Dýchací systém človeka sa skladá z dýchacích ciest (horných a dolných) a pľúc. Dýchací systém je zodpovedný za výmenu plynov medzi organizmom a prostredím. Ako je vybudovaný dýchací systém a ako funguje?
Dýchací systém človeka má umožňovať dýchanie - proces výmeny plynov, najmä kyslíka a oxidu uhličitého, medzi organizmom a prostredím. Každá bunka v našom tele potrebuje kyslík, aby správne fungovala a generovala energiu. Proces dýchania je rozdelený na:
- vonkajšie dýchanie - prívod kyslíka do buniek
- vnútorné dýchanie - intracelulárne
Vonkajšie dýchanie sa vyskytuje v dôsledku synchronizácie dýchacieho systému s nervovými centrami a je rozdelené do niekoľkých procesov:
- pľúcna ventilácia
- difúzia plynov medzi alveolárnym vzduchom a krvou
- transport plynov krvou
- difúzia plynov medzi krvou a bunkami
Ak chcete zobraziť toto video, povoľte JavaScript a zvážte inováciu na webový prehliadač, ktorý podporuje video HTML5
Štruktúra dýchacieho systému
Dýchací trakt pozostáva z:
- horných dýchacích ciest, t.j. nosovej dutiny (naše slepé črevo) a hrdlo (hltan)
- dolné dýchacie cesty: hrtan (hrtan), priedušnica (priedušnica), bronchus (priedušky) - pravá a ľavá, ktoré sú ďalej rozdelené na menšie vetvy a najmenšie sa menia na bronchioly (bronchioli)
Posledná časť dýchacích ciest vedie k alveolám (alveoli pulmonales). Vdýchnutý vzduch prechádza dýchacími cestami a je očistený od prachu, baktérií a iných drobných nečistôt, zvlhčený a zahriaty. Na druhej strane štruktúra priedušiek kombináciou prvkov chrupavky, elastických a hladkých svalov umožňuje reguláciu ich priemeru. Hrdlo je miesto, kde sa pretínajú dýchacie a tráviace systémy. Z tohto dôvodu sa pri prehĺtaní zastaví dýchanie a dýchacie cesty sa uzavrú cez epiglottis.
- pľúca - spárované orgány umiestnené v hrudníku.
Z hľadiska anatomického a funkčného sú pľúca rozdelené na laloky (ľavá pľúca na dva laloky a pravá na tri), laloky sú ďalej rozdelené na segmenty, segmenty na lalôčiky a lalôčiky na zhluky.
Každá pľúca je obklopená dvoma vrstvami spojivového tkaniva - temennou pleurou (pleura parietalis) a pľúcna pleura (pleura pulmonalis). Medzi nimi je pleurálna dutina (cavum pleurae) a tekutina v ňom umožňuje adhéziu pľúc pokrytých pľúcnou pleurou k parietálnej pleure spojenej s vnútornou stenou hrudníka.V mieste, kde priedušky vstupujú do pľúc, sú pľúcne dutiny, do ktorých okrem priedušiek aj tepny a pľúcne žily.
Na komplikovanom procese dýchania sa okrem toho podieľajú aj kostrové pruhované svaly, krv a kardiovaskulárny systém a nervové centrá.
Vetranie pľúc
Podstatou vetrania je vtiahnutie atmosférického vzduchu do alveol. Pretože vzduch vždy prúdi z vyššieho tlaku na nižší, na každom nádychu a výdychu sa podieľajú príslušné svalové skupiny, ktoré umožňujú sacie a tlakové pohyby hrudníka.
Na konci výdychu sa tlak v alveolách rovná atmosférickému tlaku, ale pri nasávaní vzduchu sa membrána stiahne (bránica) a vonkajšie medzirebrové svaly (musculi intercostales externi), vďaka čomu sa zväčšuje objem hrudníka a vytvára podtlak, ktorý nasáva vzduch.
Keď sa zvýši dopyt po ventilácii, aktivujú sa ďalšie inspiračné svaly: sternocleidomastoidné svaly (musculi sternocleidomastoidei), prsné svaly (musculi pectorales minores), predné zuby (musculi serrati anteriores), trapézové svaly (musculi trapezii), levatorové svaly lopatky (musculi levatores scapulae), väčšie a menšie svaly rovnobežníka (musculi rhomboidei maiores et minores) a šikmé svaly (musculi splynuli).
