10 ФИЗИОЛОГИЯ ДЫХАНИЯ

вехи истории

1661 — М. Мальпиги (М. Malpighi, Италия) ввел понятия «альвеолы» и «кровеносные капилляры».

1771 — А. Лавуазье (A. Lavoisier, Франция) назвал газ, исчезающий при дыхании животных и человека, кислородом и показал, что углекислый газ выделяется живыми организмами в количестве, эквивалентном потреблению кислорода.

1812 — С. Легаллуа (С. Legallois, Франция) путем перерезок доказал местонахождение дыхательного центра в продолговатом мозгу.

1842 — ф. Дондерс (F. Donders, Голландия) предложил механическую модель для изучения вентиляции легких.

1859 — И. М. Сеченов (Россия) заложил основы теории газообмена в легких и транспорт газов. Сконструировал прибор для извлечения газов из крови.

1868 — И. Брейер (J. Breuer, Австрия), К. Геринг (К. Hering, Германия) доказали, что растяжение легких является стимулом для нервных окончаний в легких, сигнал проводится по блуждающим нервам к дыхательному центру. Названо это явление «саморегуляцией дыхания», основанное на взаимосопряженных рефлексах (Геринга—Брейера).

1868 — Э. Пфлюгер (Е. Pfluger, Германия) доказал, что избыток углекислого газа и недостаток кислорода возбуждают дыхательный центр.

1882 — И. М. Сеченов (Россия) впервые обнаружил ритмическую автоматию нейронов дыхательного центра.

1882 — Н. Цунц (N. Zunz, Германия) ввел понятие «мертвое пространство».

1885 — Н. А. Миславский (Россия) доказал, что структура дыхательного центра продолговатого мозга состоит из инспираторного и экспираторного отделов.

1887 — П. Бер (Р. Bert, Франция) показал, что физиологическое действие газов, присутствующих в воздухе, зависит от их парциальных давлений.

1891 — Л. Фредерик (L. Fredericq, Бельгия) установил зависимость работы дыхательного центра от газового состава артериальной крови, установил существование истинного «химического апноэ» при избытке углекислого газа во вдыхаемом воздухе.

1898 — Б. Ф. Вериго (Россия) открыл изменения степени диссоциации оксигемоглобина в зависимости от напряжения CO₂ в крови.

1904 — К. Бор (Ch. Bohr, Дания) впервые выявил своеобразную форму кривых диссоциации растворов гемоглобина — их двойной изгиб.

1915 — Г. Винтерштейн (G. Winterstein, Германия) установил, что изменение концентрации ионов водорода влияет на дыхание.

1915 — Дж. Холдейн (J. Haldane, Великобритания) определил состав альвеолярной смеси газов и вывел закономерности ее постоянства.

1920—1930—е — А. Крог (A. Krogh, Дания) доказал, что газообмен в легких осуществляется путем диффузии.

1926 — Э. Эдриан (Е. D. Adrian, Великобритания) впервые зарегистрировал активность нейронов дыхательного центра.

1928 — Дж. Баркрофт (J. Barcroft, Великобритания) предложил теорию транспорта гемоглобином кислорода и углекислого газа.

1929 — К. Нейергард (К. Neergard, Германия) установил зависимость эластической тяги легких от поверхностного натяжения жидкости в альвеолах.

1929 — П. Дринкер и Макконн (Р. Drinker, McKhann, США) впервые сконструировали аппарат для искусственной вентиляции легких,— «железные легкие».

1931 — О. Варбург (О. Warburg, Германия) — Нобелевская премия за открытие цитохромоксидазы.

1939 — К. Хейманс (С. Heymans, Бельгия) — Нобелевская премия за открытие роли синусного и аортального механизмов в регуляции дыхания.

1956 — Р. Баумгартен (R. Baumgarten, Германия) обнаружил два типа нейронов дыхательного центра в ретикулярной формации продолговатого мозга.

1960—е — Т. Лумсден (Т. Lumsden, Великобритания) доказал местонахождение пневмотаксического центра в среднем мозгу и его значение в регуляции дыхания.

Дыхание — совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода, использование его в биологическом окислении и удаление из него углекислого газа.

Жизнедеятельность любого организма сопряжена с энерготратами, в ходе которых происходит ферментативное расщепление богатых энергией веществ (макроэргов) и прежде всего аденозинтрифосфата (АТФ). Израсходованные источники энергии восстанавливаются сложными путями утилизации питательных веществ, завершающим звеном которых служит биологическое окисление; энергия высвобождается за счет отнятия у субстрата водорода и соединения последнего с атомарным кислородом( Точнее, происходит передача электронов и протонов по дыхательной цепи (сопряженные с биологическим окислением биохимические реакции в этой главе рассматриваться не будут; они излагаются в курсе биохимии) :

2Н + О → Н₂0 + энергия.

В результате этих процессов от субстрата (как правило, это углевод) остаются углекислый газ и вода, например:

C₆H₁₂O₆ + 60₂ → 6С0₂ + 6Н₂0 + энергия.

Поглощение живым организмом O₂ и выделение СО₂ и составляют сущность дыхания. Биологическое окисление происходит с помощью ферментов, локализованных на внутренних мембранах и кристах митохондрий — энергетических центрах клетки. Поэтому в понятие дыхания включают все процессы, связанные с доставкой О₂ из окружающей среды внутрь клетки и с выделением СО₂ из клетки в окружающую среду. Если у одноклеточных дыхательный газообмен совершается относительно просто, то по мере прогрессивной эволюции появляются специальные респираторные приспособления, дающие начало развитию разнообразных по строению и функции органов дыхания.

Различают дыхание клеточное (тканевое) и внешнее (например, трахейное, жаберное, легочное).

Рис. 10.1. Звенья газотранспортной системы организма

1 — вентиляция, 2 — аэрогематический барьер, 3 — транспорт газов кровью, 4 — гематопаренхиматозный барьер, 5 — ткани,клетки; сплошными линиями обозначен конвективный перенос газов, пунктирными — диффузионный.

Перенос газов между клеткой и внешней средой складывается из двух процессов: диффузии и конвекции.

Диффузией называют движение частиц вещества, приводящее к выравниванию его концетрации в среде. Молекулы газа в силу диффузии перемещаются из области большего его парциального давления в область, где его парциальное давление ниже.

Диффузионный обмен газов — проникновение O₂ извне и CO₂ наружу _ полностью обеспечивает протекание биологического окисления у микроскопических организмов. Это так называемое прямое дыхание.

Однако диффузия — процесс довольно медленный. Как показал в начале XX в. А. Крог, если расстояние, на которое должен транспортироваться кислород, превышает 0,5 мм, диффузия не успевает покрывать расход газа. В этом случае она дополняется несравненно более быстрым процессом — конвекцией — переносом О₂ и СО₂ с потоком газовой смеси и/или жидкости. Только конвективный перенос респираторных газов может обеспечить дыхание крупных организмов, величина которых измеряется подчас метрами.

Место диффузии и конвекции в развитой газотранспортной системе организма в общем виде проиллюстрировано на рис. 10.1. Развитие того или иного звена этой системы, его структурно—функциональные особенности зависят от положения данного организма на эволюционной лестнице, среды обитания образа жизни.

10.1. ЭВОЛЮЦИЯ ТИПОВ ДЫХАНИЯ

Дыхание принято считать неотъемлемым атрибутом всего живого. Однако неверно отождествлять появление дыхательной функции организмов с зарождением жизни на Земле.

В раннем протерозое 2,6 млрд. лет назад атмосфера носила не окислительный, а восстановительный характер (она содержала метан, водород), поэтому первые живые существа могли использовать только анаэробные (бескислородные) источники энергии. Лишь к концу докембрия, примерно 600 млн. лет назад, в атмосфере, главным образом в результате жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов, появился свободный кислород, парциальное давление которого в ту пору еще не превышало 1 мм рт. ст. Тогда и стало развиваться собственно дыхание.

Биологическое окисление оказалось более экономичным источником энергии, нежели бескислородные экзотермические реакции. Так, 1 моль глюкозы при полном ее окислении дает около 2880 кДж, тогда как при анаэробном расщеплении того же количества субстрата высвобождается всего 210 кДж. Следует, правда, помнить, что биологическое окисление стало не заменой а важнейшей надстройкой над анаэробными процессами, резко повысившей их энергетическую эффективность. Появление дыхания явилось мощным толчком для прогрессивной эволюции животного мира.

10.1.1. Дыхание беспозвоночных животных

Водные беспозвоночные. Обитатели водной среды — колыбели жизни на нашей планете — получают растворенный кислород непосредственно из воды, в воду же отдают углекислый газ, образующийся в ходе биологического окисления. Прямое дыхание свойственно одноклеточным — простейшим (как, впрочем, и некоторым многоклеточным организмам, например личинкам насекомых). Диффузия респираторных газов через всю поверхность тела присуща губкам, плоским червям.

Конвективный перенос газов появляется у иглокожих; у них наблюдается побуждаемый движением ресничек ток жидкости (где и растворяются газы) через полемическую полость. Здесь функция дыхания еще не отделена от питания и выделения.

В процессе дальнейшего развития «внешний» конвективный транспорт газов дополняется «внутренним»: возникает кровеносная система. Впервые замкнутый контур циркуляции появляется у немертин: их кровь уже содержит химический переносчик кислорода — гемоглобин. Вообще же в кислородном транспорте участвуют различные пигменты (хлоркруорины, гемеретрины, гемоцианины и гемоглобины), встречающиеся у некоторых представителей ряда типов животных: круглых, плоских и кольчатых червей, моллюсков, иглокожих, членистоногих.

Наземные беспозвоночные. Первые воздуходышащие многоклеточные появились в силурийский период. Выходу животных на сушу способствовало в числе прочих факторов обеднение водоемов кислородом при одновременном увеличении в атмосфере его парциального давления, которое в то время (около 450 млн. лет назад) было существенно ниже нынешнего. Молекулярный кислород в воздушной среде значительно доступнее, нежели в водной: скорость диффузии O₂ в воздухе примерно в 300 тыс. раз выше, чем в воде. Правда, поглощение этого газа организмом обязательно проходит стадию растворения в жидкости, покрывающей газообменные поверхности. Этот принцип сохраняется на всех этапах эволюции.

Первый из «сухопутных» типов дыхания встречается у кольчатых червей. Он осуществляется без посредства каких—либо респираторных органов. Газообмен происходит через увлажненный кожный покров, состоящий из однослойного эпителия и обильно снабженный кровеносными сосудами. Мышечные сокращения активно проталкивают кровь, содержащую гемоглобин, в глубокие ткани.

Другой тип обмена газов со средой отмечается у брюхоногих моллюсков. Здесь появляются уже специализированные органы дыхания — примитивные жабры в виде постоянно увлажненных лепестков либо мантийная полость, открывающаяся наружу отверстиями — пневмостомами. Незамкнутая кровеносная система обеспечивает с участием гемоглобина перенос кислорода к тканям.

Разнообразные формы дыхания встречаются у членистоногих. Предки этих животных обитали в воде, а многие (большая часть ракообразных) так и остались воднодышащими. С переходом на сушу листовидные жабры, связанные с конечностями, были преобразованы в мешковидные структуры, так называемые диффузионные легкие. Кислород из этих легких доставляется тканям через незамкнутую кровеносную систему с током гемолимфы, проталкиваемой трубчатым сердцем. Но у большинства членистоногих сформировались совсем новые органы дыхания — трахеи, проникающие глубоко в тело животного. Именно трахейный способ обмена газов характерен для насекомых.

Рис. 10.2 Трахейная система насекомого

1 — трахеи, ведущие к крыльям, 2 — дыхальца, 3 — трахеальные стволы.

Рис. 10.3 Парциальные давления О₂, СО₂ и N₂, а также суммарное давление (Р) в пузырьке, захваченном водным насекомым при нырянии

А— состояние в начале погружения, Б — после быстрого погружения на глубину 1 м, В — состояние на той же глубине спустя некоторое время. Стрелками показано движение молекул газа.

Развитие системы трахей у насекомых было обусловлено, с одной стороны, наличием хитинового покрова, а с другой — очень высокими в расчете на единицу массы тела энерготратами и, следовательно, интенсивным потреблением кислорода (в полете оно увеличивается в десятки, а то и в сотни раз). Дыхательная система насекомого (рис. 10.2) сообщается с наружным воздухом посредством дыхалец (стигм). Каждое дыхальце ведет в полость и далее в широко ветвящиеся трубочки, трахеи, делящиеся в основном в соответствии с сегментами тела. Это ветвление завершают узкие короткие трахеолы, которые достигают клеточных мембран или даже проникают внутрь клеток до митохондрий.

Основным механизмом трахейного дыхания служит диффузия газов, поддерживаемая разностью парциальных давлений между клетками и атмосферой. Кроме того, транспорт респираторных газов обеспечивается конвективными потоками, хотя и весьма непостоянными. Движение воздуха в трахеях вызывается ритмическими сокращениями туловища, которые управляются центрами, расположенными в ряде ганглиев нервной системы насекомого. Ритмические изменения объема груди в полете тоже содействуют вентиляции трахейной системы. Помимо того, дыхание регулируется в зависимости от потребностей тканей в кислороде открытием и закрытием дыхалец, а также активным перемещением кончиков трахеол и содержащейся в них жидкости — плазмы гемолимфы (сама гемолимфа существенной роли в газообмене не играет).

Трахейное дыхание позволяет насекомому приспосабливаться к самым различным условиям жизни. Вместе с тем лежащий в основе данного типа газообмена механизм диффузионного транспорта ограничивает расстояние, на которое переносится кислород. Это одна из причин, препятствующих представителям самого многочисленного класса животных достичь сколько—нибудь значительных размеров.

Некоторые водные насекомые (например, личинки москитов) дышат через водоотталкивающий сифон, выходящий из воды. Многие же при погружении захватывают с собой пузырьки воздуха. Так, жук — окаймленный плавунец (Dytiscus marginalise ныряет с пузырьками воздуха под крыльями или у заднего конца брюшка (рис. 10.3). При погружении насекомого происходит обмен газами между пузырьком и тканями через трахейную систему. Помимо того, может происходить обмен газами между пузырьком и водой, причем скорость этого процесса зависит от градиентов парциальных давлений (напряжений) газов и площади поверхности раздела «вода—воздух».

10.1.2. Дыхание позвоночных животных

Все позвоночные обладают специализированными органами дыхания (за исключением некоторых амфибий, вторично утративших их). Эти органы, как правило, развиваются из выростов кишечной трубки (выше было указано на филогенетическую связь функций дыхания и питания).

Общий принцип функционирования респираторных систем заключается в создании динамического контакта крови с газовой средой, в сочетании кровотока в сосудах органов дыхания (их перфузии) с прокачиванием через эти органы воды или воздуха (их вентиляции). Исключение составляет кожное дыхание амфибий, не требующее особого вентилирующего аппарата.

Водное дыхание. Водное дыхание с помощью жабр присуще большинству рыб. Эти животные набирают воду в ротовую полость, после чего вода выталкивается через жаберные щели. Для извлечения кислорода используется принцип противотока (рис. 10.4). Кровь в жаберных капиллярах течет навстречу воде, омывающей жаберные листки, чему способствует перемещение рыбы в пространстве. Высокая эффективность жаберного дыхания призвана компенсировать большие энерготраты на работу мускулатуры, которая осуществляет вентиляцию жабр водой. Этой мускулатурой управляет обособленный дыхательный центр

Рис. 10.4. Жаберные дуги (четыре) у рыбы. (А), фрагмент двух жаберных дуг (Б), участок жаберной нити с тремя жаберными лепестками на каждой стороне (В), а также участок жабр костистой рыбы., в которых кровь и вода текут в противоположных направлениях (Г)

1 — жаберная крышка, 2 — констрикторная мышца, 3 — жаберные нити, 4 — жаберная полость, 5 — кровеносные сосуды, 6 — ротовая полость, 7 — жаберный скелет, 8 — пластины, 9 — поперечный срез через жаберную нить, 10 — перегородка, 11 — перегородочный канал, 12 — край пластины.

