Очистка вдыхаемого воздуха Вдыхаемые чужеродные частицы захватываются слизью носа, горла, трахеи и бронхов. Захваченные частицы поглощаются макрофагами и возвращаются ресничным эпителием бронхов назад в трахею. Действует цилиарный эскалатор: реснички двигаются со скоростью 5-10 с<sup>-1</sup> и проталкивают слизь в ротовую полость со скоростью 1 см/мин на пленку жидкого секрета эпителия. Интенсивное курение, муковисцидоз, генетические дефекты вязкости слизи могут ухудшать ресничный транспорт. Каждый день вырабатывается 10-100 мл слизи, в зависимости от типа и частоты локального раздражения (например, при курении) и стимуляции блуждающего нерва. Слизь обычно проглатывается, и жидкая фракция переваривается в желудочно-кишечном тракте.
== Искусственное дыхание ==
[[Image:Naglydnay_fiziologiya108.jpg|250px|thumb|right|А. Искусственное дыхание]]
Реанимация путем дыхания рот в рот - это экстренная мера, применяемая, когда у человека останавливается дыхание. Пациента укладывают на спину. Зажимая ноздри пациента, оказывающий помощь прикладывается ртом ко рту пациента и выдыхает с силой в легкие пациента (АЗ). Это повышает альвеолярное давление в легких пациента по сравнению с атмосферным давлением и заставляет легкие и грудь подниматься (вдох). Выталкивание воздуха, который вдохнули в легкие (выдох), происходит благодаря естественной эластической отдаче легких и грудной клетки. Этот процесс может быть ускорен путем надавливания на грудную клетку. Спасатель должен осуществлять вентиляцию легких пациента со скоростью примерно 16 циклов в 1 мин. содержание O<sub>2</sub> в выдыхаемом спасателем воздухе достаточно для того, чтобы насытить кислородом кровь пациента. Изменение цвета кожи пациента от голубоватой (цианоз) до розовой служит показателем того, что реанимация успешна.
=== Искусственная вентиляция легких (ИВП) ===
Механическая вентиляция легких при импульсном положительном давлении основана на том же принципе. Этот метод используется, когда дыхательные мышцы парализованы из-за болезни, анестезии и т. д. Насос респиратора проводит воздух в легкие пациента во время вдоха (А1). Внешние пути вдоха и выдоха разделены клапаном (расположенным как можно ближе ко рту пациента), чтобы предотвратить увеличение мертвого объема. На аппарате искусственного дыхания можно установить частоту вентиляции, экскурсирующий объем, дыхательный поток, длительность вдоха и выдоха. Недостаток такой вентиляции состоит в том, что возврат венозной крови несколько ослаблен. Сегодня стандартной методикой вентиляции является непрерывная положительная нагнетательная вентиляция. В отличие от механической вентиляции при нагнетательной вентиляции эндэкспираторное давление поддерживается положительным. В любом случае пациенты, которым делают искусственную вентиляцию легких, должны находиться под постоянным наблюдением и мониторингом (состав выдыхаемых газов, состав газов в крови и т. д.).
Железное легкое (аппарат искусственного дыхания) использует подсасывающее дыхание (дыхание с отрицательным давлением] (А2). Пациент при этом закрыт вниз от головы в металлическом «танке». Чтобы осуществить вдох, давление в танке снижается до уровня ниже внешнего давления и, таким образом, ниже альвеолярного давления. Эта разница в давлении заставляет грудную клетку расширяться (фаза вдоха), а прекращение отрицательного давления в танке позволяет пациенту выдыхать (фаза выдоха). Этот способ используется для вентиляции легких у пациентов, которым требуется длительная механическая вентиляция из-за паралитических заболеваний, таких как полиомиелит.