Ďalším krokom je výdych. Začína sa to tým, že sa inspiračné svaly uvoľnia na vrchole inhalácie. Spravidla ide o pasívny proces, pretože sily generované natiahnutými elastickými prvkami v pľúcnom tkanive sú dostatočné na to, aby hrudník zmenšil svoj objem. Tlak v alveolách stúpa nad atmosférický tlak a výsledný tlakový rozdiel odvádza vzduch von.
Pri silnom výdychu je situácia trochu iná. Zaoberáme sa tým, keď je rytmus dýchania pomalý, keď si výdych vyžaduje prekonanie zvýšeného odporu dýchania, napríklad pri niektorých ochoreniach pľúc, ale aj pri fonačnej činnosti, najmä pri speve alebo hre na dychové nástroje. Stimulujú sa motoneuróny výdychových svalov, ktoré zahŕňajú: vnútorné medzirebrové svaly (musculi intercostales interni) a svaly prednej brušnej steny, najmä brušné konečníka (musculi recti abdominis).
Dychová frekvencia
Dychová frekvencia je veľmi variabilná a závisí od mnohých rôznych faktorov. Odpočívajúci dospelý človek by mal dýchať 7 - 20-krát za minútu. Faktory vedúce k zvýšeniu rýchlosti dýchania, technicky známe ako tachypnoe, zahŕňajú cvičenie, pľúcne ťažkosti a mimopľúcne ťažkosti s dýchaním. Na druhej strane bradypnoe, tj. Významné zníženie počtu dychov, môže byť dôsledkom neurologických ochorení alebo centrálnych vedľajších účinkov omamných látok. Deti sa v tomto ohľade líšia od dospelých: čím menšie je batoľa, tým vyššia je fyziologická frekvencia dýchania.
Objemy a kapacity pľúc
- TLC (celková kapacita pľúc) - objem, ktorý sa nachádza v pľúcach po najhlbšom nádychu
- IC - inspiračná kapacita - vtiahnutá do pľúc počas najhlbšieho nádychu po pokojnom výdychu
- IRV (inspiračný rezervný objem) - inspiračný rezervný objem - vtiahnutý do pľúc počas maximálnej inhalácie vykonanej na vrchole voľnej inšpirácie.
- TV (dychový objem) - dychový objem - vdychovanie a výdych pri voľnom vdychovaní a výdychu
- FRC - funkčná zvyšková kapacita - zostáva v pľúcach po pomalom výdychu
- ERV (expiračný rezervný objem) - expiračný rezervný objem - odstránený z pľúc počas maximálneho výdychu po voľnej inhalácii
- RV (residual volume) - zvyškový objem - vždy zostáva v pľúcach počas maximálneho výdychu
- VC (vital capacity) - vitálna kapacita - odstránená z pľúc po maximálnom vdýchnutí v čase maximálneho výdychu
- IVC (inspiračná vitálna kapacita) - inhalovaná vitálna kapacita - vtiahnutá do pľúc po najhlbšom výdychu pri maximálnej inhalácii; môže byť o niečo vyššia ako VC, pretože pri maximálnom výdychu nasledovanom maximálnym vdýchnutím sa alveolárne vodiče zatvoria skôr, ako sa odstráni vzduch, ktorý bubliny odstráni
S inšpiráciou zadarmo je dychový objem 500 ml. Nie celý tento objem však dosahuje alveoly. Asi 150 ml naplní dýchací trakt, ktorý nemá podmienky na výmenu plynov medzi vzduchom a krvou, t. J. Nosová dutina, hltan, hrtan, priedušnica, priedušky a priedušky. Toto sa volá anatomický respiračný mŕtvy priestor. Zvyšných 350 ml sa zmieša so vzduchom tvoriacim zvyškovú funkčnú kapacitu, súčasne sa zahreje a nasýti vodnou parou. V alveolách opäť nie je všetok vzduch plynný. V kapilárach stien niektorých folikulov neprúdi žiadna alebo príliš málo krvi, aby bolo možné na výmenu plynu použiť všetok vzduch. Toto je fyziologický mŕtvy mŕtvy priestor a je malý u zdravých ľudí. Bohužiaľ sa môže výrazne zvýšiť v chorobných stavoch.