в продолговатом мозгу, приближающийся по своей организации к дыхательному центру млекопитающих. Открытие ритмической активности структур изолированного ствола мозга золотой рыбки (Carassius auratus auratus) явилось важной вехой в познании автоматизма дыхательного центра.

В связи с большой растворимостью СО₂ в воде отдача его происходит легко, поэтому работа респираторного аппарата рыбы служит в основном обеспечению организма кислородом. Сигналы о содержании О₂ в крови, поступающие от хеморецепторов жаберных сосудов, не только регулируют активность дыхательного центра рыбы, но и побуждают ее выбирать зоны водоема с физиологически оптимальной оксигенацией. Подобную поведенческую реакцию активного выбора предпочитаемой дыхательной среды называют газопреферендумом. Некоторые рыбы (угри) поглощают растворенный в воде кислород преимущественно не через жабры, а используя его диффузию через кожу.

Переход от водного дыхания к воздушному. Многие рыбы, спорадически поднимаясь на поверхность водоемов или даже выходя на сушу и заглатывая воздух, дополняют водное дыхание воздушным, для чего используют богато васкуляризированные стенки ротовой полости, глотки, желудка, кишки либо особый дериват кишечной трубки — плавательный пузырь.

Двоякодышащие рыбы. дышат воздухом уже с помощью нового специализированного органа — легкого, которое представляет собой складчатый мешочек (одиночный или парный), происходящий из вентрального выпячивания глотки. Немногочисленные виды двулегочникообразных рыб (Lepidosireniformes) обитают в тропических водах, плохо аэрируемых и к тому же подкисленных. Они не могут обходиться без воздушного дыхания.

Рис. 10.5 Принцип функционирования респираторных систем позвоночных

1 — кровь, 2 — барьер, 3 — среда, 4 — органы дыхания, 5 — диффузия; Pi, Ре — парциальные давления О₂ во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе (воде); Pa, Pv — то же в артериальной и венозной крови.

Подобное изменение условий, очевидно, и способствовало массовому переходу водных позвоночных (это были кистеперые рыбы — предки амфибий) к воздушному дыханию в девонский период (около 400 млн. лет тому назад). Следует учесть, что в ту эпоху парциальное давление 02 в атмосфере было близко к современному. И если в 1 л воды, насыщенной воздухом при температуре О °С, содержится всего 0,014 г 02 (при 30 °С это количество уменьшается вдвое), то в 1 л воздуха его содержание составляет 0,28 г, т. е. в 20 раз больше. Кроме того, плотность воздуха более чем в 700 раз ниже, чем воды, поэтому его вентиляция через органы дыхания требует соответственно меньших энерготрат. На дыхание воздухом перешло большинство амфибий (во всяком случае их взрослые формы), хотя легкие земноводных развиты еще слабо: газообменная поверхность невелика, потоки венозной и артериальной крови в системе циркуляции разведены не полностью. Некоторая доля поглощаемого О₂ и большая часть выделяемого СО₂ диффундирует не через легкие, а через увлажненную кожу, васкуляризация которой меняется в соответствии с интенсивностью кожного газообмена (рис. 10.5).

Дыхательные движения амфибий (как и рептилий) характерны — этим они отличаются и от рыб, и от млекопитающих — длительными остановками, апноэ, во время которых вентилируется только щечно—глоточная полость при закрытой голосовой щели, отделяющей легкие от атмосферы. Лишь время от времени возникают координированные сокращения мышц рта и гортани, нагнетающие воздух в легкие и отсасывающие его обратно. Эти движения управляются нервными центрами ствола мозга в соответствии с импульсацией рецепторов растяжения легких, а также артериальных хеморецепторов, возбуждаемых недостатком кислорода в крови. Кроме того, у многих амфибий наблюдается поведенческая регуляция дыхания, газопреферендум: в зависимости от условий они избирают либо водную, либо воздушную среду.

У наземных рептилий в связи с развитием ороговевающего покрова водное и кожное дыхание становится невозможным (за исключением ящериц). Данный этап эволюции дыхания знаменует окончательный переход от газообмена во влажной среде к «сухой» вентиляции, механизм которой уже почти такой же, как у млекопитающих. Газообменная поверхность легких значительно увеличивается за счет образования мелких ячеек, через густую сеть их сосудов протекает кровь уже обособившегося малого круга. Вместе с тем рептилии еще сохраняют прерывистый характер вентиляции легких, которые заполняются воздухом, однако путем не нагнетания его, а засасывания.

Метаболизм эктотермных (пойкилотермных) позвоночных еще относительно низок, с чем связана сравнительно малая «пропускная способность» их дыхательного аппарата. Как полагают некоторые исследователи, это и явилось причиной неспособности ныне вымерших крупных рептилий адаптироваться к происшедшим в конце мезозоя резким изменениям в среде обитания.

Значительно интенсивнее и устойчивее обменные процессы у эндотермов (гомойотермных животных) — млекопитающих и птиц. Происходит дальнейшее увеличение газообменной поверхности и кровоснабжения легких. В отличие от амфибий и рептилий вновь формируется ритмичный, без пауз, тип вентиляции легких. Существенно изменяется механизм регуляции дыхания из—за того, что весь CO₂ у этих животных удаляется практически только легкими, а продукция его становится в связи с усилением окислительных процессов весьма интенсивной. Возникает затруднение в борьбе с накоплением угольной кислоты в тканях и крови. Поэтому у животных, дышащих исключительно легкими, хотя и увеличивается Роз артериальной крови, одновременно значительно возрастает Рсо₂ (рис. 10.6), усиливается и мощность буферных систем.

Рис. 10.6 Напряжение дыхательных газов в артериальной крови (РаО₂ Pа co₂) у различных классов позвоночных

Жаберное дыхание рыб обеспечивает их кислородом; Р co₂ крови у них низкое, поскольку co₂легко диффундирует через покровы тела в окружающую воду. Дыхательное поведение и жаберное дыхание рыб регулируются по кислороду. У тех рыб, которые в определенных условиях используют воздушное дыхание (а также у рептилий и млекопитающих), не только поступление О₂, но и отдача co₂ в воздушную среду происходят только через легкие. Поэтому Р co₂ крови у воздушнодышащих животных гораздо выше, чем у воднодышащих, и этот параметр становится главным регулятором дыхания. Вместе с тем Рo₂ крови у водно— и воздушнодышащих различаются незначительно.

В силу данных обстоятельств роль главного регулятора дыхания переходит от О₂ к СО₂ и сопряженным с его транспортом ионам Н⁺, а ведущее значение в стимуляции ритмической активности дыхательного центра приобретают вместо артериальных хеморецепторов центральные (медуллярные) хемочувствительные зоны. Все эти особенности будут освещены в соответствующих разделах главы. Вместе с тем дыхание птиц настолько отличается от дыхания млекопитающих, что на нем следует остановиться особо.

Дыхание птиц. Легкие птиц, имеющие губчатое строение, отличаются, во—первых, тем, что газообмен между воздухом и кровью происходит в так называемых воздушных капиллярах, «цилиндрических альвеолах» (по аналогии с мешковидными альвеолами млекопитающих) — и, во—вторых, проточной системой бронхов. Эта система устроена таким образом, что легкие с помощью нескольких воздушных мешков вентилируются свежим воздухом и при вдохе, и при выдохе (см. рис. 10.7). Такой тип дыхания придает легочному газообмену птицы высокую эффективность, необходимую для покрытия интенсивного расходования энергии, особенно в полете. Дыхательные движения грудной стенки создаются в основном сокращениями грудных и брюшных мышц. В полете вентиляции легких (которая помимо газообмена участвует в отдаче избыточного тепла) содействуют движения крыльев.

Дыхательный центр птицы расположен в продолговатом мозгу. Его активность, как и у млекопитающих, контролируется импульсацией от медуллярных хеморецепторов, чувствительных к СО₂ и ионам Н⁺, а также артериальных хеморецепторов, реагирующих, кроме того, и на недостаток О₂, что имеет значение для регуляции дыхания во время полета на больших высотах. В воздухоносных путях птицы находятся механорецепторы, стимуляция которых участвует в регуляции частоты и глубины дыхания. Там же имеются особые хеморецепторы, импульсация из которых усиливается при снижении внутрилегочной концентрации CO₂. Стимуляция этих рецепторов угнетает активность дыхательного центра и снижает тем самым вентиляцию легких, предотвращая чрезмерное вымывание СО₂ из организма, которое могло бы происходить в условиях полета.

Рис. 10.7 Расположение воздушных мешков и легких у птиц (А), а также схема строения легкого птицы, (Б), бронхиального дерева и соединенных с ним воздушных мешков (В)

10.2. ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АКТ И ВЕНТИЛЯЦИЯ ЛЕГКИХ

Дыхание человека и животных (рис. 10.8) можно разделить на ряд процессов: 1 — обмен газами между окружающей средой и альвеолами легких (внешнее дыхание), 2 — обмен газами между альвеолярным воздухом и кровью, 3 — транспорт газов кровью, 4 — обмен газами между кровью и тканями, 5 — потребление кислорода клетками и выделение углекислоты (клеточное, или тканевое, дыхание). Непременным условием протекания этих процессов является их регуляция, приспособление к потребностям организма. Физиология дыхания изучает первые четыре процесса, клеточное дыхание относится к компетенции биохимии.

Респираторная система млекопитающих и человека обладает важнейшими структурно—физиологическими особенностями, отличающими ее от систем дыхания других классов позвоночных.

1. Легочный газообмен осуществляется путем возвратно—поступательной вентиляции альвеол, заполненных газовой смесью относительно постоянного состава, что способствует поддержанию ряда гомеостатических констант организма (см. рис. 10.5).

2. Главную роль в вентиляции легких играет строго специализированная инспираторная мышца — диафрагма, что обеспечивает известную автономию функции дыхания.

3. Центральный дыхательный механизм представлен рядом специализированных популяций нейронов ствола мозга и вместе с тем подвержен модулирующим влияниям вышележащих нервных структур, что придает его функции значительную устойчивость в сочетании с лабильностью.

Обмен газов в легких (рис. 10.9) млекопитающих поддерживается их вентиляцией за счет возвратно—поступательного перемещения воздуха в просвете дыхательных путей, которое происходит в процессе вдоха и выдоха. Легкие млекопитающих резко отличаются от жабр рыб по строению и особенностям вентилляции. Эти различия обусловлены прежде всего тем, что вязкость и плотность

Рис. 10.8 Блок—схема системы дыхания человека

1 — внешнее дыхание, 2 — аэрогематический барьер, 3 — транспорт газов кровью и тканевыми жидкостями, 4 — гематопаренхиматозный барьер, 5 — тканевое дыхание, 6 — нейрогуморальная регуляция дыхания, 7 — потоки энергии.

Рис. 10.9 Трахея и легкие человека

1 — гортань, 2 — хрящ, 3 — трахея, 4 — легкое, 5 — легочная артерия, 6 — бронхиола, 7 — легочная вена, 8 — висцеральная плевра, Я — плевральная полость, 10 — париетальная плевра, 11 — альвеолярный мешочек, в котором находятся альвеолы, 12 — ветвь легочной вены, 13 — ветвь легочной артерии, 14 — терминальная бронхиола, 15 — дыхательная бронхиола, 16 — альвеолярный ход, 17 — альвеолы, 18 — капиллярная сеть в стенках альвеол.

Рис. 10.10 Изменение парциальных давлений (напряжения) кислорода и углекислого газа в процессе газообмена между воздухом (А) или водой (Б) и тканями у наземных и водных животных

воды приблизительно в 1000 раз больше, чем воздуха, а содержание молекулярного кислорода в воде в 3 раза меньше. Помимо того, в воздухе молекулы газа диффундируют в 10 000 раз быстрее, нежели в воде. Именно из—за этих особенностей, как правило, при дыхании воздухом газовая смесь попеременно поступает в легкие и удаляется из них, а при дыхании в воде жидкая среда постоянно обтекает жабры в одном направлении (рис. 10.10).

10.2.1. Дыхательные мышцы

У позвоночных легкие развились из слепых выростов кишки и представляют собой сложное сплетение из трубочек и мешочков, между тем конкретные особенности их строения у разных видов существенно различаются. Уже у земноводных структура легких бывает различная: от гладкомышечного мешотчатого органа у некоторых хвостатых амфибий до более сложного

Рис. 10.11. Зависимость площади дыхательной поверхности от массы тела для некоторых позвоночных животных (А), а также связь между площадью поверхности альвеол и потреблением кислорода у млекопитающих (в покое) (Б)

образования, разделенного перегородками и складками на многочисленные камеры у лягушек и жаб. Количество отсеков у млекопитающих еще больше. Именно благодаря этому площадь дыхательной поверхности на единицу объема легких возрастает. У млекопитающих эта площадь значительно варьирует, принципиально она пропорциональна весу тела и потреблению кислорода (рис. 10.11).

Мышцы, осуществляющие дыхательный акт, подразделяют на инспираторные и экспираторные, способствующие соответственно увеличению и уменьшению объема грудной полости, а также вспомогательные, которые включаются при форсированном дыхании.

Основной инспираторной мышцей служит диафрагма. Установлено, что при спокойном дыхании именно диафрагма практически обеспечивает весь объем легочной вентиляции. Во время вдоха сокращение мышечных волокон диафрагмы ведет к уплощению обеих ее полусфер (куполов). Содержимое брюшной полости оттесняется, и грудная полость увеличивается в продольном направлении, а ее основание расширяется за счет поднятия каудальных ребер.

Диафрагма работает синергично с другим инспиратором — наружными межреберными мышцами (рис. 10.12). Поэтому диафрагму рассматривают как систему двух мышц: реберной и поясничной частей, соединенных сухожильным центром. Первая часть функционально связана с межреберными мышцами параллельно, вторая — последовательно. Имея строение мышечных волокон, некоторыми чертами напоминающее миокард, и моносинаптическую связь с инспираторными нейронами дорсальной дыхательной группы продолговатого мозга, диафрагма как дыхательная мышца отличается особой автономностью и не участвует в других функциях (за исключением экспульсивных актов).

Роль межреберных мышц неоднозначна. Сокращения наружных межреберных и межхрящевых внутренних межреберных мышц (краниальных межреберий), имея тенденцию к подниманию ребер и увеличению диаметра грудной клетки, помогают тем самым диафрагме выполнять ее инспираторную

Рис. 10.12 Принципы, работы мышц—инспираторов А — диафрагма (I) и ее модель (II): 1 — ножка диафрагмы, 2— реберная часть диафрагмы, 3 — межреберные и вспомогательные мышцы, 4 — грудная клетка, 5 —легкое, 6 —живот; Б — движения ребер, позволяющие наружным межреберным мышцам увеличивать при вдохе переднезадний (верхние ребра) и поперечный (нижние ребра) диаметр грудной клетки: I — 1 ребро, II — IV ребро, прямым пунктиром показаны оси шеек ребер; стрелками — перемещение ребер при вдохе.
	Рис. 10.13. Важнейшие вспомогательные инспираторные мышцы (А) и вспомогательные экспираторные дыхательные мышцы (Б)

функцию (рис. 10.12). Напротив, задние (межкостные) участки внутренних межреберных мышц при своем сокращении вызывают опускание ребер и способствуют выдоху. К экспираторным относятся и мышцы брюшной стенки: их функция состоит в повышении внутрибрюшного давления, благодаря чему купол диафрагмы впячивается в грудную полость и уменьшает ее объем.

К вспомогательным респираторным мышцам относят ряд мышц шеи, груди и спины, сокращение которых вызывает перемещение ребер, облегчая действие инспираторов либо экспираторов (рис. 10.13).

