Дыхание ( аспирация [1] или вентиляция ) — это процесс перемещения воздуха в легкие и из них для облегчения газообмена с внутренней средой , в основном для выведения углекислого газа и поступления кислорода .
Всем аэробным существам кислород необходим для клеточного дыхания , которое извлекает энергию из реакции кислорода с молекулами, полученными из пищи, и производит углекислый газ в качестве отходного продукта. Дыхание, или внешнее дыхание, переносит воздух в легкие, где газообмен происходит в альвеолах посредством диффузии . Система кровообращения организма транспортирует эти газы в клетки и обратно, где происходит клеточное дыхание. [2] [3]
Дыхание всех позвоночных животных , имеющих легкие, состоит из повторяющихся циклов вдоха и выдоха через разветвленную систему трубок или дыхательных путей , ведущих от носа к альвеолам. [4] Число дыхательных циклов в минуту — это частота дыхания или дыхания и является одним из четырех основных жизненно важных показателей жизни. [5] В нормальных условиях глубина и частота дыхания автоматически и бессознательно контролируются несколькими гомеостатическими механизмами , которые поддерживают постоянным парциальное давление углекислого газа и кислорода в артериальной крови. Поддержание парциального давления углекислого газа в артериальной крови неизменным при самых разных физиологических обстоятельствах в значительной степени способствует жесткому контролю pH внеклеточной жидкости (ECF). Учащенное дыхание ( гипервентиляция ) и недостаточное дыхание ( гиповентиляция ), уменьшающие и повышающие артериальное парциальное давление углекислого газа соответственно, вызывают повышение pH внеклеточной жидкости в первом случае и понижение pH во втором. Оба вызывают тревожные симптомы.
Дыхание имеет и другие важные функции. Он обеспечивает механизм речи , смеха и подобных выражений эмоций. Он также используется для устранения таких рефлексов , как зевание , кашель и чихание . Животные, которые не могут регулировать терморегуляцию с помощью пота из-за отсутствия достаточного количества потовых желез , могут терять тепло за счет испарения при тяжелом дыхании.
Легкие не способны самостоятельно раздуваться и расширяются только при увеличении объема грудной полости . [6] [7] У человека, как и у других млекопитающих , это достигается в первую очередь за счет сокращения диафрагмы , а также за счет сокращения межреберных мышц , которые тянут грудную клетку вверх и наружу, как показано на рисунках на рисунке. верно. [8] Во время форсированного вдоха (рисунок справа) добавочные мышцы вдоха , которые соединяют ребра и грудину с шейными позвонками и основанием черепа, во многих случаях посредством промежуточного прикрепления к ключицам , раздвигают ручку насоса и движения рукоятки ковша (см. иллюстрации слева), вызывающие большее изменение объема грудной полости. [8] Во время выдоха (выдоха), в состоянии покоя, все мышцы вдоха расслабляются, возвращая грудную клетку и живот в положение, называемое «положением покоя», которое определяется их анатомической эластичностью. [8] На этом этапе легкие содержат функциональную остаточную емкость воздуха, объем которой у взрослого человека составляет около 2,5–3,0 литров. [8]
При тяжелом дыхании ( гиперпноэ ), как, например, при физической нагрузке, выдох осуществляется за счет расслабления всех мышц вдоха (так же, как и в покое), но, кроме того, и мышц живота, а не пассивных. , теперь сильно сокращайтесь, заставляя грудную клетку тянуться вниз (спереди и по бокам). [8] Это не только уменьшает размер грудной клетки, но и подталкивает органы брюшной полости вверх к диафрагме, которая, как следствие, выпячивается глубоко в грудную клетку. Объем легких в конце выдоха теперь меньше воздуха, чем «функциональная остаточная емкость» в состоянии покоя. [8] Однако у нормального млекопитающего легкие не могут быть полностью опорожнены. У взрослого человека в легких после максимального выдоха всегда остается не менее одного литра остаточного воздуха. [8]
Диафрагмальное дыхание заставляет живот ритмично выпячиваться и опускаться назад. Поэтому его часто называют «брюшным дыханием». Эти термины часто используются как взаимозаменяемые, поскольку они описывают одно и то же действие.
При активации вспомогательных мышц вдоха, особенно при затрудненном дыхании , ключицы подтягиваются вверх, как объяснялось выше. Это внешнее проявление использования добавочных мышц вдоха иногда называют ключичным дыханием , что особенно наблюдается во время приступов астмы и у людей с хронической обструктивной болезнью легких .