Priemerná frekvencia dýchania v pokoji je 16 za minútu a dychový objem je 500 ml, vynásobením týchto dvoch hodnôt dostaneme pľúcnu ventiláciu. Z toho vyplýva, že za minútu sa vdychuje a vydychuje približne 8 litrov vzduchu. Pri vykonávaní rýchlych a hlbokých nádychov sa hodnota môže výrazne zvýšiť, dokonca aj tucet až dvadsaťkrát.
Všetky tieto komplikované parametre: kapacity a objemy boli zavedené nielen preto, aby nás zmiatli, ale majú významné uplatnenie v diagnostike pľúcnych chorôb. Existuje test - spirometria, ktorá meria: VC, FEV1, FEV1 / VC, FVC, IC, TV, ERV a IRV. Je nevyhnutný pre diagnostiku a monitorovanie chorôb, ako je astma a CHOCHP.
Difúzia plynov medzi alveolárnym vzduchom a krvou
Alveoly sú základnou štruktúrou, ktorá tvorí pľúca. Je ich asi 300 - 500 miliónov, každá s priemerom 0,15 až 0,6 mm a ich celková plocha je od 50 do 90 m².
Steny folikulov sú postavené tenkým, plochým jednovrstvovým epitelom. Okrem buniek, ktoré tvoria epitel, obsahujú folikuly dva ďalšie typy buniek: makrofágy (bunky čreva) a tiež folikulárne bunky typu II, ktoré produkujú povrchovo aktívnu látku. Je to zmes bielkovín, fosfolipidov a sacharidov vyrábaných z krvných mastných kyselín. Povrchovo aktívna látka znížením povrchového napätia zabráni zlepeniu alveol a zníži sily potrebné na natiahnutie pľúc. Z vonkajšej strany sú bubliny pokryté sieťou kapilár. Kapiláry, ktoré sa dostávajú do alveol, nesú krv bohatú na oxid uhličitý, vodu, ale s malým množstvom kyslíka. Naproti tomu v alveolárnom vzduchu je parciálny tlak kyslíka vysoký a oxid uhličitý nízky. Difúzia plynu sleduje gradient tlaku častíc plynu, takže kapilárne erytrocyty zachytávajú kyslík zo vzduchu a zbavujú ho oxidu uhličitého. Častice plynu musia prechádzať cez alveolárnu stenu a kapilárnu stenu, presnejšie cez: vrstvu tekutiny pokrývajúcu alveolárny povrch, alveolárny epitel, bazálnu membránu a kapilárny endotel.
Transport plynov krvou
- transport kyslíka
Kyslík sa najskôr fyzicky rozpustí v plazme, potom však difunduje cez obal do červených krviniek, kde sa viaže s hemoglobínom a vytvára oxyhemoglobín (okysličený hemoglobín). Hemoglobín hrá pri prenose kyslíka veľmi dôležitú úlohu, pretože každá z jeho molekúl sa kombinuje so 4 molekulami kyslíka, čím zvyšuje schopnosť krvi transportovať kyslík až 70-krát. Množstvo transportovaného kyslíka rozpusteného v plazme je také malé, že je irelevantné pre dýchanie. Vďaka obehovému systému sa krv nasýtená kyslíkom dostane do každej bunky tela.
- transport oxidu uhličitého
Oxid uhličitý z tkanív vstupuje do kapilár a je transportovaný do pľúc:
- asi 6% fyzicky rozpustených v plazme a v cytoplazme erytrocytov
- asi 6% viazaných na voľné aminoskupiny plazmatických bielkovín a hemoglobínu (ako karbamáty)
- väčšina, t. j. asi 88%, ako ióny HCO3 - viazané na hydrogenuhličitanový tlmivý systém plazmy a erytrocytov.
Difúzia plynov medzi krvou a bunkami
Molekuly plynu v tkanivách opäť prechádzajú pozdĺž tlakového gradientu: kyslík uvoľnený z hemoglobínu difunduje do tkanív, zatiaľ čo oxid uhličitý difunduje opačným smerom - z buniek do plazmy. Kvôli rozdielom v požiadavke na kyslík v rôznych tkanivách existujú aj rozdiely v kyslíkovom napätí. V tkanivách s intenzívnym metabolizmom je napätie kyslíka nízke, takže spotrebúvajú viac kyslíka, zatiaľ čo odvádzaná venózna krv obsahuje menej kyslíka a viac oxidu uhličitého. Arteriovenózny rozdiel v obsahu kyslíka je parameter, ktorý určuje stupeň spotreby kyslíka tkanivami. Každé tkanivo je zásobované arteriálnou krvou s rovnakým obsahom kyslíka, zatiaľ čo venózna krv ho môže obsahovať viac alebo menej.