== Пневмоторакс ==
[[Image:Naglydnay_fiziologiya109.jpg|250px|thumb|right|Б. Пневмоторакс]]
'''Пневмоторакс''' происходит, когда воздух входит в плевральное пространство и Ppl падает до 0, что может вести к коллапсу поврежденного легкого из-за эластической реакции и прекращения дыхания (Б). Другое легкое тоже повреждается, так как часть вдыхаемого воздуха перемещается туда и обратно между здоровым и поврежденным легким и не участвует в газообмене. Закрытый пневмоторакс, т. е. отток воздуха из альвеолярного пространства в плевральное, может произойти спонтанно (например, легочный разрыв из-за буллезной эмфиземы) или из-за повреждения легкого (например, при механической вентиляции - баротравме). Открытый пневмоторакс (Б2) может быть вызван открытой травмой грудной клетки (например, прорыв плевры сломанным ребром). Клапанный пневмоторакс (БЗ) - это опасная для жизни форма пневмоторакса, которая развивается, когда воздух поступает в плевральное пространство с каждым вдохом и более не может быть вытеснен. Охлопывание действует подобно клапану. При этом развивается положительное давление в плевральной полости на поврежденной стороне, а также в остальной части грудной клетки. Поскольку экскурсирующий объем увеличивается из-за гипоксии, быстро развивается высокое давление (30 мм рт. ст.). Это ведет к нарастающему ухудшению сердечного наполнения и компрессии здорового легкого. Лечение клапанного пневмоторакса заключается в медленном дренаже избытка давления и мерах предотвращения дальнейшей клапанной активности.
== Объем легких и его измерение ==
К концу нормального спокойного выдоха система грудная клетка - легкое возвращается в присущее ей положение покоя. В норме при спокойном дыхании с каждым вдохом в легкие поступает около 0,5 л воздуха; этот объем называется экскурсирующим объемом покоя ООП). Этот объем может быть увеличен примерно на 3 л при форсированном (максимальном) вдохе - резервный объем вдоха (РОВд). Точно так же выдыхаемый объем может быть увеличен на 1,7 л при форсированном (максимальном) выдохе - резервный объем выдоха (РОВыд). Резервные объемы вдоха и выдоха используются во время энергичной физической нагрузки и в других ситуациях, когда нормальный экскурсирующий объем недостаточен. Но даже после форсированного выдоха в легких остается 1,3 л воздуха, это остаточный объем (00). Емкость легких представляет собой сумму отдельных легочных объемов. Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) - это максимальный объем воздуха, который может попасть внутрь легких при вдохе и выйти из легких при выдохе, т. е. за один дыхательный цикл. Таким образом, ЖЕЛ = ЭОП + РОВд + РОВыд. Средний 20-летний мужчина ростом 1,80 м имеет ЖЕЛ примерно 5,3 л. С возрастом жизненная емкость легких уменьшается, а остаточный объем увеличивается (1,5 => 3 л). Общий объем легких (емкость легких - ОЕ) - это сумма ЖЕЛ и 00, обычно от 6 до 7 л. Остаточная функциональная емкость легких (ОФЕЛ) - это сумма РОВыд и OO. Емкость вдоха - сумма ЭОП и РОВд. Все численные значения этих объемов относятся к физиологическим условиям организма (BTPS) (см. ниже).
=== Спирометрия ===
[[Image:Naglydnay_fiziologiya110.jpg|250px|thumb|right|А. Объем легких и его измерение]]
Эти легочные объемы и емкости (кроме ФОЕП, 00) могут быть измерены методом спирометрии. Спирометр (А) обычно состоит из заполненного вO<sub>2</sub>ой танка с плавающей емкостью (поплавок). Трубка соединяет воздушное пространство внутри спирометра с дыхательными путями тестируемого. На поплавке находится противовес. Положение поплавка показывает, как много воздуха находится в спирометре, который калибруется в единицах объема (LATPS, см. ниже). Поплавок спирометра поднимается, когда тестируемый дует в устройство (выдох), и опускается при вдохе (А).
Если спирометр оснащен записывающим устройством (спирографом), то с помощью полученных графиков можно измерить скорость общей вентиляции (VE), эластичность, потребление O<sub>2</sub> (VO<sub>2</sub>), а также тестировать динамические функции легких.
Жизненная емкость легких (ЖЕЛ). Емкость легких сильно варьирует в зависимости от возраста, роста, физической конституции, пола и степени физической подготовленности. В норме ЖЕЛ составляет от 2,5 до 7 л. Для лучшей оценки результатов функциональных легочных тестов разработаны эмпирические формулы. Например, следующие формулы используются для вычисления области нормальных значений ЖЕЛ для европейцев:
'''мужчины''': ЖЕЛ = 5,2 h- 0,O<sub>2</sub>2а- 3,6 ± (0,58);
'''женщины''': ЖЕЛ = 5,2 Л — 0,018э — 4,36 ± (0,42),
где h - рост в метрах, а - возраст в годах, в скобках дано стандартное отклонение. По причине широких рамок стандартного отклонения пациенты с нетяжелыми легочными заболеваниями могут быть упущены. В идеале пациентов с легочными заболеваниями следует диагностировать при помощи записи базисной линии и последующей регистрации отклонений от нее с течением времени.