В идеале воздух сначала выдыхается, а затем вдыхается через нос . Носовые полости (между ноздрями и глоткой ) довольно узкие, во-первых, разделенные надвое носовой перегородкой , а во-вторых, боковыми стенками, имеющими несколько продольных складок или полочек, называемых носовыми раковинами , [9] обнажая тем самым большая площадь слизистой оболочки носа попадает в воздух при его вдохе (и выдохе). Это заставляет вдыхаемый воздух забирать влагу из влажной слизи и тепло из расположенных ниже кровеносных сосудов, так что к тому времени, когда он достигает гортани , воздух почти насыщается водяным паром и имеет почти температуру тела . [8] Часть этой влаги и тепла возвращается, когда выдыхаемый воздух выходит через частично высохшую, охлажденную слизь в носовых проходах во время выдоха. Липкая слизь также задерживает большую часть вдыхаемых твердых частиц, не позволяя им попасть в легкие. [8] [9]
Анатомию типичной дыхательной системы млекопитающих, расположенной ниже структур, обычно относимых к «верхним дыхательным путям» (носовая полость, глотка и гортань), часто описывают как дыхательное дерево или трахеобронхиальное дерево (рисунок слева). Более крупные дыхательные пути дают начало ветвям, которые немного уже, но более многочисленны, чем «стволовые» дыхательные пути, дающие начало ветвям. Дыхательное дерево человека может состоять в среднем из 23 таких разветвлений на все более мелкие дыхательные пути, тогда как дыхательное дерево мыши имеет до 13 таких разветвлений. Проксимальные отделы (ближайшие к верхушке дерева, такие как трахея и бронхи) функционируют в основном для передачи воздуха в нижние дыхательные пути. Более поздние отделы, такие как респираторные бронхиолы, альвеолярные ходы и альвеолы, специализируются на газообмене . [8] [10]
Трахея и первые отделы главных бронхов находятся вне легких. Остальная часть «дерева» разветвляется внутри легких и в конечном итоге распространяется на каждую часть легких .
Альвеолы представляют собой концы «дерева» со слепыми концами, а это означает, что любой воздух, попадающий в них, должен выходить тем же путем, которым он пришел. Подобная система создает мертвое пространство — термин, обозначающий объем воздуха, который заполняет дыхательные пути в конце вдоха и выдыхается в неизмененном виде во время следующего выдоха, так и не достигнув альвеол. Точно так же мертвое пространство заполняется альвеолярным воздухом в конце выдоха, который первым вдыхается обратно в альвеолы во время вдоха, прежде чем свежий воздух следует за ним. Объем мертвого пространства типичного взрослого человека составляет около 150 мл.
Основная цель дыхания — освежить воздух в альвеолах, чтобы в крови мог происходить газообмен . Уравновешивание парциальных давлений газов альвеолярной крови и альвеолярного воздуха происходит за счет диффузии . После выдоха легкие взрослого человека еще содержат 2,5–3 л воздуха, их функциональную остаточную емкость или ФОЕ. При вдыхании поступает всего около 350 мл нового, теплого, увлажненного атмосферного воздуха, который хорошо смешивается с ФОК. Следовательно, газовый состав ФОК меняется очень мало в течение дыхательного цикла. Это означает, что легочная, капиллярная кровь всегда уравновешивается относительно постоянным составом воздуха в легких и скорость диффузии с газами артериальной крови остается одинаково постоянной при каждом вдохе. Таким образом, ткани тела не подвергаются большим колебаниям напряжения кислорода и углекислого газа в крови, вызванным дыхательным циклом, а периферические и центральные хеморецепторы измеряют только постепенные изменения содержания растворенных газов. Таким образом, гомеостатический контроль частоты дыхания зависит только от парциального давления кислорода и углекислого газа в артериальной крови, что также поддерживает постоянный pH крови. [8]
Частота и глубина дыхания автоматически контролируются дыхательными центрами , получающими информацию от периферических и центральных хеморецепторов . Эти хеморецепторы постоянно контролируют парциальное давление углекислого газа и кислорода в артериальной крови. Первыми из этих сенсоров являются центральные хеморецепторы на поверхности продолговатого мозга ствола мозга , которые особенно чувствительны к pH , а также к парциальному давлению углекислого газа в крови и спинномозговой жидкости . [8] Вторая группа датчиков измеряет парциальное давление кислорода в артериальной крови. Вместе последние известны как периферические хеморецепторы и расположены в телах аорты и сонных артерий . [8] Информация от всех этих хеморецепторов передается в дыхательные центры в