Основные положения современного научного представления о дыхании

В физиологической науке под дыханием человека понимают комплекс процессов, направленных на обеспечение поступления в каждую клетку человеческого организма атмосферного кислорода, его использование клеткой для окисления поступающих в нее биологических веществ и удаление из каждой клетки организма в атмосферу образующегося в ней углекислого газа. В результате окисления биологических веществ клетка получает энергию для обеспечения своей жизнедеятельности, и при этом в процессе окислительных реакций образуется вода и удаляемый в процессе дыхания углекислый газ.

Известно, что пережатие сонных артерий, питающих головной мозг, вызывает почти мгновенную потерю сознания и смерть в результате гибели нервных клеток. Гибель нервных клеток является следствием прекращения поступлений к клеткам мозга кислорода, что свидетельствует об исключительной значимости дыхания для жизни человека. Главный орган дыхательной системы — легкие. Именно в них происходит поступление кислорода из воздуха атмосферы в кровь и выход из крови в атмосферу углекислого газа. Этот процесс настолько важен, что для его осуществления, фактически, предельно использованы структурные возможности человеческого организма. Через легкие в единицу времени проходит столько же крови, сколько проходит через все остальные органы тела, вместе взятые. Если одна половина сердца (левое предсердие и левый желудочек) обеспечивает кровоснабжение всего организма через, так называемый, большой круг кровообращения, то другая половина (правое предсердие и правый желудочек) обеспечивает такой же кровоток только через один орган — легкие.

В осуществлении дыхания, кроме легких, участвует ряд органов и структур, образующих единый дыхательный конвейер между атмосферным воздухом и специальными структурами, находящимися внутри каждой клетки организма — митохондриями. Именно в митохондриях происходит образование энергии при окислении веществ с использованием кислорода (аэробное окисление). По дыхательному конвейеру, как эстафетная палочка, передается кислород атмосферы от одного относительно самостоятельного звена конвейера к другому и в конце концов поступает в митохондрии, где кислород начинает «работать» уже сам, вступая в окислительные реакции. Каждое из звеньев конвейера устроено сложно, и в любом из них могут произойти поломки. В результате нарушится работа всего конвейера. К митохондриям клеток поступит мало кислорода и возникнет, так называемая, гипоксия, или кислородное голодание клеток. В дыхательном конвейере физиологическая наука выделяет несколько раздельных относительно самостоятельных этапов. В легких происходят только первые два. Первый этап — транспорт газов между воздухом атмосферы и альвеолами легких под воздействием разницы давлений — называется легочной вентиляцией. Второй этап происходит в самой легочной ткани, в альвеолах, и заключается в диффузионном движении газов между воздухом альвеол и кровью легочных капилляров. Сознательно меняя характер дыхания, его паттерн, т. е. его глубину, частоту и т. п., человек может на период сознательного управляемого дыхания в какой-то степени изменить движение кислорода по ходу этих первых двух этапов дыхания, иногда называемых «внешним дыханием», и по ходу всего остального дыхательного конвейера.

Легкие расположены в грудной клетке и являются специальным органом, в котором постоянно происходит обмен газов между атмосферным воздухом и воздухом, заполняющим легкие. Атмосферный воздух с высоким содержанием кислорода (20,93%) и низким содержанием углекислого газа (0,03%) во время вдоха поступает в легкие, а воздух с пониженным содержанием кислорода (16,0%) и повышенным содержанием углекислого газа (4,5%) во время выдоха выходит из легких в атмосферу. Альвеолы легких имеют вид открытых пузырьков диаметром 0,2−0,Змм. Толщина стенок альвеолы — около 0,5 мкм, она устроена весьма сложно и включает массу структур, необходимых для выполнения альвеолой многих происходящих в ней процессов. Общее количество альвеол в легких достигает 300 млн. Каждая альвеола оплетается капиллярами малого круга кровообращения, в которые поступает оттекающая от всех клеток организма венозная кровь, содержащая по сравнению с артериальной кровью, притекающей к клеткам, мало кислорода и много углекислого та. Между воздухом, заполняющим альвеолы, и кровью оплетающих их капилляров происходит обмен газов. В процессе этого обмена кислород из воздуха альвеол, в котором его больше, диффузией переходит в кровь капилляров. Углекислого газа, наоборот, больше в венозной крови легочных капилляров и он также диффузией переходит в альвеолы. Общая поверхность стенок альвеол, через которую происходит газообмен, составляет у взрослого человека примерно 35 м` при выдохе и 100 м' при глубоком вдохе.