=== Расчеты с объемами ===
Объем V газа (в л или м3, 1 м3 = 1000 л) можно рассчитать, зная количество вещества газа п (в молях), абсолютную температуру Т (в кельвинах, К) и общее давление Р (в паскалях, Па) по уравнению идеального газа:
К = n • R • Т/Р, [5.2]
где Р- барометрическое давление (Рв) минус парциальное давление воды(PH<sub>2</sub>O) и R - универсальная газовая постоянная (8,31 Дж • К-1 • моль-1).
Обозначения, принятые при указании условий измерения объема
STPD: Стандартные температура и давление, нулевая влажность (273 К, 101 кПа, PH<sub>2</sub>O = 0)
ATPS: Температура и давление окружающей среды
Влажность равна давлению насыщенных водяных паров при данных условиях
(Tamb, Рв, PH<sub>2</sub>O при Тamb)
BTPS: Температура и давление тела, влажность равна
давлению насыщенных водяных паров при данных условиях (310 К, Рв = 6,25 кПа)
Из этого следует, что:
VSTPD = n • R • 273/101 000 [м3]
VATPS = n * R *Tamb/(PB-PH20) [м3]
VBTPS = n * R * 31О/(РB- 6250) [м3].
Например, VBTPS/VSTPD =1,17. Если VAJPS измеряется методом спирометрии при комнатной температуре (Tamb = 20 °С; PH20sat = 2,3 кПа) и Рв = 101 кПа, то VBTPS = 1,1 и VSTPD = 0,9 VATPS.
[[Image:Naglydnay_fiziologiya111.jpg|250px|thumb|right|А. Измерение мертвого объема]]
Мертвый объем, остаточный объем, сопротивление дыхательных путей Обмен газов в дыхательном тракте происходит в альвеолах. Только часть экскурсирующего объема (V<sub>T</sub>) достигает альвеол; она называется альвеолярным объемом (VA). Остальная часть поступающего объема воздуха не участвует в обмене газов и называется мертвым объемом (VD). Ротовые, носовые, фарингеальные полости, а также трахеи и бронхи вместе называются физиологическим мертвым объемом, или проводящей зоной дыхательных путей. Физиологический мертвый объем (примерно 0,15 л) эквивалентен функциональному мертвому объему, последний становится больше, чем физиологический мертвый объем, если газообмен не может происходить в части альвеол. Функции мертвого объема заключаются в том, чтобы проводить воздух в альвеолы, а также очищать, увлажнять и согревать вдыхаемый из окружающей среды воздух. Мертвый объем также является элементом голосового аппарата.
[[Image:Naglydnay_fiziologiya112.jpg|250px|thumb|right|Б. Измерения остаточного объема и остаточной функциональной емкости]]
Уравнение Бора (А) может быть использовано для оценки размеров мертвого объема.
Происхождение: выдыхаемый экскурсирующий объем V<sub>T</sub> эквивалентен сумме IVA + VD (А, верхняя часть рисунка). Каждая из этих трех переменных содержит характеристическую долю СO<sub>2</sub> (E- выдох, А - альвеола,I-вдох): FECO<sub>2</sub> в Vт, FACO<sub>2</sub>, в VA, FICO<sub>2</sub> в Vd. содержание СO<sub>2</sub> на вдохе FIcO<sub>2</sub> очень мало и поэтому этой величиной можно пренебречь. Произведение объема и долю СO<sub>2</sub> дает объем СO<sub>2</sub> в этом объеме. Объем СO<sub>2</sub> в выдыхаемом воздухе (V<sub>T</sub> • FECO<sub>2</sub>) эквивалентен сумме объемов СO<sub>2</sub> в двух других объемах VA и VD (А).
Таким образом, для того чтобы определить мертвый объем, нужно знать три величины: V<sub>T</sub>, FECO<sub>2</sub> и FACO<sub>2</sub>-можно измерить с использованием спирометра, a FEСO<sub>2</sub> и FAСO<sub>2</sub> - с использованием стеклянной бюретки Банта или инфракрасного абсорбционного спектрометра. FECO<sub>2</sub>присутствует в последней выдыхаемой фракции V<sub>T</sub>, т. е. в альвеолярном газе. Эту величину можно измерить с использованием клапана Рана или подобных приспособлений.