мосту и продолговатом мозге , которые реагируют на колебания парциального давления углекислого газа и кислорода в артериальной крови, регулируя частоту и глубину дыхания, в таких способ восстановления парциального давления углекислого газа до 5,3 кПа (40 мм рт. ст.), рН до 7,4 и, в меньшей степени, парциального давления кислорода до 13 кПа (100 мм рт. ст.). [8] Например, физические упражнения увеличивают выработку углекислого газа активными мышцами. Этот углекислый газ диффундирует в венозную кровь и в конечном итоге повышает парциальное давление углекислого газа в артериальной крови. Это немедленно ощущается хеморецепторами углекислого газа в стволе мозга. Дыхательные центры реагируют на эту информацию увеличением частоты и глубины дыхания до такой степени, что парциальное давление углекислого газа и кислорода в артериальной крови почти сразу же возвращается к тем же уровням, что и в состоянии покоя. Дыхательные центры сообщаются с дыхательными мышцами посредством двигательных нервов, из которых, вероятно, наиболее важными являются диафрагмальные нервы , иннервирующие диафрагму. [8]
Автоматическое дыхание можно в ограниченной степени отменить простым выбором или облегчить плавание , речь , пение или другую вокальную тренировку. Подавить побуждение дышать до состояния гипоксии невозможно, но тренировки могут повысить способность задерживать дыхание. Было доказано, что практика осознанного дыхания способствует расслаблению и снятию стресса, но не доказано, что она приносит какую-либо другую пользу для здоровья. [11]
Существуют и другие рефлексы автоматического контроля дыхания. Погружение, особенно лица, в холодную воду вызывает реакцию, называемую рефлексом ныряния . [12] [13] Первоначальный результат – перекрытие дыхательных путей из-за притока воды. Скорость обмена веществ замедляется. Это сочетается с интенсивной вазоконстрикцией артерий конечностей и внутренних органов брюшной полости, в результате чего кислород, находящийся в крови и легких в начале погружения, сохраняется почти исключительно для сердца и мозга. [12] Нырятельный рефлекс — часто используемая реакция у животных, которым регулярно приходится нырять, таких как пингвины, тюлени и киты. [14] [15] Он также более эффективен у очень маленьких младенцев и детей, чем у взрослых. [16]
Вдыхаемый воздух по объему содержит 78% азота , 20,95% кислорода и небольшое количество других газов, включая аргон , углекислый газ, неон , гелий и водород . [17]
Выдыхаемый газ содержит от 4% до 5% по объему углекислого газа, что примерно в 100 раз больше, чем вдыхаемое количество. Объем кислорода уменьшается примерно на четверть, от 4% до 5% от общего объема воздуха. Типичный состав: [18]
Помимо воздуха, подводные дайверы, занимающиеся техническим дайвингом , могут дышать смесями дыхательных газов , богатых кислородом, обедненных кислородом или богатых гелием . Пациентам, находящимся под медицинским наблюдением, иногда вводят кислород и обезболивающие газы. Атмосфера в скафандрах состоит из чистого кислорода. Однако для регулирования скорости вдоха оно поддерживается на уровне около 20% от земного атмосферного давления. [ нужна цитата ]
Атмосферное давление снижается с высотой над уровнем моря (высотой), а поскольку альвеолы открыты для внешнего воздуха через открытые дыхательные пути, то и давление в легких с высотой снижается с такой же скоростью. На высоте по-прежнему требуется перепад давления для подачи воздуха в легкие и из них, как и на уровне моря. Механизм дыхания на высоте по существу идентичен дыханию на уровне моря, но со следующими отличиями:
Атмосферное давление уменьшается по экспоненте с высотой, уменьшаясь примерно вдвое с каждым подъемом на 5500 метров (18000 футов). [23] Однако состав атмосферного воздуха практически постоянен на высоте ниже 80 км в результате постоянного перемешивания погодных условий. [24] Таким образом , концентрация кислорода в воздухе (ммоль O 2 на литр воздуха) снижается с той же скоростью, что и атмосферное давление. [24] На уровне моря, где давление окружающей среды составляет около 100 кПа , кислород составляет 21% атмосферы, а парциальное давление кислорода ( PO 2 ) составляет 21 кПа (т.е. 21% от 100 кПа). На вершине горы Эверест , высотой 8848 метров (29029 футов), где общее атмосферное давление составляет 33,7 кПа, кислород по-прежнему составляет 21% атмосферы, но его парциальное давление составляет всего 7,1 кПа (т.е. 21% от 33,7 кПа = 7,1 кПа). . [24] Следовательно, на высоте необходимо вдохнуть больший объем воздуха, чем на уровне моря, чтобы вдохнуть такое же количество кислорода за данный период.