10.2.2. Дыхательный акт

С момента рождения каждого млекопитающего легкие всегда находятся в более или менее растянутом состоянии. Это объясняется отрицательным давлением в плевральной полости, окружающей легкие. Оно противостоит эластической тяге легких — упругим силам, которые вызываются эластическими свойствами легочной ткани в сочетании с тонусом бронхиальных мышц и направлены на спадение легкого. В спавшемся состоянии легкие находятся у плода до рождения и первого вдоха, в спавшееся состояние они немедленно возвращаются, если в плевральную полости войдет воздух или газ, — наступает так называемый пневмоторакс.

Во время вдоха, вызванного сокращением мышц—инспираторов, вследствие увеличения объема грудной полости отрицательное давление в плевральной полости возрастает (рис. 10.14). Поэтому, а также благодаря адгезивным силам, возникающим между прилегающими друг к другу париетальным и висцеральным листками плевры, легкие растягиваются еще больше. Увеличение легочного объема, в свою очередь, ведет к падению внутрилегочного (внутриальвеолярного) давления, что и служит причиной поступления в них через дыхательные пути атмосферного воздуха.

Как только инспираторная мускулатура расслабляется, возросшая в ходе вдоха эластическая тяга легких возвращает их в исходное состояние. При этом из—за уменьшения объема легких давление в них становится положительным, воздух из альвеол устремляется через воздухоносные пути наружу.

Таким образом, выдох в отличие от вдоха происходит пассивно, за счет высвобождения потенциальной энергии растянутых во время инспираторной фазы легких.

Лишь при форсированном дыхании включаются мышцы—экспираторы, активно способствующие дополнительному уменьшению объема грудной полости, причем давление в плевральной полости может становиться положительным.

Итак, дыхательный цикл (рис. 10.15) включает две фазы: вдох (инспирацию) и выдох (экспирацию). Обычно вдох несколько короче выдоха: у человека их соотношение равно в среднем 1 : 1,3. Соотношение компонентов

Рис. 10.14.Схема изменения плеврального давления (Рпл) и альвеолярного давления (Ра) при вдохе (слева) и выдохе (справа). Рр — давление в полости рта, R — аэродинамическое сопротивление воздухоносных путей.

Рис. 10.15. Фазы дыхательного цикла I — вдох, II — выдох, а — трансдиафрагмальное давление (разность между давлениями в грудной и брюшной полости), б — объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха (спирограмма), в — скорости инспираторного и экспираторного потоков, г — электрическая активность диафрагмы (электромиограмма).

дыхательного цикла (длительность фаз, глубина дыхания, динамика давления и потоков в воздухоносных путях) характеризует так называемый паттерн дыхания.

В процессе своей работы дыхательные мышцы преодолевают определенное сопротивление. Примерно около 2/3 его приходится на эластическое сопротивление тканей легких и грудной стенки. В свою очередь, около 2/3 эластического сопротивления легких создается за счет поверхностно—активных веществ — сурфактантов, тонким слоем выстилающих изнутри альвеолы. Сурфактанты в основном состоят из липопротеинов. Они стабилизируют сферическую форму альвеол, препятствуя их перерастяжению на вдохе и спадению на выдохе. Остальная часть усилий, развиваемых дыхательными мышцами, тратится главным образом на преодоление неэластического сопротивления газовому потоку в воздухоносных путях.

Неэластическое сопротивление дыханию зависит от просвета воздухоносных путей — особенно голосовой щели, бронхов. Приводящие и отводящие мышцы голосовых складок, регулирующие ширину голосовой щели, управляются через посредство нижнего гортанного нерва группой нейронов, которые сосредоточены в области вентральной дыхательной группы продолговатого мозга (см. разд. 10.4.1). Такое соседство не случайно: во время вдоха голосовая щель несколько расширяется, на выдохе — сужается, увеличивая сопротивление потоку воздуха, что служит одной из причин большей длительности экспираторной фазы. Подобным же образом циклически меняются просвет бронхов и их проходимость.

Тонус гладкой мускулатуры бронхов зависит от активности ее холинергической иннервации: соответствующие эфферентные волокна проходят в составе блуждающего нерва.

Расслабляющее влияние на бронхиальный тонус оказывают симпатическая (адренергическая) иннервация, а также недавно открытая «неадренергическая тормозная» система. Влияние последней опосредуется некоторыми нейропептидами, а также микроганглиями, обнаруженными в мышечной стенке воздухоносных путей; определенный баланс между этими влияниями способствует установлению оптимального для данной скорости воздушных потоков просвета трахеобронхиального дерева.

Рис. 10.16 Легочные объемы человека 1 — общая емкость легких, II — жизненная емкость легких. III — резервный объем вдоха, ГУ — дыхательный объем, V— резервный объем выдоха, VI — остаточный объем, VII — емкость вдоха, VIII — функциональная остаточная емкость; 1 — максимальный выдох, 2 — максимальный вдох, 3 — уровень спокойного выдоха.

Нарушение регуляции бронхиального тонуса у человека составляет основу бронхоспазма, в результате которого резко уменьшается проходимость воздухоносных путей (обструкция) и повышается сопротивление дыханию. Холинергическая система блуждающего нерва участвует также в регуляции секреции слизи и движений ресничек мерцательного эпителия носовых ходов, трахеи и бронхов, стимулируя тем самым мукоцилиарный транспорт — выделение попавших в воздухоносные пути инородных частиц. Избыток слизи, характерный для бронхитов, также создает обструкцию и увеличивает сопротивление дыханию.

Сопротивление дыханию при прочих равных условиях зависит от его паттерна. Чем глубже вдох, т. е. чем больше растягиваются легкие, тем больше эластический компонент этого сопротивления. Неэластический его компонент, наоборот, возрастает с увеличением скорости вдоха и выдоха, т. е. с учащением дыхательных циклов. Отсюда следует, что работа дыхательных мышц увеличивается при слишком глубоком и при чрезмерно частом дыхании.

Благодаря рефлекторным механизмам саморегуляции организм, как правило, избирает оптимальный паттерн дыхания — такой, при котором затраты энергии на каждый литр вентилируемого воздуха наименьшие (рис. 10.16). Поэтому работа, выполняемая респираторными мышцами в покое, относительно невелика и составляет у человека всего 2—3% от общих энерготрат. Однако при форсированном дыхании (например, при физической нагрузке) она резко возрастает за счет увеличения эластического сопротивления избыточно растягиваемых легких и возникновения турбулентных потоков в воздухоносных путях, достигая 10% и более от суммарного расхода энергии.

Объем воздуха, вдыхаемого за каждый дыхательный цикл, — глубина дыхания, или дыхательный объем, — составляет при спокойном дыхании относительно небольшую часть общей емкости легких. При увеличении легочной вентиляции этот объем возрастает за счет дополнительного воздуха (резервного объема), поступающего в легкие при вдохе и изгоняемого при выдохе. Если зафиксировать разницу между максимально глубоким вдохом и максимальным выдохом, получается величина жизненной емкости легких, в которую не входит так называемый остаточный объем, удаляемый только при полном спадении легких.

Однако при спокойном дыхании легкие не опорожняются и до остаточного объема. Ту часть общей емкости легких, которая остается заполненной после обычного выдоха, т. е. при полном расслаблении дыхательных мышц, называют функциональной остаточной емкостью. В нее входит остаточный объем плюс резервный объем выдоха.

10.2.3. Вентиляция легких и внутрилегочный объем газов

Легочной вентиляцией называют объем воздуха, вдыхаемого за единицу времени (обычно используют минутный объем дыхания).

Таким образом, вентиляция — это произведение дыхательного объема на частоту дыхательных циклов. Однако в легочном газообмене участвует не весь вентилируемый воздух, а лишь та его часть, которая достигает альвеол.

Дело в том, что примерно 1/3 дыхательного объема покоя приходится на вентиляцию так называемого мертвого пространства, заполненного воздухом, который непосредственно не участвует в газообмене и лишь перемещается в просвете воздухоносных путей при вдохе и выдохе (рис. 10.17). Следовательно, вентиляция альвеолярных пространств — альвеолярная вентиляция — представляет собой легочную вентиляцию за вычетом вентиляции мертвого пространства. Именно альвеолярная вентиляция обеспечивает обмен газов в легких.

В воздухоносных путях происходит конвективный и диффузионный перенос газов (рис. 10.18). В ходе ветвления воздухоносных путей (рис. 10.19) их суммарное сечение значительно возрастает. Так, у человека от трахеи до альвеол насчитывают 23 таких ветвления (генерации), в ходе которых общая площадь поперечного сечения увеличивается в 4500 раз. Поэтому линейная скорость потока вдыхаемого воздуха по мере приближения к альвеолам постепенно падает.

В трахее, бронхах и бронхиолах перенос газов происходит исключительно путем конвекции. В респираторных бронхиолах и альвеолярных ходах, где воздух движется очень медленно, к этому процессу присоединяется диффузионный обмен, обусловленный градиентом парциальных давлений дыхательных газов:

молекулы О₂ перемещаются в направлении альвеол, где Ро₂ ниже, чем во вдыхаемом воздухе, а молекулы СО₂ — в обратном направлении. Чем медленнее и глубже дыхание, тем интенсивнее идет внутрилегочная диффузия О₂ и Co₂

Происходящий в воздухоносных путях перенос газов направлен на поддержание постоянства парциального давления СО₂ и СО₂ в легочных альвеолах, где идет непрерывный обмен газов с кровью, протекающей через легочные капилляры.

Газовая смесь, заполняющая альвеолы, так называемый альвеолярный газ, служит для млекопитающих своего рода внутренней атмосферой.

Рис. 10.17

Направление потоков воздуха и диффузии кислорода (стрелки) в дыхательных отделах легких во время вдоха и выдоха

Рис. 10.18 Схема действия факторов, влияющих на газообмен в легких

Рис. 10.19 Схема ветвления воздухоносных путей

(слева) и кривая суммарной площади поперечного сечения воздухоносных путей на уровне каждого ветвления (справа)

Бр — бронхи; Бл — бронхиолы; КБл — конечные бронхиолы; ДБл — дыхательные бронхиолы; AX — альвеолярные ходы; А — альвеолы; Z — генерация дыхательных путей.

Таблица 10.1

Газовый состав дыхательной среды и крови у человека (средние величины в покое)

Среда	Кислород		Углекислый газ
	парциальное давление, мм рт.ст.	содержание, об.%	парциальное давление, мм рт. ст.	об. %
Вдыхаемый воздух	159	20,9	0,2	0,03
Выдыхаемый воздух	126	16,6	28	3,7
	103	14,5	40	55
Артериальная кровь	95	20.	40	50
Венозная кровь (смешанная)	40	15	46	54
Артерио—венозная разница	—55	—5	+6	+4

(Примечание. Альвеолярный газ считают полностью насыщенным водяным паром, парциальное давление которого здесь всегда равно 47 мм рт. ст.)

Постоянство состава альвеолярного газа (табл. 10.1) обеспечивается регуляцией дыхания (точнее, альвеолярной вентиляцией) и является необходимым условием нормального протекания газообмена. Воздух, заполняющий мертвое пространство, играет роль буфера, который сглаживает колебания состава альвеолярного газа в ходе дыхательного цикла. Кроме того, мертвое пространство участвует в кондиционирующей функции воздухоносных путей — увлажнении и обогреве вдыхаемого воздуха за счет интенсивного кровоснабжения и секреции слизистой оболочки носовых ходов, носоглотки, гортани, трахеи и бронхов.

Выдыхаемый воздух представляет собой смесь альвеолярного газа и воздуха мертвого пространства, поэтому его состав занимает промежуточное положение между составом вдыхаемого (атмосферного) воздуха и альвеолярного газа (табл. 10.1). В «чистом» виде альвеолярный газ выводится лишь с последней порцией выдоха.

При повышении в организме энерготрат (например, при мышечной деятельности) увеличиваются потребление О₂ и продукция СО₂; регуляторные механизмы повышают альвеолярную вентиляцию путем сооответствующего увеличения глубины и/или частоты дыхания — развивается гиперпноэ, при котором состав альвеолярного газа остается нормальным. Если же рост вентиляции превышает потребность организма в газообмене (гипервентиляция), вымывание СО₂ из альвеол возмещается поступлением его из тканей, альвеолярное Рсо₂ падает (гипокапния). Напротив, при недостаточной вентиляции альвеол (гиповентиляции) в них накапливается избыток СО₂ (гиперкапния), а при резком отставании вентиляции от газообмена, кроме того, снижается Ро₂ (гипоксия). Соответствующие сдвиги –Рсо₂ и Po₂ развиваются при этом и в артериальной крови.

10.2.4. Соотношение вентиляции и перфузии легких

Для нормального процесса обмена газов в легочных альвеолах необходимо, чтобы их вентиляция воздухом находилась в определенном соотношении с перфузией их капилляров кровью (рис. 10.20). Иными словами, минутному объему дыхания должен соответствовать минутный объем крови, протекающей через сосуды малого круга, а этот объем, естественно, равен объему крови, протекающей через большой круг. В обычных условиях вентиляционно—перфузионный коэффициент у человека составляет 0,8—0,9. Например, при альвеолярной вентиляции, равной 6 л/мин, минутный объем крови может составить около 7 л/мин.

В отдельных областях легких соотношение между вентиляцией и перфузией может быть неравномерным. Резкие изменения этих отношений могут вести к недостаточной артериализации крови, проходящей через капилляры альвеол.

Легочные сосуды относят к «емкостной системе». Их просвет в значительной степени зависит от внутригрудного и внутриальвеолярного давления. В малом круге давление крови низкое, что в нормальных условиях предотвращает выпотевание плазмы через альвеолокапиллярную мембрану и образование отека легких. Ширина сосудистого русла регулируется симпатической иннервацией. Имеются и местные механизмы, сопрягающие перфузию альвеол с их вентиляцией. Так, в тех альвеолах, которые не вентилируются или вентилируются воздухом с пониженным содержанием кислорода, капилляры спазмируются, предотвращая бесполезную перфузию.

Легочный кровоток (рис. 10.21) в целом зависит от величины сердечного выброса, поэтому в конечном счете он управляется общими регуляторными механизмами сердечно—сосудистой системы. Отсюда тесная взаимосвязь между регуляцией дыхания и кровообращения, которая особенно ярко проявляется при мышечной деятельности.

К этому следует добавить, что дыхательные колебания внутригрудного давления, действуя по принципу «двойного насоса», не только обеспечивают вентиляцию легких, но и помогают венозному возврату крови к сердцу. В свою очередь, пульсовые толчки давления в воздухоносных путях и альвеолах, вызванные сокращениями сердца, способствуют внутрилегочному смещению газов, создавая его кардиогенный компонент.

Рис.10.20 Вентиляционно—перфузионное соотношение (1 : 10) в легких человека (А) и жабрах форели (Б)

Рис. 10.21 Распределение кровотока в легких человека в вертикальном положении

В прямоугольниках схематично показано состояние сосудов, проходящих в межальвеолярных перегородках разных отделов легких. pa — альвеолярное давление; Ра — артериальное давление; Рв — венозное давление.

10.2.5. Паттерны дыхания

Необходимый для организма объем альвеолярной вентиляции может быть достигнут при разных паттернах дыхания. Так обозначают соотношение параметров внешнего дыхания: его длительности и дыхательного объема, т. е. частоты и глубины дыхания. Например, при объеме мертвого пространства 0,2 л альвеолярная вентиляция может осуществляться при частоте дыхания 10 цикл/мин и дыхательном объеме 0,8 л или при ином сочетании этих показателей.