'''Остаточная функциональная емкость легких (ОФЕЛ)''' - это количество воздуха, остающееся в легких в конце нормального спокойного выдоха, а '''остаточный объем (OO)''' - это объем, остающийся после форсированного максимального выдоха. При нормальном спокойном дыхании альвеол достигает около 0,35 л воздуха (VA) при каждом вдохе. Таким образом, в покое только около 12% ОФЕ (12% от 3 л) обновляется. По этой причине состав газов в альвеолярном объеме остается достаточно постоянным.
Измерение ОФЕ и 00 не может быть произведено при помощи спирометрии. Это можно сделать 120 непрямыми методами, например путем гелиевого разбавления (Б). Гелий (Не) - это практически нерастворимый инертный газ. Тестируемого человека инструктируют часто вдыхать и выдыхать в спирометр известный объем гелийсодержащей смеси газов (например, при содержании гелия FHeo = 0,1). Гелий равномерно распределяется в легких (VL) и спирометре (Б), и таким образом образуется раствор гелия в воздухе (FHex)< EHео). Поскольку общий объем гелия не изменяется, известный начальный объем гелия (VSp • FHeo) равен его конечному объему FНеx(VSp+VL). VL можно определить, если FHex в спирометре измеряли в конце теста (Б). VL —OO в том случае, если тест был начат после форсированного выдоха, и VL —ОФЕ, если тест был начат после нормального выдоха, т. е. из положения покоя легких и грудной клетки. Метод гелиевого разбавления применяют только в вентилируемых дыхательных путях.
С помощью плетизмографии можно определять инкапсулируемые объемы легких (например, объем кисты). Тестируемый помещается в воздухонепроницаемую камеру, и ему дают дышать через пневмотахограф (аппарат для записи скорости потока вдыхаемого воздуха). В то же время идет запись изменений давления воздуха во рту пациента и в камере (давление меняется, так как пациент дышит). Из этих измерений можно получить ОФЕ и 00.
Такие измерения также могут быть использованы для определения сопротивления дыхательных путей, RL, которое определяется как отношение градиента давления между альвеолами и атмосферой к потоку воздуха в единицу времени. Сопротивление дыхательных путей в нормальных условиях очень низкое, особенно во время вдоха, когда (а) легкие расширяются [латеральная тракция дыхательных путей) и (б) повышается транспульмонарное давление, т. е. [РА- Ppl). Разность РА- Ppl представляет собой трансмуральное (пристеночное) давление дыхательных путей, которое, увеличиваясь, расширяет их. Сопротивление дыхательных путей может стать чрезмерно высоким, если дыхательные пути сужены из-за слизи, например при хронических обструктивных легочных заболеваниях, или при спазме соответствующих гладкомышечных тканей (например, при астме).
Доля, приходящаяся на остаточный объем (00) общей емкости легких (ОЕ) - клинически значимая величина. Обычно у здоровых людей она не более 0,25, а с возрастом увеличивается. Доля 00 повышается до 0,55 и более при патологическом увеличении альвеол, например, при эмфиземе легких. Таким образом, отношение 00/0Е служит для грубой оценки серьезности таких заболеваний.
=== Кривая давление-объем, работа дыхания ===
[[Image:Naglydnay_fiziologiya113.jpg|250px|thumb|right|А. Кривая давление-объем системы легкие-грудная клетка]]
'''Положение легких в покое (ПП)''' - это положение, когда система легкие-грудная клетка возвращается к концу нормального выдоха; при этом объем легких эквивалентен остаточной функциональной емкости легких (ОФЕ). На рисунке A-В его величина установлена на нулевом уровне [Vpulm = 0). ПП (А1) -это стабильное центральное положение, характеризующееся взаимной компенсацией двух пассивных сил; силы выдоха грудной клетки (СВГК) и сократительной силы легких (ССЛ). Когда мы вдыхаем и выдыхаем, система легкие-грудная клетка отклоняется от положения покоя; таким образом, при вдохе ССЛ > СВГК, при выдохе СВГК > ССЛ. Разница между СВГК и ССЛ, т. е. движущая сила (синяя стрелка на А2,3, 5,6) эквивалентна альвеолярному давлению (РA), если дыхательные пути закрыты (например, путем поворота запорного крана, как на рис. А1-3,5,6) после вдыхания известного объема воздуха (Vpulm > 0; А2) через спирометр или выдыхания в него [Vpulm < 0; АЗ). (В положении покоя СВГК = ССЛ и РA = 0.) Таким образом, связь между Vpulm и РA системе грудная клетка-легкие может быть описана зависимостью объема статического давления покоя (P-V) («статическое» означает, что измерения производятся на задержке дыхания, а «покоя» - что дыхательные мышцы расслаблены].
