Біофізика і біомеханіка - В. С. Антонюк - 2012
Розділ 4. БІОФІЗИКА СКЛАДНИХ БІОЛОГІЧНИХ СИСТЕМ
4.8.Показники фізіологічного стану дихальної системи людини
4.8.3. Механізм дихання людини. Дихальні рухи
Повітря в дихальних шляхах рухається ритмічно - вдихом і видихом. Новонароджені роблять близько 60 дихальних рухів за хвилину, дорослі - 16...18.
Вдих (інспірація). Під час вдиху грудна клітка збільшується завдяки опусканню діафрагми та підійманню ребер. Діафрагма - грудочеревна перепона. Вона має вигляд поперечно розміщеної куполоподібної м’язово-сухожилкової пластинки, краї якої прикріплені до стінок грудної
клітки, яка опускається завдяки скороченням посмугованих м’язових волокон, що робить купол більш плоским. Під час опускання діафрагми
органи черевної порожнини переміщуються вниз і вперед, що супроводжується рухами стінки живота.
Крім діафрагми, зовнішніх міжреберних м’язів у процесі вдиху беруть участь міжхрящові м’язи трахеї, бронхів. Під час глибокого вдиху грудна порожнина розширюється більше, ніж під час спокійного. Глибокий вдих здійснюється одночасним скороченням міжреберних м’язів, діафрагми, а також деяких (трапецієподібного, ромбоподібного, великого та малого грудних та ін.) м’язів грудей та плечового пояса, які підіймають ребра вище, ніж під час спокійного вдиху.
Описаний механізм забезпечує збільшення об’єму грудної клітки, що зумовлює відтягування пристінкової плеври (рис. 4.20).
Рис. 4.20. Схема легеневих об’ємів та ємності:
ДО - дихальний об’єм; РОвид - резервний об’єм видиху; РОвд - резервний об’єм вдиху;
ЗО - залишковий об’єм; ЖЄЛ - життєва ємність легень; Євд - ємність вдиху;
ФЗЄ - функціональна залишкове ємність; ЗЄЛ - загальна ємність легень
Легенева плевральна оболонка присмоктується до пристінкової і теж розтягується, розтягуючи у свою чергу пружну легеневу тканину. В результаті об’єм легень збільшується і наповнюється повітрям з дихальних шляхів. Так відбувається вдих, при цьому переборюються такі опори: еластична тяга легень, опір реберних хрящів, маса грудної клітки, що підіймається вгору, опір черевних органів та стінок живота.
Видих (експірація). Видих - це процес розслаблення дихальних м’язів після завершення вдиху та повернення грудної клітки до вихідного положення. Спокійний видих відбувається пасивно, без участі м’язів. Під час глибокого чи форсованого видиху до еластичних сил, що опускають ребра, додається скорочення внутрішніх міжреберних м’язів і м’язів живота, що із силою відшовхують черевні органи і діафрагму вгору. Внаслідок цього ребра ще більше опускаються, купол діафрагми випинається, грудна порожнина зменшується більше, ніж під час спокійного видиху.
У різний час у людини в процесі дихання можуть брати участь переважно або м’язи діафрагми, або міжреберні м’язи. Якщо переважає участь міжреберних м’язів, то такий тип дихання називають грудним. Якщо ж переважають діафрагмальні м’язи, то таке дихання називають діафрагмальним, або черевним. Тип дихання також залежить від статі: черевний переважає у чоловіків, грудний - у жінок. Максимальна кількість повітря, яку людина може видихнути після найглибшого вдиху, називають життєвою ємністю легень. У стані спокою людина вдихає і видихає в середньому близько 500 мл повітря - це дихальний об’єм.
Об’єм повітря в легенях і дихальних шляхах залежить від таких показників:
1) антропометричних індивідуальних показників людини і дихальної системи;
2) властивостей легеневої тканини;
3) поверхневого натягу альвеол;
4) сили, що розвивається дихальними м’язами.
Із 500 мл повітря, яке вдихає людина, тільки 350 мл потрапляє до альвеол. У середньому 150 мл (для людини масою 75 кг) затримується в так званому мертвому просторі: у порожнинах носа, ротовій частині глотки, гортані, трахеї і бронхах (тут немає газообміну). Для розрахунку точного об’єму повітря в мертвому просторі користуються формулою
де Fa, Fe, Fg — відповідно концентрація СО2 в альвеолярному, вдихуваному і видихуваному повітрі; Vt — об’єм дихання.
Після спокійного вдиху за максимального зусилля можна ще вдихнути близько 1,5 л повітря - це додаткове повітря (додатковий об’єм), а найглибший видих може становити 1,5 л - це резервне повітря (резервний об’єм). Дихальне, додаткове і резервне повітря і становлять у сумі життєву ємність легень. Її показники коливаються від 3500 до 4800 мл у чоловіків і від 3000 до 3500 мл у жінок. Життєва ємність легень фі- зично-тренованих осіб досягає 6000...7000 мл.
Життєва ємність легень - показник фізичного розвитку людини, її визначають за допомогою спірометра.
Особливості дихання в різних умовах. У гірскій місцевості зі збільшенням висоти через падіння атмосферного тиску знижується парціальний тиск кисню в альвеолярному просторі. Коли цей тиск стає нижчим ніж 50 мм рт. ст. (5 км висоти), необхідно дихати газовою сумішшю, у якій підвищений вміст кисню. На висоті 9 км парціальний тиск в альвеолярному повітрі падає до 30 мм рт. ст. За такого барометричного тиску парціальний тиск кисню в альвеолярному повітрі становить 140 мм рт. ст., що створює більші можливості для газообміну. На висоті 12 км при вдиху звичайного повітря альвеолярний тиск дорівнює 16 мм рт. ст. настає смерть, а при вдиху чистого кисню - лише 60 мм рт. ст., тобто дихати ще можна, але вже небезпечно. У цьому випадку можна подавати чистий кисень під тиском і забезпечити дихання на висоті 18 км. Подальше підняття можливе тільки в скафандрах.
Однією з небезпек опускання у водне середовище є атмосферний тиск. Наприклад, на глибині 10 м тиск дорівнює дві атмосфери, на глибині 20 м - три атмосфери і т.д. У цьому випадку парціальний тиск газів в альвеолярному повітрі відповідно підвищується в два і три рази. Це загрожує надмірному розчиненню кисню. Але надлишок його не менш шкідливий для організму, ніж нестача. Тому один зі способів зменшення цієї небезпеки - використання газової суміші, у якій вміст кисню
зменшений. Наприклад, для глибини 40 м суміш має містити 5 % кисню, для глибин 100 м - 2 %. Друга небезпека - вплив азоту. Коли парціальний тиск азоту підвищується, то це призводить до збільшеного розчинення азоту в крові й викликає наркотичний стан. Тому, починаючи із глибини 60 м, азотно-кисневу суміш замінюють геліокисневою сумішшю. Гелій менш токсичний. Він починає справляти наркотичний ефект лише на глибині 200...300 м. У цей час геліокиснева суміш дозволяє водолазу працювати на глибинах до 700 м. Проводять дослідження з використання воднево-кисневих сумішей для роботи на глибинах до 2 км, оскільки водень дуже легкий газ. Це полегшує роботу дихальної мускулатури - зазвичай на глибинах збільшується густина газу й тому зростає аеродинамічний опір подиху.
Третя небезпека водолазних робіт - це декомпресія. Якщо швидко підніматися із глибини, то розчинені в крові гази скипають і спричиняють газову емболію - закупорення судин. Тому потрібна поступова декомпресія. Наприклад, підняття із глибини 300 м потребує двотижневої декомпресії.