Vnútorné dýchanie
Dýchanie na bunkovej úrovni je viacstupňový biochemický proces, ktorý spočíva v oxidácii organických zlúčenín, pri ktorých sa produkuje biologicky užitočná energia. Je to zásadný proces, ktorý nastáva, aj keď sú zastavené ďalšie metabolické procesy (anaeróbne alternatívne procesy sú neúčinné a majú obmedzený význam).
Kľúčovú úlohu zohrávajú mitochondrie - bunkové organely, ktoré prijímajú molekuly kyslíka difundujúce do bunky. Na vonkajšej membráne mitochondrií sa nachádzajú všetky enzýmy Krebsovho cyklu (alebo cyklu trikarboxylových kyselín), zatiaľ čo na vnútornej membráne enzýmy dýchacieho reťazca.
V Krebsovom cykle dochádza k oxidácii metabolitov cukru, bielkovín a tukov na oxid uhličitý a vodu za uvoľňovania voľných atómov vodíka alebo voľných elektrónov. Ďalej v dýchacom reťazci - poslednom stupni vnútrobunkového dýchania - prenosom elektrónov a protónov na následné nosiče sa syntetizujú vysokoenergetické zlúčeniny fosforu. Najdôležitejším z nich je ATP, teda adenozín-5′-trifosfát, univerzálny nosič chemickej energie používaný v bunkovom metabolizme. Je spotrebovávaný mnohými enzýmami v procesoch, ako je biosyntéza, pohyb a delenie buniek. Spracovanie ATP v živých organizmoch je nepretržité a odhaduje sa, že každý deň človek prevádza množstvo ATP porovnateľné s jeho telesnou hmotnosťou.
Regulácia dýchania
V rozšírenom jadre sa nachádza dýchacie centrum, ktoré reguluje frekvenciu a hĺbku dýchania. Skladá sa z dvoch centier s opačnými funkciami, vybudovaných dvoma typmi neurónov. Oba sa nachádzajú v retikulárnej formácii. V solitárnom jadre a v prednej časti zadno-dvojznačného vagového nervu je inspiračné centrum, ktoré vysiela nervové impulzy do miechy, do motorických neurónov inspiračných svalov. Naproti tomu v dvojzmyselnom jadre nervu vagus a v zadnej časti zadno-dvojzmyselného nervu vagus je výdychové centrum, ktoré stimuluje motorické neuróny exspiračných svalov.
Neuróny inšpiračného centra vysielajú niekoľkokrát za minútu salvu nervových impulzov, ktoré prebiehajú po vetve klesajúcej k motorickým neurónom v mieche a súčasne ako vetva axónu stúpajúca k neurónom retikulárnej formácie mosta. Existuje pneumotaxické centrum, ktoré inhibuje inspiračné centrum na 1 - 2 sekundy a potom stimuluje inspiračné centrum znova. Vďaka postupným obdobiam stimulácie a inhibície inspiračného centra je zabezpečená rytmickosť dychov.
Inspiračné centrum je regulované nervovými impulzmi vznikajúcimi v:
- chemoreceptory cervikálneho a aortálneho glomerulu, ktoré reagujú na zvýšenie koncentrácie oxidu uhličitého, koncentrácie vodíkových iónov alebo výrazné zníženie koncentrácie arteriálneho kyslíka; impulzy z aortálnych zhlukov prechádzajú cez glossofaryngeálne a vagusové nervy. a výsledkom je urýchlenie a prehĺbenie inhalácií
- interoreceptory pľúcneho tkaniva a hrudné proprioreceptory;
- medzi bronchiálnymi hladkými svalmi sú inflačné mechanoreceptory, sú stimulované naťahovaním pľúcneho tkaniva, ktoré spúšťa výdych; potom zníženie rozťažnosti pľúcneho tkaniva počas výdychu, aktivuje ďalšie mechanoreceptory, tentoraz deflačné, ktoré spúšťajú inšpiráciu; Tento jav sa nazýva Hering-Breuerove reflexy;
- Inšpiračná alebo výdychová poloha hrudníka dráždi príslušné proprioreceptory a upravuje frekvenciu a hĺbku dychov: čím hlbší je nádych, tým hlbší je výdych;
- centrá horných úrovní mozgu: mozgová kôra, limbický systém, termoregulačné centrum v hypotalame