(При этом во время измерения надо учитывать сжатие или расширение объема Vpulm положительным или отрицательным давлением РA, А, темно-серые участки диаграммы.)
Наклон статической кривой P-V покоя, ΔVрulm/ΔРA, представляет собой (статическую) эластичность системы грудная клетка-легкие (Б). Наиболее крутая часть кривой (область наибольшей эластичности; примерно 1 л/кПа у взрослых) лежит между ПП и Vpulm = 1 л. Это нормальные дыхательные показатели. Кривая снижает свою крутизну, т. е. снижается эластичность, для преклонного возраста или при наличии легочного заболевания. В результате для поддержания того же зкскурсирующего объема требуются большие усилия.
Изложенное выше относится к эластичности грудной клетки и легких. Также возможно подсчитать отдельно эластичность с одной стороны легкого [ΔV/ΔPpl = 2 л/кПа) и одного легких (ΔV/Δ(PA - Ppl)] = 2 л/кПа), если известно легочное давление (Ppl).
[[Image:Naglydnay_fiziologiya114.jpg|250px|thumb|right|Б.Статическая эластичность В. Динамическая кривая давление-объем]]
По зависимости объем-давление во время максимального вдоха и выдоха можно также графически определить пикoвое давление вдоха и выдоха (А,красная и зеленая кривые). Из позиции выдоха, близкого к максимальному (Vpulm < 0; А7), может быть генерировано лишь очень незначительное давление, по сравнению с пиковым давлением примерно в 15 кПа («110 мм рт. ст.) при Vpulm »0 (прием Вальсальвы; А5). Аналогично, наибольшее отрицательное давление (подсасывание) (<= 10 кПа = 75 мм рт. ст.) может генерироваться из положения максимального выдоха (прием Мюллера; А6), но не из позиции вдоха (А4).
Динамическую кривую P-V получают во время дыхания (В). Результатом является петля, состоящая из противоположных кривых вдоха (красная] и выдоха (зеленая), разделяемых синей кривой положения покоя, поскольку при вдохе и выдохе должно быть преодолено сопротивление дыхательных путей (RL) (в основном в верхней и средней части дыхательных путей). Движущая сила - градиенты давления (АР) - также противоположны друг другу (при вдохе РA < 0, при выдохе РA > 0). Согласно закону Ома, ΔР = RL • скорость тока воздуха при дыхании (V). Таким образом, ΔР должно увеличиваться, если бронхиальные трубки узкие и/или если увеличивается скорость потока воздуха (В).
При астме радиус дыхательных путей (г) уменьшается, и для нормальной вентиляции требуется очень высокий градиент ΔР (PL = 1/r4!)- Во время выдоха высокое значение АР снижает транспульмонарное давление (РA - Ррl) и, таким образом, сжимает дыхательные пути (RL ↑)- Высокое значение PL приводит к снижению давления в дыхательных путях (Pgirway ↓) до тех пор, пока не будет достигнуто Pairway — Ррl < 0. В этот момент происходит коллапс дыхательных путей - динамическая компрессия дыхательных путей; часто это опасно для жизни-порочный круг: r↓ ⇨ΔР↑⇨ r ↓↓ ⇨ΔР↑↑
'''Работа дыхания'''. Закрашенные участки внутри петли (ARinsp и ARexp\ В) представляют Р-V-работу вдоха и выдоха по преодолению сопротивления потока. Заштрихованный участок (В) - это работа, необходимая для преодоления внутренней эластической силы легких и грудной клетки (Aelast). Работа вдоха определяется как ARinsp + Aelast. Мышцы, участвующие во вдохе, должны преодолеть эластическую силу, тогда как та же самая эластическая сила обеспечивает (пассивную) движущую силу для выдоха в покое; таким образом, работа выдоха ARinsp - Aelast. Если ARexp становится больше, чем Aelast, то выдох также требует мышечной энергии, например, во время форсированного дыхания, или если увеличивается RL.