Приводимые цифры свидетельствуют об исключительной сложности устройства ткани легких, благодаря которой из притекающей в легкие венозной крови удаляется весь образованный всеми клетками организма углекислый газ и в кровь поступает кислород в количестве, равном использованному всеми клетками. В результате, решается главная задача, стоящая перед первыми двумя этапами дыхания, а именно, обеспечение, так называемого, газового гомеостазиса оттекающей от легких уже артериальной крови, т. е. поддержание постоянства концентрации кислорода и углекислого газа в артериальной крови, причем вне зависимости от уровня физической или эмоциональной активности человеческого организма.

Дело в том, что физическая активность человека при тяжелой физической работе во много раз превышает ее в условиях отдыха. Это значит, что при тяжелой физической работе в несколько раз возрастает количество затрачиваемой человеком энергии, значительно увеличивается количество потребляемого им кислорода и количество образующегося в организме углекислого газа. Тем не менее, концентрация кислорода и углекислого газа в артериальной крови поддерживается организмом на том же уровне, какой был у данного человека в состоянии физического покоя.

• 2- й этап — доставка кровью по артериям большого круга кровообращения поступившего в нее в легочных капиллярах кислорода от легких к тканям и доставка от тканей по венам большого круга в легкие углекислого газа. При этом количество кислорода, которое может раствориться в крови и которое кровь может перенести к тканям в растворенном виде, ничтожно мало и составляет около 0,3 мл кислорода на каждые 100 мл плазмы крови. Большая часть кислорода (20,8 мл на каждые 100 мл крови) переносится кровью в виде соединения оксигемоглобина со специальным веществом — гемоглобином, находящимся в специальных клетках крови — эритроцитах. Именно гемоглобин придает этим клеткам красный цвет. Это означает, что какой бы метод «правильного» дыхания не использовал человек, если в его крови мало эритроцитов или в эритроцитах мало гемоглобина, то такая кровь не может перенести к клеткам нужное им количество кислорода. В результате поступающего с артериальной кровью к клеткам кислорода будет им не хватать, и возникнет, так называемая, гипоксия, или кислородное голодание клеток. Непосредственно в тканях из клеток в кровь капилляров большого круга кровообращения поступает углекислый газ, 90% которого переносится в легкие также в химически связанном состоянии и лишь 10% - в растворенном виде. Таким образом, в крови имеются специальные механизмы, вплоть до специальных веществ и клеток, благодаря которым достигается доставка к клеткам необходимого им количества кислорода и удаление образуемого клетками углекислого газа.
• 4-й этап — поступление кислорода из крови тканевых капилляров большого круга кровообращения в клетки. В клетках концентрация кислорода очень низкая, так как они постоянно расходуют кислород. Одновременно из клеток в кровь капилляров постоянно посту пает углекислый газ, которого в клетках много, так как он постоянно в них образуется. И в альвеолах легких, и в капиллярах тканей движение кислорода и углекислого газа идет в направлении, определяемом законами физики, — от жидкости или газа с большей концентрацией в жидкость или газ с меньшей концентрацией.
• 5-й этап — внутреннее, или тканевое, или клеточное дыхание. Этот этап происходит внутри каждой клегки в специальных структурах-митохондриях. Он заключается в биологическом окислении органических веществ с целыо образования энергии. Каждая клетка организма, пока она жива, постоянно расходует энергию и только при этом условии остается живой. Соответственно, одновременно в ней непрерывно происходит процесс образования энергии, для которого необходим кислород. В результате постоянной утилизации клетками кислорода и образования углекислого газа создается направленное от атмосферы к клеткам уменьшение концентрации кислорода и увеличение концентрации углекислого газа.