Какие же факты определяют это соотношение? Чем больше дыхательный объем, тем большее усилие дыхательных мышц необходимо приложить для преодоления эластической тяги легких. В то же время чем чаще дыхание, тем большее сопротивление создается ускоренному воздушному потоку в дыхательных путях. Следовательно, глубокое (хотя и медленное) и частое (хотя и поверхностное) дыхание сопряжено с увеличением энерготрат на вентиляцию легких. Организм избирает такой паттерн дыхания, при котором требуемый уровень альвеолярной вентиляции достигается с наименьшей затратой энергии на работу дыхательных мышц. Таким образом, соотношение между частотой и глубиной дыхания в конечном счете зависит от биомеханических свойств респираторной системы— аэродинамического сопротивления воздухоносных путей и растяжимости легких.

Ритмичность дыхательных циклов относительна. Даже в условиях покоя низкоамплитудные дыхательные движения периодически сменяются движениями большой амплитуды, так называемыми вставочными вдохами, после которых наступает удлиненная пауза (рис. 10.22). Такие высокоамплитудные вдохи способствуют вентиляции альвеол застойных участков легких. Кроме того, структура дыхательного цикла у разных животных даже в нормальных условиях обитания неодинакова. Для мелких животных типичен двухфазный дыхательный цикл: вдох и выдох. У крупных он включает в себя вдох, выдох и паузу. Такой же цикл наблюдается у наркотизированных мелких животных.

При различных состояниях организма, фармакологических воздействиях или неадекватных окружающих условиях наблюдаются расстройства дыхания. Все формы нарушения нормального дыхания объединяются термином «диспноэ». Часто встречается так называемое периодическое дыхание Чейна—Стокса: дыхательные движения постепенно углубляются и учащаются, что приводит к развитию гипервентиляции и гипокапнии. В результате частота и глубина дыхания уменьшаются вплоть до апноэ. Затем концентрация углекислоты в крови увеличивается, что в свою очередь приводит к новому нарастанию частоты и глубины дыхания. Причиной возникновения дыхания Чейна—Стокса могут быть функциональные изменения возбудимости центрального дыхательного механизма, наступающие в результате гипоксии, либо органического поражения дыхательного центра. Дыхание Чейна—Стокса наблюдается иногда у детей младшего возраста, у практически здоровых людей во время сна, а также в горах, где снижение парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе приводит к гипервентиляции и снижению парциального напряжения кислорода и углекислоты в крови.

Рис.10.22 Паттерны дыхания

А — нормальное дыхание; Б — дыхание Чейна—Стокса; В — апнейстическое дыхание; Г — дыхание типа «гаспинг».

В некоторых случаях при повреждении головного мозга у млекопитающих дыхание становится таким же, как у животных, стоящих на более низких ступенях эволюции. При хронической гипоксии головного мозга или отделении перерезкой передней части моста среднего мозга дыхание напоминает «лягушачье» — после развития вдоха следует инспираторная задержка и короткий выдох (см. рис. 10.22). Такой тип дыхания называется апнейстическим. Он может быть вызван снижением тонического импульсного потока к нервным клеткам пневмотаксического центра, регулирующего соотношение фаз дыхательного цикла, или частичной блокадой сенсорной информации, поступающей по блуждающему нерву. Если устранены все влияния, исходящие из ростральных отделов центральной нервной системы, то дыхание приобретает судорожный характер — «гаспинг—дыхание» (от англ. gasp — задыхаться)с резким вдохом максимальной амплитуды, в котором принимают участие не только дыхательные мышцы, но и другая скелетная мускулатура. Выдох происходит активно. Дыхательные движения становятся редкими, с большими экспираторными паузами. «Гаспинг—дыхание» присуще черепахам и суркам во время спячки.

Особый характер дыхания отмечен при одышке, т. е. при нарушении частоты и глубины дыхательных движений, сопровождающихся субъективным ощущением удушья. Возрастание частоты дыхания — физиологическая реакция системы на снижение парциального давления кислорода или повышение парциального давления углекислоты в крови. Рост частоты дыхания сопровождается уменьшением дыхательного объема и эффективности альвеолярной вентиляции, в результате чего расстройство дыхания усугубляется. Различают две формы одышки: инспираторную и экспираторную. Первая характеризуется затрудненным вдохом, увеличением его длительности, повышением энергозатрат дыхательной мускулатуры. Она возникает при сужениях верхних дыхательных путей различного происхождения. При экспираторной одышке нарушается механизм выдоха, увеличивается его продолжительность. Она типична для больных с изменениями вязкоэластических свойств легких или ригидностью грудной клетки, при различных формах патологии сурфактантной системы легких, например, при бронхиальной астме.

Показатели дыхания человека приведены в табл. 10.2.

Таблица 10.2

Показатели дыхания человека

Легочные объемы, л
Общая емкость	6
Жизненная емкость	4,5
Функциональная остаточная емкость	2,4
Остаточный объем	1,2
Дыхательный объем	0,5
Объем мертвого пространства	0,15
Параметры вентиляции
Частота дыхания	14 мин—^1
Минутный объем дыхания	7 л/мин
Альвеолярная вентиляция	5 л/мин
Вентиляция мертвого пространства	2 л/мин
Параметры газообмена
Потребление 02	280 мл/мин
Выделение СО2	230 мл/мин
Дыхательный коэффициент	0,82
Диффузионная способность легких для О2	30 мл мин^—1 • мм рт. ст.^—1(230 мл • мин^—1 • кПа^—1)
Время контакта	0,3с
Параметры механики дыхания
Внутриплевральное давление:
в конце выдоха	— 5 см вод. ст.
в конце вдоха	— 0,8 см вод. ст. (— 8 кПа)
Растяжимость легких	0,2 л/см вод ст. (2 л/кПа)
Растяжимость грудной клетки	0,2 л/см вод. ст. (2 л/кПа)
Растяжимость легких и грудной клетки	0,1 л/см вод. ст. (1 л/кПа)
Сопротивление дыханию	2 см вод. ст. • с • л^—1 (0,2 кПа • с • л^—1)
Функциональные пробы
Относительный объем форсированного выдоха	75%
Максимальный дебит воздуха	10л/с
Максимальная вентиляция легких	100 л/мин
Показателя перфузии
Альвеолярная вентиляция / перфузия	0,9
Шунтовый кровоток / общий кровоток	0,02

10.3. ТРАНСПОРТ ГАЗОВ МЕЖДУ ЛЕГКИМИ И ТКАНЯМИ

Общая схема системы транспорта газов у млекопитающих представляется состоящей из двух последовательно соединенных насосов и двух диффузионных барьеров; последние служат для обмена газами между окружающей средой и тканями (рис. 10.23).

Непрерывность измерения потребления кислорода и выделения углекислого газа в открытых системах основана на двух принципах: кратной порции и постоянного отсоса (рис. 10.24). Принцип кратной порции состоит в том, что испытуемый вдыхает свежий воздух через мундштук с двусторонним клапаном: нос при этом зажат зажимом. Количество выдыхаемого воздуха измеряют с помощью газометра (или пневмотахографа), который регулирует всасывающий насос таким образом, что небольшая порция выдыхаемого воздуха, по величине пропорциональная объемной скорости газового потока, отводится и собирается. Это устройство позволяет получать репрезентативные газовые пробы, содержащие пропорциональные количества всех компонентов выдыхаемого воздуха («кратная порция»). Принцип постоянного отсоса несколько иной, и заключается он в следующем.

Рис. 10.23 Общая схема системы транспорта газов у млекопитающих, состоящая из двух последовательно соединенных насосов и из двух диффузных барьеров, предназначенных для обмена газами между окружающей средой и тканями

Рис. 10.24 Принципы, непрерывного измерения потребления кислорода и выделения углекислого газа в открытых системах А — принцип кратной порции; Б — принцип постоянного отсоса.

Испытуемый вдыхает и выдыхает газовую смесь через мундштук без клапанов (либо через маску или шлем), в то время как насос постоянно прогоняет к мундштуку поток свежего воздуха (в количестве большем, чем это требуется для дыхания). У ответвления, идущего к газовому анализатору, поток смешанного воздуха однороден, поскольку зависит только от интенсивности работы насоса, а не от минутного дыхательного объема. Когда быстро выдыхается большой объем воздуха, он может временно сохраняться в воздушном баллоне. Поскольку выдыхаемый воздух не выходит из системы через входное отверстие и работа насоса равномерна, непрерывно измеряемые изменения концентрации кислорода и углекислого газа у ответвления, идущего к газоанализатору, пропорциональны потреблению кислорода и выделению углекислого газа.

10.3.1. Диффузия кислорода и углекислого газа через аэрогематический барьер

Перенос О₂ из альвеолярного газа в кровь и CO₂ из крови в альвеолярный газ происходит исключительно путем диффузии. Ее движущей силой служат разности (градиенты) парциальных давлений (напряжений) O₂ и СО₂ по обе стороны аэрогематического барьера, образованного альвеолокапиллярной мембраной (см. табл. 10.1). Никакого механизма активного транспорта газов здесь нет.

Кислород и углекислый газ диффундируют в растворенном состоянии: все воздухоносные пути увлажнены слоем слизи. Важное значение для облегчения диффузии 0₂ имеет сурфактантная выстилка альвеол, так как кислород растворяется в фосфолипидах, входящих в состав сурфактантов, гораздо лучше, чем в воде.

В ходе диффузии через аэрогематический барьер молекулы растворенного газа должны преодолеть (рис. 10.25): слой сурфактанта, альвеолярный эпителий,

Рис. 10.25 Аэрогематический барьер

1 — альвеола, 2 — эпителий альвеолы, 3 — эндотелий капилляра, 4 — интерстициальное пространство, 5 — основная мембрана, 6 — эритроцит, 7 — капилляр.

Рис. 10.26 Увеличение напряжения кислорода в эритроцитах во время прохождения их через легочные капилляры

Вверху — поглощение кислорода эритроцитами, внизу — кривая зависимости напряжения кислорода в капилляре РО₂ от времени диффузии t; РаО₂ — парциальное давление в альвеолах; РвО₂ — среднее напряжение кислорода в венозной крови; Рк О₂— среднее для всего времени диффузии значение напряжения кислорода в капилляре; t — время диффузионного контакта.

две основные мембраны, эндотелий кровеносного капилляра. Ввиду того что в транспорте дыхательных газов существенную роль играют эритроциты, к этому списку добавляются слой плазмы и мембрана эритроцита.

Диффузионная способность легких для кислорода очень велика. Это обусловлено огромным числом (сотни миллионов) альвеол и большой их газообменной поверхностью (у человека она составляет около 100 м²), а также малой толщиной (порядка 1 мкм) альвеолокапиллярной мембраны. Диффузионная способность легких у человека равна примерно 25 мл О₂/мин в расчете на 1 мм рт. ст. градиента парциальных давлений кислорода. При учете того, что градиент Ро₂ между притекающей к легким венозной кровью и альвеолярным газом обычно превышает 50 мм рт. ст., этого оказывается вполне достаточно, чтобы за время прохождения через легочный капилляр (около 0,8 с) напряжение кислорода в ней успело уравновеситься с альвеолярным Ро₂. Несколько более низкое (на 3—6 мм рт. ст.) артериальное Роз по сравнению с альвеолярным объясняется проникновением венозной крови в артериальную через невентилируемые альвеолы, а также артериовенозные шунты. Лишь при ускорении легочного кровотока, например при тяжелой мышечной работе, когда время прохождения крови через капилляры альвеол может сокращаться до 0,3 с, наблюдается недонасыщение крови кислородом в легких, что, однако, возмещается увеличением минутного объема крови (рис. 10.26).

Что касается диффузии СО₂ из венозной крови в альвеолы, то даже сравнительно небольшого градиента Рсо₂, (6—10 мм рт. ст.) здесь оказывается вполне достаточно, так как растворимость углекислого газа в 20—25 раз больше, чем у кислорода. Поэтому после прохождения крови через легочные капилляры Рсо₂ в ней оказывается почти равным альвеолярному — обычно около 40 мм рт. ст.

10.3.2. Транспорт кислорода кровью

Лишь небольшая часть О₂ (около 2%), переносимого кровью, растворена в плазме. Основная его часть транспортируется в форме непрочного соединения с гемоглобином, который у позвоночных содержится в эритроцитах. В молекулы этого дыхательного пигмента входят видоспецифичный белок — глобин и одинаково построенная у всех животных простетическая группа — гем, содержащая двухвалентное железо (рис. 10.27).

Присоединение кислорода к гемоглобину (оксигенация гемоглобина) происходит без изменения валентности железа, т. е. без переноса электронов, характеризующего истинное окисление. Тем не менее гемоглобин, связанный с кислородом, принято называть окисленным (правильнее — оксигемоглобин), а отдавший кислород — восстановленным (правильнее — дезоксигемоглобин).

1 г гемоглобина может связать 1,36 мл газообразного О₂ (при нормальном атмосферном давлении). Учитывая, к примеру, что в крови человека содержится примерно 150 г/л гемоглобина, 100 мл крови могут переносить около 21 мл О₂. Это так называемая кислородная емкость крови. Оксигенация гемоглобина (иначе говоря, процент, на который используется кислородная емкость крови) зависит от парциального давления 0₂ в среде, с которой контактирует кровь. Такая зависимость описывается кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 10.28). Сложная S—образная форма этой кривой объясняется кооперативным эффектом четырех полипептидных цепей гемоглобина, кислородсвязывающие свойства (сродство к О₂) которых различны.

Благодаря такой особенности венозная кровь, проходя легочные капилляры (альвеолярное РO₂ приходится на верхнюю часть кривой), оксигенируется почти полностью, а артериальная кровь в капиллярах тканей (где Ро₂ соответствует крутой части кривой) эффективно отдает О₂. Отдаче кислорода способствует

Рис. 10.27 Строение молекулы гема

Рис. 10.28 Кривые диссоциации оксигемоглобина

А — кривая насыщения гемоглобина кислородом при нормальном содержании СО₂, Б — влияние изменения напряжения СО₂ на кривую диссоциации оксигемоглобина; 1 — при низком содержании СО₂, 2 — норма, 3 — при высоком содержании CО₂.

содержащийся в эритроцитах 2,3—дифосфоглицерат, синтез которого усиливается при гипоксии и интенсификации окислительного процесса в тканях.

Кривая диссоциации оксигемоглобина сдвигается вправо при повышении температуры и при увеличении концентрации водородных ионов в среде которая, в свою очередь, зависит от Рсо₂ (эффект Вериго—Бора). Поэтому создаются условия для более полной отдачи кислорода оксигемоглобином в тканях особенно там, где выше интенсивность метаболизма, например в работающих мышцах. Однако и в венозной крови большая или меньшая часть (от 40 до 70%) гемоглобина остается в оксигенированной форме. Так, у человека каждые 100 мл крови отдают тканям 5—6 мл О₂ (так называемая артерио—венозная разница по кислороду) и, естественно, на ту же величину обогащаются кислородом в легких.

Сродство гемоглобина к кислороду измеряется величиной парциального давления кислорода, при которой гемоглобин насыщается на 50% (Р₅₀) у человека оно составляет в норме 26,5 мм рт. ст. для артериальной крови. Параметр Р₅₀ отражает способность дыхательного пигмента связывать кислород. Этот параметр выше для гемоглобина животных, обитающих в бедной кислородом среде, а также для так называемого фетального гемоглобина, который содержится в крови плода, получающего кислород из крови матери через плацентарный барьер.

10.3.3. Транспорт углекислого газа кровью

Хотя СО₂ растворяется в жидкости гораздо лучше, чем O₂, только 3—6% общего количества продуцируемого тканями C0₂ переносится плазмой крови в физически растворенном состоянии. Остальная часть вступает в химические связи (рис. 10.29).

Поступая в тканевые капилляры, С0₂ гидратируется, образуя нестойкую угольную кислоту:

СО₂ + Н₂0 ↔ Н₂СОз ↔H⁺ + НСО₃^—

Направление этой обратимой реакции зависит от Рсо₂ в среде. Она резко ускоряется под действием фермента карбоангидразы, находящегося в эритроцитах, куда СО₂ быстро диффундирует из плазмы.