== Поверхностное натяжение. Сурфактант ==
В крови концентрация небикарбонатных буферов (гемоглобин, белки плазмы) высокая. Когда концентрация СO<sub>2</sub> растет, высвобождающиеся ионы Н+ эффективно забуфериваются в крови. Реальная концентрация НСО<sub>3</sub> в крови при этом довольно медленно растет и результат становится выше, чем в СМЖ. Благодаря этому ионы НСО<sub>3</sub> диффундируют (довольно медленно) в СМЖ (Б2), приводя к новому повышению pH в СМЖ, поскольку увеличивается отношение НСО<sub>3</sub>/СO<sub>2</sub>. Это, в свою очередь, ведет к уменьшению дыхательной активности (через центральные хемосенсоры); процесс усиливается в почках - pH крови растет благодаря задержке НСO3 . При помощи этого механизма организм в итоге адаптируется к хронически повышенному давлению РСO<sub>2</sub>, т е хронически повышенное значение РСO<sub>2</sub> не будет действовать на дыхание.
== Связывание и транспорт кислорода в крови ==
[[Image:Naglydnay_fiziologiya126.jpg|250px|thumb|right|А. Кривая диссоциации O<sub>2</sub>: транспортная емкость по O<sub>2</sub>]]
'''Гемоглобин (Нb)''' - это белок красных кровяных клеток с молекулярной массой 64 500 кДа, осуществляющий транспорт O<sub>2</sub>. Нb участвует также в транспорте СO<sub>2</sub> и является важным рН-буфером. НЬ представляет собой тетрамер, состоящий из 4 субъединиц (у взрослых: 98%: 2а + 2b = НМ; 2%: 2а + 2d = HbA2), каждая со своим гемом. Гем состоит из порфирина и Fe(ll). Каждый из четырех атомов Fe(ll) (связанный с одним гистидиновым остатком гемоглобина) обратимо связывается с молекулой O<sub>2</sub>. Этот процесс называется оксигенацией (не окислением!). НЬ в оксигемоглобин (Оху-Hb). Количество O<sub>2</sub>, связанного с НЬ, зависит от парциального давления O<sub>2</sub> (PO<sub>2</sub>): кривая диссоциации кислорода (А, красная линия). Кривая имеет сигмоидальную форму, поскольку первоначально связанные молекулы O<sub>2</sub> меняют конформацию тетрамера НЬ (положительная кооперативность) и таким образом увеличивают аффинность гемоглобина к O<sub>2</sub>-
При насыщении кислородом 1 моль тетрамерного НЬ соединяется с 4 молекулами O<sub>2</sub>, т. е. 64 500 г НЬ соединяется с 4 • 22,4 л O<sub>2</sub>. Таким образом, 1 г НЬ теоретически может транспортировать in vivo 1,39 мл O<sub>2</sub>, или 1,35 мл (число Хюфнера). Общая концентрация НЬ в крови ([Hb]total) в среднем составляет 150 г/л (с. 94), что соответствует максимальной концентрации O<sub>2</sub> 9,1 ммоль/л или 0,203 л O<sub>2</sub>А1 крови. Транспортная емкость крови по кислороду является функцией [Hb]tote/(A).
Содержание O<sub>2</sub> в крови практически эквивалентно количеству О2, связанному с гемоглобином, поскольку только 1,4% O<sub>2</sub> находится в растворе в виде свободных молекул кислорода при Pq2 13,3 кПа (А, оранжевая линия). Коэффициент растворимости кислорода (аO<sub>2</sub>) равен 10 мкмоль * л<sup>-1</sup> • кПа<sup>-1</sup>, что в 22 раза меньше, чем асог.
[[Image:Naglydnay_fiziologiya127.jpg|250px|thumb|right|Б. Кривая «диссоциация O<sub>2</sub>-насыщение O<sub>2</sub>»]]
'''Насыщение кислородом (SO<sub>2</sub>)''' - это доля Оху-Hb от [Нb]total, или отношение реальной концентрации O<sub>2</sub> к транспортной емкости по O<sub>2</sub>. В норме для артериальной крови (PaO<sub>2</sub> = 12,6 кПа или 95 мм рт. ст.) SO<sub>2</sub> достигнет плато насыщения примерно при 0,97, тогда как для смешанной венозной крови [PvO<sub>2</sub> = 5,33 кПа или 40 мм рт. ст.) SO<sub>2</sub> все еще только 0,73. SO<sub>2</sub> для вен в разных органах сильно варьирует.