При вдохе воздух нагревается и насыщается водяным паром , проходя через нос и глотку , прежде чем попасть в альвеолы. Давление насыщенного пара воды зависит только от температуры; при внутренней температуре тела 37 °C оно составляет 6,3 кПа (47,0 мм рт. ст.) независимо от любых других воздействий, включая высоту. [25] Следовательно, на уровне моря воздух трахеи (непосредственно перед поступлением вдыхаемого воздуха в альвеолы) состоит из: паров воды ( P H 2 O = 6,3 кПа), азота ( P N 2 = 74,0 кПа), кислорода ( P О 2 = 19,7 кПа) и следовые количества углекислого газа и других газов всего 100 кПа. В сухом воздухе P O 2 на уровне моря составляет 21,0 кПа по сравнению с P O 2 19,7 кПа в трахейном воздухе (21% от [100 – 6,3] = 19,7 кПа). На вершине Эвереста трахейный воздух имеет общее давление 33,7 кПа, из которых 6,3 кПа приходится на водяной пар, что снижает P O 2 в трахейном воздухе до 5,8 кПа (21% от [33,7 – 6,3] = 5,8 кПа), сверх того, что объясняется только снижением атмосферного давления (7,1 кПа).
Градиент давления , нагнетающий воздух в легкие во время вдоха, также уменьшается с высотой. Удвоение объема легких вдвое снижает давление в легких на любой высоте. Если давление воздуха на уровне моря (100 кПа) приводит к градиенту давления 50 кПа, то же самое на высоте 5500 м, где атмосферное давление составляет 50 кПа, удвоение объема легких приводит к градиенту давления единственного 25 кПа. На практике, поскольку мы дышим плавно, циклично, создавая градиент давления всего 2–3 кПа, это мало влияет на фактическую скорость притока в легкие и легко компенсируется немного более глубоким дыханием. [26] [27] Более низкая вязкость воздуха на высоте позволяет воздуху течь легче, а также помогает компенсировать любую потерю градиента давления.
Все вышеперечисленные эффекты низкого атмосферного давления на дыхание обычно компенсируются увеличением минутного объема дыхания (объема вдыхаемого или выдыхаемого воздуха в минуту), причем механизм для этого является автоматическим. Точное необходимое увеличение определяется гомеостатическим механизмом дыхательных газов , который регулирует артериальные P O 2 и P CO 2 . Этот гомеостатический механизм отдает приоритет регуляции артериального PCO 2 над регуляцией кислорода на уровне моря. Другими словами, на уровне моря артериальное PCO 2 поддерживается на уровне, очень близком к 5,3 кПа (или 40 мм рт. ст.) в широком диапазоне обстоятельств за счет артериального P O 2 , которое может изменяться в пределах очень широкий диапазон значений, прежде чем вызвать корректирующую дыхательную реакцию. Однако, когда атмосферное давление (и, следовательно, атмосферное P O 2 ) падает ниже 75% от его значения на уровне моря, гомеостазу кислорода отдается приоритет над гомеостазом углекислого газа. Это переключение происходит на высоте около 2500 метров (8200 футов). Если это переключение произойдет относительно резко, гипервентиляция на большой высоте вызовет резкое падение артериального PCO 2 с последующим повышением pH артериальной плазмы, что приведет к респираторному алкалозу . Это один из факторов высотной болезни . С другой стороны, если переход на кислородный гомеостаз неполный, то гипоксия может осложнить клиническую картину с потенциально фатальными последствиями.
Давление увеличивается с глубиной воды со скоростью около одной атмосферы – чуть более 100 кПа или одного бара на каждые 10 метров. Воздух, которым дышат дайверы под водой , находится под давлением окружающей воды, и это имеет сложный спектр физиологических и биохимических последствий. При отсутствии надлежащего контроля вдыхание сжатых газов под водой может привести к ряду нарушений при дайвинге , включая легочную баротравму , декомпрессионную болезнь , азотный наркоз и кислородное отравление . Воздействие дыхательных газов под давлением еще больше усложняется использованием одной или нескольких специальных газовых смесей .