Около 4/5 углекислого газа транспортируется в виде гидрокарбоната НСО₃^—. Связыванию С0₂ способствует уменьшение кислотных свойств (протонного сродства) гемоглобина в момент отдачи им кислорода — дезоксигенирование (эффект Холдейна). При этом гемоглобин высвобождает связанный с ним ион калия, с которым, в свою очередь, реагирует угольная кислота:

К⁺ + HbO₂ + H⁺ + НСОз^— = HHb + КНСО₃ + 0₂

Часть ионов НСО₃^— диффундирует в плазму, связывая там ионы натрия, в эритроцит же поступают в порядке сохранения ионного равновесия ионы хлора.

Кроме того, также за счет уменьшения протонного сродства дезоксигенированный гемоглобин легче образует карбаминовые соединения, связывая при этом еще около 15% переносимого кровью СО₂.

В легочных капиллярах происходит высвобождение части CO₂, который диффундирует в альвеолярный газ. Этому способствует более низкое чем в плазме, альвеолярное Pco₂, а также усиление кислотных свойств гемоглобина при его оксигенации. В ходе дегидратации угольной кислоты в эритроцитах (эта реакция тоже резко ускоряется карбоангидразой) оксигемоглобин вытесняет ионы калия из гидрокарбоната. Ионы НСОз^— поступают из плазмы в эритроцит,

Рис. 10.29 Реакции, происходящие в процессе обмена кислородом и углекислым газом между эритроцитом (I), плазмой (II) и легочной альвеолой (III) Объяснение см. в тексте.

а ионы Сl^— — в обратном направлении. Таким путем каждые 100 мл крови отдают в легких 4—5 мл С0₂ — то же количество, какое кровь получает в тканях (артерио—венозная разница по СО₂).

Гемоглобин (в силу амфотерных свойств) и гидрокарбонат являются важными буферными системами крови (см. разд. 7.5.2). Гидрокарбонатная система играет особую роль благодаря тому, что в ее состав входит летучая угольная кислота. Так, при поступлении в кровь кислых продуктов метаболизма гидрокарбонат как соль слабой (угольной) кислоты отдает свой анион, а избыток углекислого газа выводится легкими, что способствует нормализации рН крови. Поэтому гиповентиляция легких сопровождается наряду с гиперкапнией увеличением концентрации водородных ионов в крови — дыхательным (респираторным) ацидозом, а гипервентиляция наряду с гипокапнией — сдвигом активной реакции крови в щелочную сторону — дыхательным алкалозом.

10.3.4. Транспорт кислорода и углекислого газа в тканях

Кислород проникает из крови в клетки тканей путем диффузии, обусловленной разностью (градиентом) его парциальных давлений по обе стороны, так называемого гематопаренхиматозного барьера. Так, среднее Ро₂ артериальной крови составляет около 100 мм рт. ст., а в клетках, где кислород непрерывно утилизируется (рис. 10.30), стремится к нулю. Было показано, что кислород диффундирует в ткани не только из капилляров, но частично из артериол. Гематопаренхиматозный барьер помимо эндотелия кровеносного сосуда и клеточной мембраны включает и разделяющую их межклеточную (тканевую) жидкость. Перемещение тканевой жидкости, конвективные токи в ней могут

Рис. 10.30 Химические реакции в эритроцитах при газообмене в тканях (слева) и легких (справа)
	Рис. 10.31 «Каскады» парциальных давлений (напряжений) кислорода и углекислого газа в звеньях газотранспортной системы, организма I — газовая среда, II — кровь; а — атмосфера, б — воздухоносные пути, в — легочные альвеолы, г — аэрогематический барьер, д — артерии, е — тканевые капилляры, ж — гематопаренхиматозный барьер, з — тканевая жидкость — клетки — митохондрии, и. — вены, к — легочные капилляры, л — артерии; цифрами обозначены капилляры почек (2), мышц (2), мозга (3) и сердца (4), где поглощение О2 и продукция СО2 идут наиболее интенсивно; сплошными линиями показан конвективный перенос газов, пунктирными — Диффузионный.

способствовать транспорту кислорода между сосудом и клетками. Ту же роль, как полагают, играют внутриклеточные цитоплазматические токи. И все же преобладающим механизмом переноса кислорода здесь служит диффузия, которая протекает тем интенсивнее, чем выше его потребление данной тканью.

Напряжение кислорода в тканях в среднем составляет 20—40 мм рт. ст. Однако эта величина в различных участках живой ткани отнюдь не одинакова. Наибольшее значение Ро₂ фиксируется вблизи артериального конца кровеносного капилляра, наименьшая — в самой удаленной от капилляра точке («мертвый угол»).

Функция газотранспортной системы организма (рис. 10.31) в конечном счете направлена на поддержание парциального давления кислорода на клеточной мембране не ниже критического, т. е. минимального, необходимого для работы ферментов дыхательной цепи в митохондриях. Для клеток, интенсивно потребляющих кислород, критическое Ро₂ составляет около 1 мм рт. ст. Отсюда следует, что доставка кислорода тканям должна гарантировать поддержание Роз не ниже критического в «мертвом углу». Это требование, как правило, выполняется.

Вместе с тем следует иметь в виду, что напряжение О₂ в тканях зависит не только от снабжения кислородом, но и от его потребления клетками. Наиболее чувствительны к недостатку кислорода клетки мозга, где окислительные процессы очень интенсивны. Именно поэтому мероприятия по реанимации человека (в том числе включение искусственной, аппаратурной вентиляции легких а в качестве первой помощи — искусственное дыхание способом «рот в рот») приносят успех только в том случае, если они начаты не более чем через 4—5 мин после остановки дыхания; позже гибнут нейроны, прежде всего корковые. По той же причине погибают участки сердечной мышцы, лишившиеся доставки кислорода при инфаркте миокарда, т. е. при стойком нарушении кровоснабжения части сердечной мышцы.

В отличие от нервных клеток и клеток сердечной мышцы, скелетные мышцы относительно устойчивы к кратковременному прекращению кислородного снабжения. Они используют при этом в качестве источника энергии анаэробный гликолиз. Кроме того, мышцы (особенно «красные») более выносливы к длительной работе, располагают незначительным резервом кислорода, запасенного в миоглобине. Миоглобин представляет собой дыхательный пигмент, подобный гемоглобину. Однако его сродство с кислородом значительно выше (Р₅₀ = 3—4 мм рт. ст.), поэтому он оксигенируется при относительно невысоком Ро₂, зато отдает кислород при очень низком его напряжении в тканях.

Перенос CO₂ из клеток тканей в кровь тоже происходит главным образом путем диффузии, т. е. в силу разности напряжений СО₂ по обе стороны гемато—паренхиматозного барьера. Среднее артериальное значение Рсо₂ в среднем составляет 40 мм рт. ст., а в клетках может достигать 60 мм рт. ст. Локальное парциальное давление углекислого газа и, следовательно, скорости его диффузионного транспорта в значительной мере определяются продукцией СО₂ (т. е. интенсивностью окислительных процессов) в данном органе.

По той же причине Рсо₂ и Ро₂ в различных венах не одинаковы. Так, в крови, оттекающей от работающей мышцы, напряжение 0₂ гораздо ниже, а напряжение СО₂ гораздо выше, чем, например, в крови, оттекающей от соединительной ткани. Поэтому для определения артериовенозной разницы, характеризующей суммарный обмен газов в организме, исследуют их содержание наряду с артериальной кровью (ее газовый состав практически одинаков в любой артерии) в смешанной венозной крови правого предсердия.

Рассматривая теперь все звенья газотранспортной системы в их совокупности (см. рис. 10.31), можно увидеть, что парциальные давления (напряжения) дыхательных газов образуют своего рода каскады, по которым поток 0₂ движется из атмосферы к тканям, а поток CO₂ — в обратном направлении. На пути этих каскадов чередуются участки конвективного и диффузионного переноса.

10.4. МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ ДЫХАНИЯ

Координированные сокращения дыхательных мышц обеспечиваются ритмической активностью нейронов дыхательного центра. Такие нейроны сгруппированы в целом ряде структур мозгового ствола (см. разд. 3.4.2), поэтому в настоящее время термин дыхательный центр заменяют выражением центральный дыхательный механизм. Неотъемлемым звеном аппарата регуляции дыхания являются также хеморецепторные и механорецепторные системы, обеспечивающие нормальную работу центрального дыхательного механизма в соответствии с потребностями организма в обмене газов.

10.4.1. Центральный дыхательный механизм

Понятие о дыхательном центре появилось еще в XVIII в., когда было обнаружено прекращение дыхания у животных при разрушении ограниченной области продолговатого мозга. Однако современное представление о структуре и функции центрального дыхательного механизма сложилось лишь в последние десятилетия в результате использования электрофизиологических методов исследования, позволивших выявить определенные группы так называемых дыхательных нейронов.

К дыхательным нейронам относят нервные клетки, импульсная активность которых меняется в соответствии с фазами дыхательного цикла. Различают инспираторные нейроны, которые разряжаются в фазу вдоха, экспираторные, активные во время выдоха (рис. 10.32), и целый ряд нейронных популяций,

Рис. 10.32 Паттерны импульсной активности инспираторного (А) и экспираторного (Б) нейронов В — спирограмма; / — вдох, 77 — выдох.

Рис. 10.33 Расположение инспираторных (И) и экспираторных (Э) нейронов в продолговатом. мозгу кошки

Слева — дорсальная поверхность; справа — два поперечных среза {1, 2), на которых изображены области сосредоточения дыхательных нейронов, положение ядра одиночного пути (ЯОП) и двойного ядра (ДЯ). IX и Х — корешки языкоглоточного и блуждающего нервов; С1 — корешок первого шейного спинномозгового нерва.

активность которых или занимает часть определенной фазы дыхательного цикла (ранние, поздние), или включается в моменты перехода инспираторной фазы в экспираторную либо экспираторной в инспираторную.

Центральный дыхательный механизм входит в состав ретикулярной формации ствола мозга. Подавляющая масса дыхательных нейронов сосредоточена в двух группах ядер: дорсальной и вентральной (рис. 10.33). Большая часть нейронов дорсальной группы — инспираторные, бульбоспинальные. Их аксоны направляются в шейные сегменты спинного мозга и образуют синапсы с мотонейронами ядра диафрагмального нерва. Эти нейроны непосредственно управляют сокращением диафрагмы.

Ядра вентральной дыхательной группы содержат инспираторные и экспираторные нейроны. Последние связаны преимущественно с мотонейронами межреберных и брюшных мышц, расположенными в грудных и поясничных сегментах спинного мозга, частично с мотонейронами диафрагмы, обеспечивая дыхательную активность указанных мышц.

Активность центрального дыхательного механизма, в свою очередь, управляется стимулами, исходящими от хеморецепторов и механорецепторов дыхательной системы (о них речь пойдет ниже). Главная особенность работы этого механизма — линейное нарастание активности инспираторных нейронов на протяжении вдоха и резкий обрыв инспираторной активности, знаменующий окончание вдоха и переход к выдоху. Полагают, что этот обрыв осуществляется благодаря тормозному влиянию со стороны особой группы нейронов, возбуждение которых происходит одновременно с инспираторными и усиливается под влиянием афферентной импульсации от рецепторов растяжения легких.

Чем сильнее импульсация от хеморецепторов, тем круче нарастает инспираторная активность и быстрее развивается вдох, но так как при этом резче растягиваются легкие, то вдох быстрее сменяется выдохом. В итоге увеличивается и глубина, и частота дыхания.

Обнаружено, что полному расслаблению инспираторных мышц предшествует плавное снижение их активности, обусловленное, как полагают, включением особой группы нейронов, которые оказывают тормозящее («запирающее») влияние на инспираторную и экспираторную активность. Эту фазу назвали постинспираторной. По—видимому, постинспираторная фаза обеспечивает интервалы, необходимые для опорожнения легких после очередного вдоха. Таким образом, центральный паттерн дыхания включает три фазы: инспираторную, постинспираторную и экспираторную.

Нейроны, связанные с регуляцией дыхания, имеются и в мосту. Здесь выделяют так называемый пневмотаксический центр, который участвует в переключении фаз дыхательного цикла; при разрушении этого центра вдохи становятся затянутыми, необычно глубокими.

Центральный дыхательный механизм продолговатого мозга обладает автоматизмом, т. е. постоянной ритмической активностью. Однако это его свойство у высших позвоночных полностью отлично от автоматии, свойственной, например, узлам проводящей системы сердца, возбуждение которых происходит в силу их внутренних свойств. Дыхательные нейроны функционируют нормально лишь при двух условиях. Первым условием является сохранность связей между их различными группами (хотя пока не установлено, какие именно нейроны являются водителями ритма, пейсмекерами, и существуют ли среди них такие пейсмекеры вообще), вторым условием — наличие афферентной стимуляции. В этом плане важнейшую роль играет импульсация, поступающая от хеморецепторов.

10.4.2. Хеморецепторы и хеморецепторные стимулы дыхания

Основной регулятор активности центрального дыхательного механизма — афферентная сигнализация о газовом составе внутренней среды организма. Эта сигнализация исходит от центральных (бульбарных) и периферических (артериальных) хеморецепторов (рис. 10.34).

Бульбарные хемочувствительные зоны. На вентролатеральной поверхности продолговатого мозга расположены нейрональные структуры, чувствительные к напряжению С0₂ и концентрации ионов H⁺ во внеклеточной жидкости мозга. Локальное воздействие этих факторов вызывает увеличение дыхательного объема и легочной вентиляции. Напротив, снижение Pco₂ и подщелачивание внеклеточной жидкости мозга, а также блокирование холодом или разрушение этих структур ведет к полному или частичному исчезновению реакции дыхания на избыток С0₂ (гиперкапнию) и ацидоз, а также к резкому угнетению инспираторной активности вплоть до остановки дыхания. Так как морфофункциональная организация данных образований и их связи с центральным дыхательным механизмом изучены недостаточно, существует сомнение в том, являются ли они рецепторами в обычном смысле слова или служат своего рода трансформаторами афферентных стимулов дыхания. Поэтому термин бульбарные хеморецепторы следует понимать пока как условный.

Артериальные хеморецепторы. В области бифуркации сонной артерии расположен так называемый сонный, или каротидный, гломус (клубок, тельце). Он обильно снабжается кровью и содержит сложно устроенный рецепторный аппарат, реагирующий на изменения газового состава артериальной крови: повышение напряжения СО₂ (гиперкапнию), увеличение концентрации ионов Н⁺ (ацидоз) и меньше на снижение напряжения О₂ (гипоксемию).

Все три фактора, вызывая возбуждение каротидных хеморецепторов, усиливают активность центрального дыхательного механизма. Особенно важна чувствительность этих рецепторов к гипоксемии, ибо они являются единственными в организме сигнализаторами о недостатке кислорода. Афферентные пути от каротидного гломуса идут через синусную ветвь (языкоглоточного нерва) и достигают дорсальной дыхательной группы нейронов продолговатого мозга.

Аналогичные хеморецепторы имеются в очень мелких гломусных тельцах находящихся в различных участках стенки дуги аорты, а также у некоторых животных (крысы) в брюшной полости (рис. 10.35). Значение их в регуляции дыхания, однако, невелико; по—видимому, они играют роль резервных механизмов.

Хеморецепторные стимулы дыхания. Установлено, что нейроны центрального дыхательного механизма прямой чувствительностью к химизму среды не обладают, а их активность определяется главным образом импульсами от хеморецепторов, прежде всего бульбарных. Главным стимулом, управляющим дыханием, служит гиперкапнический:

чем выше напряжение СО₂ (а с этим параметром связана и концентрация ионов Н⁺) в артериальной крови и внеклеточной жидкости мозга, тем сильнее

Рис. 10.34 Важнейшие звенья системы, регуляции дыхания

1 — центральный дыхательный механизм (показана проекция нейронов вентральной дыхательной группы на нижнюю поверхность продолговатого мозга), 2 — артериальные хеморецепторы (каротидный гломус), 3— бульбарные хемочувствительные зоны, 4 — легочные механорецепторы, 5 — легкие, 6 — диафрагма, 7 — межреберные мышцы.

