет ни жидкости, ни воздуха.
Очень важно понимать, что в этом межплевральном образовании у взрослого здорового человека как во время вдоха, так и во время выдоха, давление ниже атмосферного – “отрицательное”, которое, в свою очередь, колеблется. Поэтому за счет отрицательного давления висцеральный листок плевры плотно прижимается к париетальному. Значение этого давления можно определить, если в межплевральное образование ввести полую иглу, соединенную с манометром, который регистрирует следующие цифры: при спокойном выдохе - 753-754 мм рт. ст., отрицательность составляет 6-7 мм рт. ст.. При спокойном вдохе - 751-752 мм рт. ст., отрицательность составляет 8-9 мм рт. ст.; при глубоком вдохе - 748-749 мм рт. ст., отрицательность составляет 11-12 мм рт. ст.; при глубоком выдохе - 757-758 мм рт. ст., отрицательность составляет 2-3 мм рт. ст.
У новорожденных на выдохе давление равно атмосферному, во время вдоха оно несколько уменьшается. Следовательно, у здорового взрослого человека давление в межплевральной области во все фазы дыхательного цикла сохраняется меньше атмосферного; причем, во время вдоха это давление уменьшается, а во время выдоха - увеличивается. При спокойном вдохе давление в межплевральном образовании, как видно из приведенных выше цифр, падает на 2-3 мм рт. ст., во время же глубокого вдоха - на 4-5 мм рт. ст. Уменьшение давления в межплевральном образовании является основной причиной увеличения объема легких во время вдоха, то есть, 2-3 мм рт. ст. являются той силой, которая и растягивает легкие. Так, во время увеличения объема грудной клетки давление в межплевральном образовании уменьшается и вследствие разности давлений воздух активно поступает в легкие и увеличивает их объем.
Во время же выдоха давление возрастает, и также в силу разности давлений, воздух выходит, легкие спадаются. Вспомогательной причиной изменения объема легких являются силы межмолекулярного сцепления, которые наблюдаются между листками плевры, покрытыми тонким слоем жидкости, подобно слипанию кусочков тонкой резины, смоченной жидкостью. Таким образом, в силу разности давлений, легкие движутся за грудной клеткой, как тень за человеком. Описание закономерности биомеханики легких, имеющие место в процессе дыхания, очень хорошо демонстрирует схема, предложенная ученым Дондерсом (рис. 5.3.). Модель Дондерса представляет собой легкие животного, помещенные в герметически закрытую стеклянную банку, у которой вместо дна имеется резиновая “диафрагма”. Если оттянуть книзу эту резиновую “диафрагму”, то легкие расширяются и их объем увеличивается. Это происходит потому, что давление внутри стеклянной банки уменьшается, и, в силу разности давлений, в легкие, сообщающиеся с внешней средой и не сообщающиеся с полостью банки, поступает воздух, активно растягивая их.
Возникает вопрос: “Какова природа отрицательного давления в межплевральной области?”. Основным фактором, формирующим отрицательное давление, является эластическая тяга легких. Известно, что в альвеолах имеется много эластических волокон, придающих легким эластические свойства. Во время увеличения объема легких эти эластические элементы растягиваются, но в силу эластических свойств стремятся прийти в исходное состояние. Висцеральный листок постоянно стремится оторваться от париетального, создавая эластическую тягу. Отсюда, величина отрицательности должна приравниваться к величине эластической тяги. Наличие постоянной отрицательности в межплевральном образовании у здорового взрослого человека обусловливает постоянное растяжение легких, что является благоприятным фактором для осуществления внешнего дыхания.
По иному проявляются эти закономерности у новорожденных. Как отмечалось раньше, у новорожденных на высоте выдоха отрицательность в межплевральном пространстве отсутствует, она проявляется только во время вдоха, когда легкие растягиваются, образуя отрицательное давление. Тот факт, что легкие новорожденного в состоянии выдоха не растянуты, ухудшает вентиляционные свойства и способствует развитию различных заболеваний дыхательной системы. Как показывают ранее приведенные цифры, величины отрицательности в межплевральном образовании с возрастом увеличиваются, что объясняется неодинаковой скоростью роста тканей грудной клетки и легких. Скорость роста тканей грудной клетки опережает таковую легких, вследствие чего отрицательность увеличивается с возрастом.
Эластические свойства легких имеют большое физиологическое значение. Они способствуют выдоху, а также не дают возможность легким перерастягиваться. Потеря эластических свойств с возрастом или под влиянием профессиональных вредностей приводит к нарушению функции внешнего дыхания и патологии сердечно-сосудистой системы. Последние проявляются в том, что при ослаблении эластичности легких, происходит сдавливание капилляров, что приводит к недостаточности правого сердца.
В 1929 году ученый Неергардт показал, что в формировании отрицательного давления в межплевральном образовании известное значение имеет не только эластическое свойство легких, но и поверхностное натяжение, которое создается жидкостью, покрывающей альвеолы. Так, если животным ввести фермент эластазу, который разрушает эластические волокна, отрицательность уменьшается, но не исчезает. И если далее нарушить поверхностное натяжение путем введения жидкости в легкие, то отрицательность также уменьшится.