Воздух подается с помощью водолазного регулятора , который снижает высокое давление в водолазном баллоне до давления окружающей среды. Дыхательные характеристики регуляторов являются решающим фактором при выборе подходящего регулятора для конкретного типа погружения . Желательно, чтобы дыхание с помощью регулятора требовало небольших усилий даже при подаче большого количества воздуха. Также рекомендуется подавать воздух плавно, без резких изменений сопротивления при вдохе или выдохе. На графике справа обратите внимание на первоначальный скачок давления при выдохе, приводящий к открытию выпускного клапана, и на то, что первоначальное падение давления при вдохе вскоре преодолевается, поскольку эффект Вентури заложен в регуляторе, чтобы обеспечить легкий всасывание воздуха. Многие регуляторы имеют регулировку, позволяющую изменять легкость вдоха, чтобы дыхание было легким.
К аномальным типам дыхания относятся дыхание Куссмауля , дыхание Био и дыхание Чейна-Стокса .
Другие нарушения дыхания включают одышку (одышку), стридор , апноэ , апноэ во сне (чаще всего обструктивное апноэ во сне ), дыхание через рот и храп . Многие состояния связаны с обструкцией дыхательных путей. Хроническое дыхание через рот может быть связано с заболеванием. [28] [29] Гипопноэ означает слишком поверхностное дыхание ; Гиперпноэ — это быстрое и глубокое дыхание, вызванное потребностью в большем количестве кислорода, например, при физической нагрузке. Термины «гиповентиляция» и «гипервентиляция» также относятся к поверхностному дыханию, а также к быстрому и глубокому дыханию соответственно, но при неподходящих обстоятельствах или заболевании. Однако это различие (например, между гиперпноэ и гипервентиляцией) не всегда соблюдается, поэтому эти термины часто используются как синонимы. [30]
Для диагностики таких заболеваний, как пищевая непереносимость, можно использовать ряд дыхательных тестов . Риноманометр использует акустическую технологию для исследования потока воздуха через носовые ходы. [31]
Слово «дух» происходит от латинского Spiritus , что означает дыхание. Исторически дыхание часто рассматривалось как концепция жизненной силы. В еврейской Библии говорится о том, что Бог вдохнул дыхание жизни в глину, чтобы сделать Адама живой душой ( нефеш ). Это также относится к дыханию как возвращению к Богу, когда смертный умирает. Термины «дух», «прана» , «полинезийский мана» , «еврейский руах » и « психика» в психологии связаны с понятием дыхания. [32]
В тай-чи аэробные упражнения сочетаются с дыхательными упражнениями для укрепления мышц диафрагмы , улучшения осанки и лучшего использования ци тела . Различные формы медитации и йоги пропагандируют различные методы дыхания. Форма буддийской медитации , называемая анапанасати , что означает осознанность дыхания, была впервые представлена Буддой . Дыхательные дисциплины включены в медитацию, некоторые формы йоги, такие как пранаяма , и метод Бутейко для лечения астмы и других состояний. [33]
В музыке некоторые музыканты, играющие на духовых инструментах, используют технику, называемую круговым дыханием . Певцы также полагаются на контроль дыхания .
Общие культурные выражения, связанные с дыханием, включают: «отдышаться», «перехватить дыхание», «вдохновение», «исчезнуть», «вернуть дыхание».
Определенные модели дыхания имеют тенденцию возникать при определенном настроении. Благодаря этой взаимосвязи практики различных дисциплин считают, что они могут способствовать возникновению определенного настроения, приняв тот тип дыхания, в сочетании с которым оно чаще всего возникает. Например, и, возможно, самая распространенная рекомендация заключается в том, что более глубокое дыхание, которое в большей степени задействует диафрагму и живот, может способствовать расслаблению. [11] [34] Практикующие разные дисциплины часто интерпретируют важность регуляции дыхания и ее предполагаемое влияние на настроение по-разному. Буддисты могут считать, что это помогает вызвать чувство внутреннего покоя, холистические целители - что это улучшает общее состояние здоровья [35], а бизнес-консультанты - что это помогает избавиться от стресса на работе.
Во время физических упражнений более глубокое дыхание адаптируется для облегчения поглощения кислорода. Дополнительной причиной для принятия более глубокого режима дыхания является укрепление ядра тела. В процессе глубокого дыхания грудная диафрагма занимает более низкое положение в корпусе, что способствует созданию внутрибрюшного давления, которое укрепляет поясничный отдел позвоночника. [36] Обычно это позволяет выполнять более мощные физические движения. Таким образом, при поднятии тяжестей часто рекомендуется сделать глубокий вдох или принять более глубокий режим дыхания.
{{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link)