Рис. 10.35 Расположение хеморецепторов каротидных и аортальных е телец, барорецепторов каротидных синусов и дуги аорты собаки (А), а также расположение участка каротидного тельца крысы (Б)

Рис. 10.36 Зависимость легочной вентиляции от хеморецепторных стимулов:

гиперкапнического (А) и гипоксического в условиях стабилизации гиперкапнического стимула (Б)

возбуждение бульбарных хемочувствительных структур и артериальных хеморецепторов и тем выше вентиляция. Так, если человек (или животное) дышит из того же мешка, куда выдыхает (возвратное дыхание), то по мере роста Рсо₂ в дыхательной среде увеличивается легочная вентиляция (рис. 10.36). Напротив, если усиленно провентилировать легкие животного, резко снизив таким образом артериальное Рсо₂ т. е. вызвав гипокапнию, дыхательные движения прекращаются, пока в крови не восстановится нормальный уровень напряжения С0₂. У бодрствующего человека такое постгипервентиляционное апноэ обычно не наступает (объяснение этому факту будет дано ниже).

Меньшее значение в регуляции дыхания имеет гипоксический стимул. Его выключение с помощью дыхания кислородом либо денервации каротидных клубочков лишь немного (и то не всегда) снижает легочную вентиляцию. Во время дыхания газовыми смесями с пониженным содержанием О₂ благодаря росту активности артериальных хеморецепторов вентиляция нарастает, однако зависимость ее от Ро₂ нелинейна (рис. 10.36). Эта особенность связана с тем, что в соответствии с формой кривой диссоциации оксигемоглобина крутое падение содержания О₂ в крови наступает лишь тогда, когда Роз опускается ниже 80—70 мм рт. ст. — в этот момент и происходит значительный подъем легочной вентиляции. Особенно сильным стимулом для центрального дыхательного механизма является сочетание гиперкапнии с гипоксемией (и связанным с ней ацидозом), и это вполне естественно: интенсификация окислительных процессов в организме сопряжена не только с увеличением поглощения из крови 0₂, но и с обогащением ее С0₂ и кислыми продуктами обмена. Эти сдвиги требуют увеличения объема вентиляции легких.

Функция центральных и артериальных хеморецепторов заключается в поддержании газового и кислотно—основного гомеостаза организма и прежде всего наиболее требовательной к постоянству химизма среды ткани мозга. Недаром рецепторы каротидного тела контролируют химизм крови, снабжающей головной мозг, а бульбарные хемочувствительные структуры — химизм внеклеточной жидкости самого мозга.

10.4.3. Механорецепторы дыхательной системы

Механорецепторы дыхательной системы выполняют двоякую роль: во—первых, они участвуют в регуляции параметров дыхательного цикла — глубины вдоха и его длительности; во—вторых, эти рецепторы служат источником ряда рефлексов защитного характера — кашля, например.

Рецепторы растяжения легких. Эти рецепторы (см. рис. 10.34) локализованы главным образом в гладкомышечном слое стенок трахеобронхиального дерева и чувствительны к трансмуральному давлению, т. е. к разности давлений внутри и снаружи просвета воздухоносных путей. Тем самым эти Механорецепторы оказываются источником сигнализации о растяжении дыхательных путей, а следовательно, и легких. Афферентные волокна рассматриваемых рецепторов идут в составе блуждающего нерва, центральный путь их импульсации прослежен до области дорсальной дыхательной группы ядер продолговатого мозга.

Возбуждение рецепторов растяжения легких, нарастая в ходе вдоха вызывает в конечном счете торможение активности инспираторных нейронов центрального дыхательного механизма, способствуя прерыванию вдоха и смене его выдохом (рефлексы Геринга—Брейера). Так как активность одной части этих рецепторов («статических») зависит от достигнутого легочного объема а другой части («динамических») — от скорости вдоха, то прекращение вдоха наступает тем скорее, чем глубже данный вдох и чем быстрее он развивается. Так регулируется паттерн дыхания — соотношение между глубиной и частотой дыхания.

Роль рецепторов растяжения легких наглядно выявляется при их выключении с помощью блокады или перерезки блуждающих нервов (ваготомии): вдохи становятся углубленными, затянутыми, как это происходит при разрушении пневмотаксического центра. Если же разрушение названного центра сочетать с ваготомией, наступает апнейзис: дыхательные движения останавливаются на вдохе, который лишь изредка прерывается короткими экспирациями.

Ирритантные рецепторы. Ирритантные (от лат. irritatio — раздражать) рецепторы расположены в эпителиальном и субэпителиальном слоях стенок воздухоносных путей. Их афферентные волокна тоже идут в стволе блуждающего нерва. Эти рецепторы реагируют на резкие изменения объема легких, в частности на их спадение, которое вызывает рост инспираторной активности центрального механизма, прерывая таким путем выдох. Чувствительны они и к частицам пыли, скоплению слизи некоторым химическим раздражителям. По—видимому, возбуждение ирритантных рецепторов характерно для многих патологических изменений в легких и воздухоносных путях.

Юкстаальвеолярные (юкстакапиллярные), или J—рецепторы. Эти рецепторы чувствительны к ряду биологически активных веществ (никотину, гистамину, простагландинам и др.), проникающим либо из воздухоносных путей, либо с кровью малого круга. Они локализованы в интерстиции легких вблизи капилляров альвеол и дают начало немиелинизированным С—волокнам, проходящим в составе блуждающего нерва. Стимуляция ирритантных и J—рецепторов проявляется в частом, поверхностном дыхании (тахипноэ), которое наблюдается, например, при ограничении (рестрикции) газообменной поверхности легких.

Рецепторы верхних дыхательных путей. Они служат главным образом источником рефлексов защитного характера, возникающих при скоплении в воздухоносных путях слизи, попадании инородных тел и химических раздражителей. Эти реакции опосредованы афферентными волокнами целого ряда черепных нервов: верхнего гортанного (ветвь блуждающего нерва), языкоглоточного, тройничного и др.

К рефлексам защитного характера относится прежде всего кашель. Механизм кашля состоит в сильном вслед за глубоким вдохом сокращении мышц—экспираторов (главным образом брюшных) при закрытой голосовой щели, что создает компрессию воздуха в просвете трахеобронхиального дерева, после чего голосовая щель открывается и происходит резкий выдох. Чихание вызывается обычно изолированным раздражением рецепторов носа и отличается от кашля тем, что голосовая щель с самого начала остается открытой.

Глотание сопровождается рефлекторным закрытием голосовой щели и торможением дыхательной активности диафрагмы. Остановка дыхательных движений (апноэ) может происходить и за счет рефлексов, возникающих при попадании в воздухоносные пути воды (или при погружении головы в воду), воздействии струи воздуха, особенно холодного, и т. п.

Особые дыхательные движения в форме принюхивания, в которых участвуют и крылья носа, наблюдаются под влиянием специфических пахучих веществ, в том числе феромонов.

Помимо защитных рефлексов рецепторы верхних воздухоносных путей участвуют в регуляции паттерна дыхания.

Проприоцепторы дыхательных мышц. Эти рецепторы контролируют соответствие сокращений «заданию», поступающему по эфферентным путям от центрального дыхательного механизма. В этом отношении важную роль выполняют мышечные веретена межреберной и брюшной мускулатуры. Если укорочение мышцы оказывается меньше заданного (например, вследствие повышенного сопротивления дыханию), импульсация от интрафузальных волокон усиливается и через посредство γ—петли повышается активность соответствующих спинальных α—мотонейронов (рис. 10.37). Сокращение мышцы усиливается, что способствует преодолению возникшего препятствия. Правда, основной инспиратор — диафрагма — бедна мышечными веретенами, здесь преобладают

Рис. 10.37 Связи мышечных веретен с сегментарными мотонейронами спинного мозга

Рассогласование между укорочением интрафузальных (1) и экстрафузальных (3) волокон мышцы, иннервируемых соответственно альфа (α) и гамма (γ) —мотонейронами, вызывает стимуляцию аннулоспирального окончания (2), что ведет к дополнительной активации альфа—мотонейрона. Таким способом, в частности, происходит компенсация увеличенного сопротивления дыханию путем усиления сокращения межреберных мышц и их укорочения до величины, заданной дыхательным центром через посредство прямых (5) и непрямых (4} эфферентных путей.

Рис. 10.38 Схема функционального модуля респираторной части метасимпатической нервной системы

СВ и ПВ — симпатические и парасимпатические нервные волокна;

ГР — генератор ритма; HI, H2 — нейроны генератора ритма; НЗ — интернейрон; В — возбуждающий эффекторный нейрон; Т — тормозный эффекторный нейрон; Cl, C2 — сенсорные клетки; РР — рецепторы растяжения; ИР — ирритантные рецепторы; ГМ — гладкомышечные клетки; ЭП — эпителий; «+» — возбуждающая передача; «—» — тормозная передача; х — холинергические, а — адренергические, п — пептидергические, с — серотонергические синапсы.

сухожильные рецепторы Гольджи. Функцию афферентной системы, контролирующей ее сокращения по принципу обратной связи, выполняют описанные выше механорецепторы легких и воздухоносных путей.

Нейроны респираторной части метасимпатической нервной системы Согласно представлениям, выдвинутым в начале XX столетия Дж. Ленгли клетки интрамуральных ганглиев рассматривались как периферические (постганглионарные) нейроны парасимпатической нервной системы, через которые осуществляется холинергическая иннервация гладкой мышцы. По существующим современным взглядам, основанным на прямых электрофизиологических показателях функции этих клеток, совокупности нейронов интрамуральных ганглиев представляют собой низшие рефлекторные центры, способные к самостоятельной интегративной деятельности.

Функциональная структура этих центров представляется следующим образом (рис. 10.38). Составляющие центр нейроны объединены в функциональные модули, включающие в себя четыре основные группы клеток: формирующие ритмическую активность (генератор ритма), эффекторные возбуждающие и тормозящие мышцу и другие функции нижних дыхательных путей, а также сенсорные. В состав каждой из этих групп может входить несколько клеток. Совокупность таких функциональных модулей, объединенных возбуждающими и тормозными связями, в целом образует периферический нервный центр, управляющий, например, гладкомышечной стенкой всех нижних дыхательных путей. В сфере управления функционального метасимпатического модуля находится не только механика гладкой мышцы, но и функции секретирующего и всасывающего эпителия, местного капиллярного кровотока, местных эндокринных элементов и иммунных структур.

10.4.4. Роль надмостовых структур

Центральный дыхательный механизм мозгового ствола и его афферентные системы обеспечивают поддержание легочной вентиляции, адекватной уровню газообмена в тканях организма, т. е. выполняют гомеостатическую функцию. Вместе с тем дыхательные мышцы (за исключением диафрагмы) участвуют в локомоторных актах, поддержании позы, голосообразовании. Поэтому нейрональные структуры спинного и продолговатого мозга, управляющие респираторной мускулатурой, находятся под контролем вышележащих центров надмостового (супрапонтинного) уровня — мозжечка, среднего и промежуточного мозга, больших полушарий.

Важное значение имеет влияние этих центров в регуляции дыхания, связанной с двигательной активностью организма. Так, собаки с удаленными полушариями мозга почти нормально дышат в покое, но при ходьбе их дыхание нарушается. Особую роль играет кортикальная регуляция дыхания у человека. Это связано прежде всего с участием дыхательного аппарата в речевой функции. Известно, что человек может управлять дыханием произвольно. Это позволяет ему менять частоту и глубину дыхания и даже задерживать его. Однако длительность произвольного апноэ ограничена: как только напряжение накапливающегося в крови CO₂ достигает определенного уровня, сильное возбуждение хеморецепторов (императивный стимул) выводит дыхание из—под произвольного контроля и дыхательные движения возобновляются.

Таким образом, центральный дыхательный механизм жестко ограничивает вмешательство в регуляцию дыхания со стороны супрапонтинных структур, охраняя жизненно важную гомеостатическую, газообменную функцию дыхательной системы.

Однако у бодрствующего человека после произвольной гипервентиляции легких полной остановки дыхания обычно не происходит, хотя в этих условиях практически выключается хеморецепторная стимуляция:

сказывается модулирующее влияние коры мозга, которое предотвращает наступление апноэ в случае неожиданного прекращения адекватной стимуляции дыхательного центра.

Участие высших отделов ЦНС в регуляции дыхания человека проявляется в неприятных ощущениях одышки (диспноэ), которые возникают у него при непомерных функциональных нагрузках на кардио—респираторную систему, например при тяжелой мышечной работе, особенно при сочетании с увеличенным сопротивлением дыханию. В условиях патологии одышка служит одним из признаков дыхательной недостаточности. Общая схема механизмов, участвующих в регуляции дыхания, представлена на рис. 10.39.

Рис. 10.39 Механизмы, участвующие в регуляции содержания дыхательных газов в крови

10.5. ДЫХАНИЕ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СОСТОЯНИЯХ И УСЛОВИЯХ ОБИТАНИЯ ОРГАНИЗМА

Функция дыхания отличается большой подвижностью. Она быстро и точно адаптируется к меняющимся энерготратам организма, обусловленным прежде всего его двигательной активностью. Индивидуальные особенности дыхания зависят от возраста, функционального состояния, образа жизни, ряда факторов среды.

10.5.1. Дыхание в онтогенезе

В период внутриутробной жизни артериализация крови плода осуществляется через плаценту, но первые дыхательные движения возникают уже на определенной стадии внутриутробного развития (у плода человека — со 2—3—го мес), хотя воздухоносные пути эмбриона еще заполнены жидкостью, а легкие находятся в спавшемся состоянии. Постепенно эти движения становятся все более регулярными, но незадолго до родов прекращаются.

После рождения первый вдох (первый крик) происходит в момент пережатия пуповины — очевидно, вследствие резкой стимуляции хеморецепторов благодаря быстрому накоплению в крови CO₂ и убыли О₂. Большое значение при этом имеют тактильные и температурные раздражители, повышающие активность ЦНС, в том числе активность центрального дыхательного механизма. Вначале дыхание новорожденного носит характер судорожных вдохов: грудная клетка и легкие принимают расправленное состояние, в плевральной полости образуется отрицательное давление, из воздухоносных путей удаляется жидкость. Затем устанавливаются ритмичные дыхательные движения, нормализуются газовый состав и кислотно—основное состояние крови.

10.5.2. Влияние уровня бодрствования

Ядра, входящие в состав центрального дыхательного механизма, располагаются в структурах ретикулярной системы мозга, поэтому активность дыхательного центра тесно связана с так называемым уровнем бодрствования, т. е. с общим функциональным состоянием ЦНС. Отсюда — подверженность дыхания влияниям эмоционального, стрессорного характера.

По той же причине во время сна наступает некоторое снижение легочной вентиляции, которое, видимо, обусловлено ослаблением возбудимости центральных хемочувствительных структур. Незрелость этих структур у новорожденных может проявляться в остановке дыхания во сне (апноэ), даже необратимой. Сонное апноэ наблюдается и у пожилых людей, причем оно может сопровождаться спадением (обструкцией) верхних дыхательных путей из—за нарушения регуляции их мускулатуры, что проявляется в храпении.

Нередко наблюдается так называемое периодическое дыхание, характерное для всех случаев ослабленной возбудимости бульбарных хеморецепторов и самого дыхательного центра: дыхательные движения время от времени ослабевают вплоть до полной их остановки, затем (в основном в связи с накоплением в крови СО₂ и усилением хеморецепторной стимуляции) усиливаются, после чего (по мере вымывания СО₂ через легкие) вновь затухают.

Угнетающее влияние на активность дыхательного центра оказывает наркоз, например введение морфина. Подобным же действием обладают эндогенные опиоиды — энкефалины, эндорфины. По—видимому, это связано с участием нейропептидов в регуляции дыхания. Действительно, такие агенты, как тиреолиберин (тиреотропин—рилизинг—гормон) и субстанция Р, напротив, повышают активность дыхательных нейронов.

10.5.3. Эмоциональные и стрессорные факторы

О роли супрапонтинных структур и, в частности, коры мозга в ответах дыхания на влияния, исходящие из внутренней и внешней среды, уже говорилось. К этому следует добавить, что непосредственное участие в реакциях, связанных чаще всего с повышением «уровня бодрствования», принимают нейрональные структуры ретикулярной формации ствола мозга и гормональная система. Дыхательная активность тормозится при «затаивании», боли и, напротив, повышается в связи с предстоящей мышечной деятельностью.

Дыхательные реакции в ответ на эмоциональные факторы особенно ярко выражены у человека. Они носят разнообразный характер. Для интеллектуально—эмоционального напряжения наиболее характерно тахипноэ — частое но поверхностное дыхание. В стрессорных состояниях подобного рода реакции могут перерастать в гипервентиляцию легких, которая иногда приобретает характер своеобразного «дыхательного невроза» (гипервентиляционный синдром). В свою очередь, гипервентиляция сопровождается гипокапнией, респираторным алкалозом и может повлечь за собой нарушение центрального кровообращения (вплоть до потери сознания) и другие неблагоприятные реакции, осложняющие стрессорное состояние.

10.5.4. Мышечная деятельность

Мышечная деятельность служит наиболее сильным естественным стимулом дыхания. Как только включается мышечная нагрузка (рис. 10.40), легочная вентиляция возрастает за счет углубления и учащения дыхания — сначала скачкообразно, затем более плавно. Этот быстрый компонент дыхательной реакции на работу объясняется главным образом нейрогенными факторами.

Это прежде всего исходящие из сенсомоторной коры команды к работающим мышцам, иррадиирующие, как полагают, и на дыхательный центр. Известно, что уже команда «Приготовиться!» вызывает у спортсмена подъем вентиляции. Кроме того, дыхание стимулируется афферентной импульсацией, поступающей в ЦНС из проприоцепторов работающих мышц: у человека и у животных пассивные, выполняемые экспериментатором движения конечностей либо стимуляция мышц щипанием или вибрацией сопровождаются скачком вентиляции. Предполагают, что в стимуляции дыхания здесь участвует и выброс в кровь катехоламинов, сопутствующий повышению активности симпатической нервной системы.

Через 3—4 мин работы с умеренной нагрузкой наступает устойчивое состояние, при котором уровень легочной вентиляции достигает плато. Этот уровень, как правило, соответствует потреблению кислорода (рис. 10.41), а следовательно, энерготратам организма при данной нагрузке.

Механизмы точного сопряжения уровней вентиляции и газообмена во время работы сложны и еще не вполне изучены. Во всяком случае, кроме упомянутых нейрогенных, особенно кортикальных, влияний большое значение имеет обратная связь через хеморецепторы.

Так, если вентиляция отстает от уровня газообмена, в крови появляется избыток СО₂ и других кислых продуктов метаболизма работающих мышц и одновременно падает напряжение 0₂. Усиленная импульсация от хеморецепторов дополнительно стимулирует активность центрального механизма, в результате чего наступает компенсаторный рост вентиляции. Тем самым обеспечивается сохранение более или менее нормального газового состава и кислотно—основного состояния крови во время работы (рис. 10.42).

При тяжелой нагрузке (свыше так называемого анаэробного порога) за счет отставания кислородного снабжения мышц кровь наводняется большим количеством продуктов анаэробного гликолиза (главным образом лактатом), которые

Рис. 10.40 Легочная вентиляция при выполнении мышечной работы циклического характера

I — покой; II — при включении нагрузки вентиляция круто, а затем более полого нарастает, достигая плато (устойчивое состояние). По окончании работы (III) наблюдается сначала быстрое, а затем медленное снижение вентиляции;

темным цветом показано образование кислородного долга в начале работы и его возмещение после ее прекращения.

Рис. 10.41 Зависимость легочной вентиляции от потребления кислорода при устойчивой мышечной работе

Вентиляция нарастает линейно с увеличением потребления О2, начиная от точки покоя (1) до достижения порога анаэробного обмена (2). Здесь начинается значительное накопление кислых продуктов мышечного метаболизма, стимулирующих хеморецепторы, в результате чего рост вентиляции приобретает нелинейный характер.

Рис. 10.42 Регуляция дыхания при мышечной работе. Сигнализация о начале работы

(1) вызывает появление в коре мозга двигательной доминанты

(2), управляющей сокращениями мышц (3) и иррадиирующей на центральный дыхательный механизм (4), активации которого способствует также импульсация из рецепторов работающих мышц (5). Усиление работы дыхательной мускулатуры (6) и рост вентиляции легких (7) компенсируют возросшее потребление мышцами О2; и выделение СО2 (8), обеспечивая сохранение газового состава и кислотно—основного состояния артериальной крови (9). Если эта компенсация оказывается недостаточной и происходит сдвиг химизма крови, то усиленная импульсация из хеморецепторов (10) дополнительно активирует дыхательный центр, вызывая еще больший рост вентиляции.

стимулируют хеморецепторы, вызывая рост вентиляции, опережающий потребление О₂ и продукцию С0₂ (см. рис. 10.41); наряду с метаболическим ацидозом при этом создается гипокапния — развивается дыхательный алкалоз.

Очень тяжелая работа может потребовать столь интенсивной доставки кислорода, которую не в состоянии обеспечить газотранспортная система организма. Такая работа (например, спринтерский бег) может продолжаться лишь короткое время (несколько секунд) за счет использования анаэробных источников энергии и кислорода, запасенного в миоглобине. Максимальное потребление кислорода (так называемая аэробная производительность) у человека составляет обычно 2—3 л/мин. При этом максимальный объем вентиляции во время интенсивной работы может достигать 100—120 л/мин, т. е. в 10—15 раз превышать уровень вентиляции в покое. Более высокий минутный объем дыхания был бы энергетически невыгоден, так как весь дополнительно поглощаемый в легких кислород уходил бы на обеспечение колоссально усиленной работы дыхательных мышц.

После окончания работы легочная вентиляция круто падает благодаря выключению нейрогенных стимулов. Однако ее уровень в течение более или менее продолжительного (в зависимости от тяжести предшествовавшей работы) восстановительного периода остается повышенным. В этот период хеморецепторы стимулируются циркулирующими в крови недоокисленными продуктами обмена. Это молочная и другие органические кислоты. Происходит постепенное погашение образовавшегося кислородного долга, т. е. разности между общим количеством О₂, требуемым для покрытия всех энерготрат (кислородного запроса), и того его количества, которое было фактически потреблено за время работы (см. рис. 10.40).

С описанной динамикой легочной вентиляции во время физической нагрузки в общем совпадает ход изменений минутного объема крови (в противном случае нарушались бы вентиляционно—перфузионные отношения в легких), что свидетельствует о координации механизмов регуляции дыхательной и сердечно—сосудистой системы.

У человека, тренированного к напряженной мышечной деятельности, увеличивается жизненная емкость легких, дыхание в покое становится более редким и глубоким, увеличиваются кислородная емкость, буферные свойства крови и величина максимального потребления кислорода (до 4—5 л/мин и более).

До некоторой степени сходные особенности наблюдают у животных с высокой двигательной активностью (лошадь, северный олень и др.).

Рис. 10.43 Градиенты парциальных давлений (напряжений) кислорода в газотранспортной системе организма на уровне моря (а) и высоте 6750 м над уровнем моря (б)

1 — во вдыхаемом воздухе, 2 — в альвеолярном газе, 3 — в артериальной крови, 4 — в крови капилляров, 5 — в смешанной венозной крови.

10.5.5. Измененная газовая среда

Многие виды млекопитающих обитают в норах, в высокогорье, под водой. Человек осваивает в процессе хозяйственной и исследовательской деятельности высокогорные регионы, а также водную стихию. Все эти ситуации связаны с жизнью в измененной газовой среде и требуют специфической адаптации функции дыхания.

Высокогорье. Пребывание на больших высотах (его имитируют, помещая объект исследования в камеру, где создают эквивалентное разрежение воздуха) сопряжено со снижением парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе и альвеолярном газе. Так, на высоте 4 км над уровнем моря атмосферное Ро₂ уменьшается до 98 мм рт. ст., альвеолярное Ро₂ — до 60 мм рт. ст., т. е. более чем в 1,5 раза по сравнению с «земным». При этом у человека могут наступать недостаточность кислородного снабжения организма, особенно мозга, и явления горной (высотной) болезни: одышка и ряд нарушений функций ЦНС (головная боль, бессонница, тошнота). Под влиянием гипоксии спазмируются легочные сосуды, может развиться гипертензия малого круга кровообращения и даже отек легких.

Индивидуальная устойчивость человека к высотной гипоксии весьма вариабельна и в известной мере зависит от его тренированности. Однако высоту около 7—8 км, где атмосферное и альвеолярное Po₂ падают примерно втрое, считают предельно переносимой для человека, если он не дышит газовой смесью, обогащенной кислородом. Важно, что гипоксия вызывает нарушения со стороны психики:

расстройство координации, эйфорию, утрату самоконтроля и потерю сознания, которая может наступить совершенно внезапно, приводя в конечном счете человека к гибели. Эти данные относятся главным образом к условиям восхождения человека в горы, так как в обитаемых кабинах современных летательных аппаратов поддерживают парциальное давление О₂, близкое к наземному.

Вместе с тем под влиянием гипоксии включаются компенсаторные физиологические механизмы. Первым их звеном является рефлекторное увеличение легочной вентиляции, обусловленное стимуляцией хеморецепторов синокаротидной и отчасти аортальной зон. Одновременно возрастают частота сердечных сокращений и минутный объем крови. В результате утилизация кислорода при сниженном его парциальном давлении в атмосфере осуществляется за счет уменьшения диффузионных градиентов в газотранспортной системе (рис. 10.43).

Эти реакции несколько улучшают кислородный транспорт в организме, однако они имеют и свою «теневую» сторону. Так, рост вентиляции легких (точнее, их гипервентиляция, ибо продукция СО₂ в организме здесь не повышена) сопряжен с избыточным вымыванием СО₂ легкими. Сочетание гипоксии с гипокапнией угнетает возбудимость бульбарных хеморецепторов и дыхательного центра, что может вести к появлению периодического дыхания, особенно во время сна. Кроме того, гипокапния вызывает спазм церебральных сосудов и это еще больше ухудшает снабжение мозга кислородом. Наконец, усиленная вентиляция легких требует дополнительного расхода энергии на работу дыхательных мышц.

Поэтому при длительном пребывании в горах по мере адаптации к хронической гипоксии начальные «срочные» реакции дыхания постепенно уступают место более экономичному приспособлению газотранспортной системы организма. Так, у постоянных жителей больших высот (Гималаи, Анды) реакция дыхания на гипоксию оказывается резко ослабленной (гипоксическая глухота) и легочная вентиляция поддерживается почти на том же уровне, что и у живущих на равнине. Зато при длительном проживании в условиях высокогорья возрастает жизненная емкость легких, повышается кислородная емкость крови (за счет увеличения числа эритроцитов и содержания гемоглобина, в том числе фетального, обладающего более высоким сродством к O₂), в мышцах становится больше миоглобина, в митохондриях усиливается активность ферментов, обеспечивающих биологическое окисление и гликолиз.

У животных, обитающих в высокогорных регионах (ламы, некоторые грызуны), существенных отличий от равнинных популяций в этом отношении не обнаружено, хотя у них наблюдали некоторые особенности структуры эритроцитов и сродства гемоглобина к кислороду. Однако главную причину резистентности таких животных к гипоксии следует искать, по—видимому, в способности клеток утилизировать кислород при низком его напряжении в крови, снижении критического значения Ро₂.

Обитание в норах. В зоне, где строят свои норы многие грызуны, содержание кислорода снижается на 1—3% и более, а концентрация CO₂ может достигать 2—3%, т. е. небольшая гипоксия сочетается с гиперкапнией. В числе физиологических сдвигов, обеспечивающих адаптацию к такой среде, у норных животных отмечены способность утилизировать кислород при сниженном его напряжении во вдыхаемом воздухе, увеличенная буферная емкость жидкостей тела, слабая дыхательная реакция на СО₂.

Ныряние. Представители ряда видов млекопитающих (главным образом китообразные, а также некоторые грызуны — ондатра, бобр) в силу своих экологических особенностей способны проводить под водой длительное время — от 15 мин до 1 ч и более (бутылконос — до 2 ч). Во время ныряния дыхательные движения рефлекторно прекращаются. Столь длительная задержка дыхания становится возможной благодаря увеличенному объему легких и количеству содержащихся в них альвеол, повышенной кислородной емкости, большому содержанию миоглобина в мышцах, слабой реакции хеморецепторов на накопление СО₂ в крови. Кроме того, во время ныряния происходят специфические гемодинамические реакции, направленные на улучшение снабжения кровью (а следовательно, и кислородом) мозга и миокарда. До некоторой степени сходные реакции обнаружены у ныряющих птиц.

Человек способен произвольно задерживать дыхание не более чем на 1—2 мин. После предварительной гипервентиляции легких длительность апноэ тренированному человеку удается доводить до 3—4 мин, редко дольше. Этим и определяется максимальный срок пребывания под водой без специального дыхательного прибора. Однако такое затяжное ныряние после гипервентиляции таит в себе серьезную опасность: быстрое падение оксигенации крови может вызвать внезапную потерю сознания, а в этом состоянии пловец под влиянием императивного стимула, порожденного ростом Рсо2 крови, вдохнет воду и захлебнется.

Увеличение сопротивления дыханию. При использовании человеком устройств индивидуальной защиты органов дыхания: респираторов, противогазов и др., отмечено увеличенное резистивное (аэродинамическое) сопротивление, т. е. сопротивление потоку газа в дыхательных путях. Увеличение резистивного сопротивления воспроизводится в экспериментах с дыханием через узкую трубку или перфорированную диафрагму. Первой реакцией на включение сопротивления оказывается снижение глубины дыхания. Однако немедленно сказывается свойство мышц усиливать сокращения при возникновении препятствия (рефлекс преодоления нагрузки), частично опосредованное γ—петлей спинального уровня. В дальнейшем подключаются компенсаторные механизмы супраспинальных структур, в том числе корковых. Изменяется паттерн дыхания: оно становится более редким и глубоким, что способствует снижению энерготрат на работу респираторных мышц в условиях добавочного аэродинамического сопротивления.

Если в результате включения этих механизмов вентиляция легких не восстанавливается до нормального уровня, в крови происходит накопление двуокиси углерода. Усиление гиперкапнического стимула, в свою очередь, служит дополнительным фактором, способствующим преодолению увеличенной нагрузки на вентиляторный аппарат.

Повышенное давление газовой среды (гипербария). С этим фактором встречаются в основном водолазы и акванавты при глубоководных погружениях. Давление дыхательной смеси, которая подается в этих условиях человеку, должно обязательно соответствовать гидростатическому давлению на данной глубине, иначе дыхание будет невозможным. При увеличении глубины на каждые 10 м давление возрастает на 1 атм (0,1 МПа). Следовательно, на глубине 100 м человек вдыхает газовую смесь под давлением, превышающим атмосферное примерно в 10 раз. Пропорционально возрастает и плотность этой смеси, что создает добавочное сопротивление дыханию. Поэтому на глубинах свыше 60—80 м главный компонент атмосферного воздуха — азот — полностью или частично заменяют гелием, плотность которого в 7 раз меньше, чем у азота. Есть и другая причина такой замены: азот под давлением вызывает у человека наркотический эффект.

Вредным для организма является и высокое парциальное давление кислорода — гипероксия. Так, уже при обычном атмосферном давлении дыхание чистым кислородом свыше 12—15 ч может вызвать раздражение слизистой оболочки воздухоносных путей, нарушение функции сурфактантов, даже воспаление легких, а дыхание кислородом под высоким давлением (более 2—3 атм) — тяжелые расстройства функции ЦНС (судороги) уже через 1—2 ч воздействия. Поэтому содержание кислорода в дыхательной смеси по мере увеличения глубины погружения снижают, сохраняя Ро₂, близкое к наземному. Здесь следует заметить, что сказанное о вредных эффектах гипероксии не противоречит строго дозированному применению кислорода под давлением — гипербарической оксигенации — для лечения некоторых состояний, связанных с гипоксией тканей.

Серьезная опасность угрожает человеку при подъеме на поверхность после пребывания на глубине. Во время действия высокого давления среды кровь и другие жидкости тела насыщаются растворенным нейтральным (т. е. не участвующем в обмене) газом — азотом или гелием. При быстром падении давления дыхательной среды, декомпрессии, этот газ выделяется в виде мелких пузырьков, которые могут вызвать повреждение тканей и нарушить кровоснабжение органов, в том числе мозга. Чтобы предотвратить декомпрессионные расстройства, подъем водолазов и акванавтов ведут очень медленно, соблюдая специально разработанные режимы. Важное значение здесь имеет и правильный выбор состава дыхательных смесей.

Гипертермия. Дыхательные пути и легкие участвуют в отдаче тепла организмом во внешнюю среду. Эта функция у разных животных выражена неодинаково. Для большинства млекопитающих общая закономерность состоит в увеличении легочной вентиляции с повышением температуры среды. Тем самым увеличивается испарение влаги со слизистой оболочки воздухоносных путей и поверхности альвеол. Следует подчеркнуть, что речь идет о повышении общей, а не альвеолярной вентиляции — последняя должна оставаться на уровне, соответствующем интенсивности газообмена. Это Достигается учащением дыхательных циклов при некотором уменьшении дыхательного объема в результате возрастает вентиляция главным образом мертвого пространства но не альвеол. Сказанное не относится к терморегуляции человека, обладающего, как известно, мощным потоотделительным механизмом. Незначительное тахипноэ, которое наблюдается в условиях гипертермии, не имеет существенного значения для отдачи тепла.

Иначе обстоит дело с теплообменом у ряда животных, лишенных потовых желез. У них развит особый механизм, называемый тепловой одышкой а правильнее — полипноэ. При повышении температуры до определенной величины у таких животных скачкообразно возрастает частота дыхания при резком уменьшении его глубины, т. е. возрастает в основном вентиляция мертвого пространства. Тахипноэ может достигать сотни циклов в минуту. Тепловая одышка опосредована локализованным в гипоталамусе центром терморегуляции, реагирующим на повышение температуры крови, а также на информацию от периферических терморецепторов.

Дыхание плода. У плода газообмен происходит в плаценте, куда кровь поступает по пупочным артериям. Толщина диффузионного барьера между кровью матери и плода составляет около 3,5 мкм. Плацента — менее эффективное газообменное устройство, чем легкие, и напряженность кислорода в крови пупочной вены составляет всего 30 мм рт. ст. Наиболее богатая кислородом кровь поступает в основном к головному мозгу и сердцу, а легкие не участвующие в работе, получают незначительное ее количество.

Рождение на свет — это самый сильный стресс в жизни человека. На новорожденного внезапно обрушивается огромное количество внешних раздражителей. Во время родов нарушается плацентарный газообмен, что приводит к гипоксемии и гиперкапнии. Вероятно, в момент рождения резко увеличивается чувствительность хеморецепторов. Все это приводит к первому вдоху.

Легкие плода на 40% своей общей емкости наполнены жидкостью, которая постоянно секретируется альвеолярными клетками и обладает низким рН. Жидкость эта играет важную роль в последующем расправлении легких, уменьшая поверхностное натяжение и тем самым способствуя образованию сферической поверхности альвеол. В первое время расправление легких у новорожденных происходит неравномерно. Однако сурфактант, образующийся на поздних стадиях внутриутробного развития, способствует стабилизации раскрывшихся альвеол, а жидкость удаляется по лимфатическим сосудам и капиллярам.

Задолго до рождения плод совершает очень поверхностные и быстрые дыхательные движения. После рождения вентиляция легких становится равномерной лишь через несколько суток. Первые вдохи ребенка приводят к резкому падению сопротивления легочных сосудов. Это обусловлено несколькими причинами, в том числе внезапным повышением Роз в альвеолах, что приводит к устранению гипоксической вазоконстрикции, и увеличением объема легких, при котором расширяются внеальвеолярные сосуды. Падение сопротивления в малом круге кровообращения увеличивает легочный кровоток.

Рис. 10.44 Обмен между воздухом и кровью куриного эмбриона посредством диффузии через участок скорлупы в области воздушной камеры (А), а также зависимость Рог в воздушной камере, в крови аллантоисной вены от срока инкубации (Б) и та же зависимость для углекислого газа (В)

Газообмен в яйцах птиц. За время развития зародыша в яйце потребности его в газообмене возрастают примерно в 10³ раза, хотя размеры яйца за весь этот период не меняются. Это означает, что с развитием эмбриона должна постоянно возрастать скорость переноса через скорлупу кислорода и углекислоты, при условии, что площадь скорлупы остается постоянной. Диффузия газов через скорлупу осуществляется благодаря наличию мелких пор в скорлупе и подскорлупных оболочках, включая аллантоисную мембрану (рис. 10.44). Сосуды последней плотно примыкают к скорлупе, и их сеть по мере развития эмбриона резко увеличивается. Наряду с ростом зародыша увеличивается скорость переноса газов через скорлупу. Происходит это вследствие интенсивного развития аллантоисных артерий и вен в мембране, а также увеличения градиентов Рсо₂ и Ро₂ между окружающей средой и кровью зародыша.

По мере приближения момента вылупления птенца яйцо прогрессивно теряет воду, в результате чего возрастает объем воздушного пространства. В курином яйце оно, например, достигает к этому моменту 12 мл. Наличие такой камеры принципиально важно, так как перед проклевыванием птенец вентилирует свои легкие именно за счет этого воздуха, просовывая клюв в воздушную камеру. В результате такой нехитрой операции низкое напряжение окиси углерода зародыша поднимается до 40 мм рт. ст., что практически соответствует уровню напряжения газа в первые дни самостоятельной жизни птенца после вылупления, предотвращая тем самым резкие сдвиги при переходе от дыхания через скорлупу к легочному дыханию.

Механизм переноса газов в плавательном пузыре. Известны два основных типа плавательного пузыря: связанный с кишкой и полностью изолированный (рис. 10.45). У костистых рыб плавательный пузырь развивается из передней части кишки как своеобразный вырост и у одних видов (угорь) сохраняет эту связь посредством специального протока, у других (окунь) во взрослом состоянии связь отсутствует. Пузырь обладает плотной и непроницаемой для газов стенкой, поэтому даже при очень высоком давлении газов их утечки практически не происходит. С другой стороны, в случае,, если давление в пузыре становится выше, нежели во внешней среде, он легко растягивается.

Плавательный пузырь большинства рыб заполнен кислородом, однако у некоторых видов он содержит углекислый газ или азот. В том случае, если рыба опускается, предположим, на стометровую глубину, то из воды в плавательный пузырь поступает кислород. Поступает он против градиента парциального давления. Для этого существует специальное образование, получившее название чудесной сети. Она состоит из большого числа плотно прилегающих пучков параллельных друг другу артериальных и венозных капилляров. Капилляры формируют систему, в которой артериальная и венозная кровь текут в противоположных направлениях. Таким образом, чудесная сеть выполняет функцию противоточного обменника, уменьшающего потери кислорода из плавательного пузыря.

Осуществляется эта функция следующим образом. Кровь проходит вначале по артериальным капиллярам сети, далее она омывает секреторный эпителий стенки пузыря и затем снова протекает через чудесную сеть, но уже по венозным капиллярам в обратном направлении. Поступая в венозные капилляры, кровь с высоким парциальным давлением кислорода посредством диффузии отдает его в артериальные капилляры. Характерно, что в рассматриваемых условиях расстояние между встречными потоками артериальной и венозной крови в чудесной сети не превышает 1,5 мкм. Благодаря такой структуре сплетения кровь протекает через стенку пузыря, не теряя его газов, и снижает убыль газов из плавательного пузыря, однако тут возникает вопрос: каким же образом в пузырь секретируется кислород?

Как известно, кислород переносится кровью в соединении с гемоглобином и в физически растворимом виде. Если же кислород будет отделяться от гемоглобина и переходить в растворенное состояние, то парциальное давление его будет возрастать. Отдача кислорода усиливается при понижении рН. Следовательно, увеличение Роз в крови может быть обеспечено посредством ослабления связи кислорода с гемоглобином или повышения содержания ионов в крови (см. рис. 10.44., 10.45).

Рис. 10.45 Два основных типа плавательного пузыря: полностью связанный с кишкой у угря (А) и полностью изолированный у окуня (Б)

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Итак, дыхание представляет собой цепь процессов, обеспечивающих доставку из окружающей среды в митохондрии необходимого для биологического окисления кислорода, а также удаления в окружающую среду продукта биологического окисления — углекислого газа.

На низших ступенях эволюционного развития наблюдается непосредственный диффузионный обмен газов между живой клеткой и средой. У более высоко организованных типов животных формируются специализированные органы конвективного переноса газов с помощью вентиляции воды или воздуха и циркуляции жидкостей тела. В процессе эволюции у насекомых выработалась трахеальная система, в которой используется быстрая диффузия газов в воздухе, в результате чего отпадает необходимость переноса газов кровью. Трахеальная система состоит из последовательно соединенных тонкостенных заполненных воздухом трубочек. Разветвляясь, они пронизывают все тело. Именно в них и происходит диффузия кислорода и углекислого газа между окружающей средой и клетками. Высокой дифференциации достигают такие органы у позвоночных, значительно преобразуясь при переходе животных от водного дыхания к воздушному.

Первым звеном в цепи транспорта газов у млекопитающих и человека служит вентиляция легких, точнее — альвеолярная вентиляция, направленная на поддержание оптимального состава альвеолярного газа как внутренней газовой среды организма. Обмен газов между альвеолами и кровью через аэро—гематический барьер, как и между кровью и тканями через гематопаренхиматозный барьер, происходит путем диффузии в силу разности Ро₂ и Pco₂ по обе стороны этих барьеров.

Перенос больших масс О₂ кровью осуществляется благодаря связыванию его гемоглобином эритроцитов, a CO₂ — в форме гидрокарбоната и карбогемоглобина. Оксигенация крови в легких облегчается отдачей СО₂, а поступление последнего из тканей в кровь облегчает отдачу O₂. Все эти процессы в конечном счете направлены на поддержание в клетках тканей такого напряжения кислорода, которое необходимо для нормального функционирования дыхательных ферментных цепей в митохондриях.

Координированные сокращения дыхательных мышц, обеспечивающие легочную вентиляцию, управляются центральным дыхательным механизмом — специализированными нейронными структурами ствола мозга. Ритмическая деятельность этого механизма складывается в основном из линейного нарастания активности инспираторных нейронов на протяжении вдоха и ее выключения в конце вдоха. Эта активность определяется импульсацией из хеморецепторов: бульбарных, реагирующих на напряжение СО₂ и концентрацию ионов Н⁺ во внеклеточной жидкости мозга, и артериальных, которые чувствительны, помимо тех же факторов, и к напряжению О₂.

Таким путем поддерживается стабильный газовый состав артериальной крови. Стимуляция механорецепторов дыхательной системы, прежде всего рецепторов растяжения легких, способствует своевременному выключению вдоха и смене его выдохом. В результате формируется такой паттерн дыхания, который обеспечивает требуемую для данного уровня газообмена альвеолярную вентиляцию при минимальном расходе энергии дыхательными мышцами.

Активность центрального дыхательного механизма подвержена влиянию уровня бодрствования, а также стимулов, исходящих из вышележащих отделов ЦНС. У человека дыхание является весьма кортикализованной функцией, что дает возможность в определенных границах управлять дыхательными движениями произвольно.

Сопряжение вентиляции легких с уровнем газообмена поддерживается и при мышечной деятельности. Здесь к перечисленным механизмам регуляции дыхания присоединяется афферентная сигнализация от рецепторов работающих мышц.

В респираторной системе сочетаются соматические и висцеральные структуры. Этим она принципиально отличается от других систем организма. Засасывание воздуха в легкие осуществляется соматическими мышцами, а проведение воздушного потока, газообмен и транспорт газов обеспечиваются висцеральной частью. Мостом между обеими частями респираторной системы в какой—то степени служит диафрагма, сократительный аппарат которой представлен соматическими мышечными волокнами, а афферентный контроль ее осуществляется висцеральными рецепторами растяжения воздухоносных путей.

Механизм переноса газов в яйцах птиц состоит в следующем. Зародыш в яйце должен получать кислород через скорлупу, размеры которой не меняются, в то время как потребность в кислороде от момента кладки до вылупления птенца возрастает примерно в тысячу раз. По мере роста эмбриона скорость переноса газов через скорлупу возрастает благодаря развитию сосудов в мембране аллантоиса, а также увеличению градиентов Рсо₂ и Ро₂ между кровью эмбриона и окружающей средой. В плавательном пузыре рыб парциальное давление газов часто на несколько порядков выше, чем в крови. Однако в связи с особенностями кровоснабжения пузыря и наличием чудесной сети газы все же перемещаются из крови в пузырь.

Специальные перестройки в системе дыхания развиваются у видов животных, обитающих в условиях высокогорья, ныряющих и т. п. В известной мере адаптироваться к измененной газовой среде за счет включения срочных и долговременных сдвигов в газотранспортной системе организма может и человек.

Однако, рассматривая в данном отношении резервные возможности физиологических систем, в частности дыхательной, следует иметь в виду, что тренировка и адаптация способны выявить, но не изменить их естественные пределы. Поэтому в экстремальных условиях существования необходимо обеспечивать поддержание таких параметров дыхательной среды, которые не выходили бы за эти границы.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Абросимов В. Н. Нарушения регуляции дыхания. М., 1990.

Агаджанян Н. А., Елфимов А. И. Функции организма в условиях гипоксии и гиперкапнии. М., 1986.

Агаджанян Н. А. Организм и газовая среда обитания. М., 1972.

Антипчук Ю. П., Соболева А. Д. Эволюция респираторных систем. Новосибирск, 1976.

Бреслав И. С. Произвольное управление дыханием у человека. Л., 1975.

Бреслав И. С. Паттерны дыхания: Физиология, экстремальные состояния, патология. Л., 1984.

Бреслав И. С., Глебовский В. Д. Регуляция дыхания. Л., 1981.

Исаев Г. Г. Регуляция дыхания при мышечной работе. Л., 1990.

Ноздрачев А. Д., Чернышева М. П. Висцеральные рефлексы. Л., 1989.

Сафонов В. А., Ефимов В. Н., Чумаченко А. А. Нейрофизиология дыхания. М., 1980.

Словарь—справочник по физиологии и патофизиологии дыхания / Под ред. В. А. Березовского. Киев, 1984.

Уэст Дж. Физиология дыхания. Основы. М., 1988.

Федин А. Н., Ноздрачев А. Д., Бреслав И. С. Физиология респираторной системы. СПб., 1997.

Физиология дыхания / И. С. Бреслав, Л. А. Брянцева, И. Б. Воронов и др. СПб., 1994.

Физиология человека. В 2 т. / Под ред. В. М. Покровского, Г. Ф. Коротько. М., 1997.

Физиология человека. В 3 т. / Под ред. Р. Шмидта, Г. Тевса. М., 1996.

Эккерт Р., Ренделл Д., Огастин Дж. Физиология животных. Механизмы и адаптация. В 2 т. М.