[[Image:Naglydnay_fiziologiya128.jpg|250px|thumb|right|В. Кривые диссоциации O<sub>2</sub> и угарного газа (СО)]]
Диссоциация O<sub>2</sub> не зависит от общего содержания гемоглобина, что видно из графика (Б). Изменения сродства O<sub>2</sub> к гемоглобину можно легко оценить по смещению кривой диссоциации O<sub>2</sub>. Смещение кривой вправо означает уменьшение сродства, а смещение влево - его увеличение (плато удлиняется, а кривая вначале имеет большую крутизну). Смещение влево вызывается увеличением pH (со снижением/без снижения PСO<sub>2</sub>) и/или уменьшением РСO<sub>2</sub>, температуры и содержания 2,3-бис-фосфоглицерата (БФГ; в норме 1 моль БФГ/моль тетрамера НЬ). Смещение вправо происходит из-за уменьшения pH и/или увеличения РСO<sub>2</sub>, температуры и 2,3-БФГ (Б). Давление полунасыщения 5 или P50) O<sub>2</sub> (Б, прерывистая линия) - это такое давление PO<sub>2</sub>, при котором SO<sub>2</sub> = 0,5, или 50%. P0.5, в норме составляющее 3,6 кПа или 27 мм рт. ст., является критерием того, произойдет сдвиг кривой вправо (P0,5↑) или влево (P0,5↓)- Смещение кривой диссоциации O<sub>2</sub> из-за изменений pH и РСO<sub>2</sub> называется эффектом Бора. Сдвиг кривой вправо означает, что из периферической крови (pH↓, РСO<sub>2</sub> ↑) могут поглощаться большие количества O<sub>2</sub> без снижения PO<sub>2</sub>, что является движущей силой диффузии O<sub>2</sub> (Б, прерывистая линия). Высокое сродство к O<sub>2</sub> в легочных капиллярах затем устанавливается заново (pH ↑, РСO<sub>2</sub>↓) - Сдвиг кривой влево бывает полезен, когда снижено PAO<sub>2</sub> (например, при высотной гипоксии), т. е. в ситуации, когда насыщение артерий кислородом наблюдается левее плато SO<sub>2</sub>.
Миоглобин представляет собой Fe(II)-содержащий мышечный белок, который служит для кратковременного запасания O<sub>2</sub>. Поскольку это мономер (нет положительной кооперативное™), его кривая диссоциации O<sub>2</sub> при низких PO<sub>2</sub> гораздо круче, чем аналогичная кривая для НЬ (В). Кривая диссоциации O<sub>2</sub> фетального гемоглобина (2а + 2у = HbF) также достаточно крутая, и в пупочной вене эмбриона могут быть достигнуты Яд2 от 45 до 70%, несмотря на низкое давление PO<sub>2</sub> (3-4 кПа или 22-30 мм рт. ст.) в материнской плацентарной крови. Это существенно, поскольку у эмбриона концентрация [Нb]total =180 г/л. Кривая диссоциации монооксида углерода (СО) имеет очень крутой наклон. Таким образом, даже незначительные количества СО во вдыхаемом воздухе вызывают диссоциацию O<sub>2</sub> из НЬ. Это может привести к отравлению СО (В). Метгемоглобин Met-Hb (обычно 1% от НЫ образуется из гемоглобина при окислении Fe(ll) в Fe(lll) либо спонтанно, либо под действием эндогенных оксидантов. Met-Hb не может присоединять O<sub>2</sub> (В). Редуктаза метгемоглобина восстанавливает Fe(lll) из Met-Hb в Fe(ll); дефицит этого фермента может вызывать метгемоглобинемию, приводя к неонатальной аноксии.
== Тканевое дыхание ==
Еq2 варьирует с типом органа и его функцией в условиях покоя: кожа 0,04 (4%), почки 0,07; мозг, печень и скелетные мышцы в покое —0,3, миокард 0,6. Во время интенсивной физической нагрузки мышц EO<sub>2</sub> может увеличиваться до 0,9. Скелетные мышцы при нагрузке отвечают тем, что их потребность в кислороде повышается, т. е. EO<sub>2</sub> увеличивается (0,3 => 0,9). Аналогичной способностью обладает и миокард, но в значительно меньшей степени и в случае трех типов гипоксии, описанных ниже (Б1-3), возможна только ограниченная компенсация.
== Гипоксия Читайте также ==*[[Image:Naglydnay_fiziologiya130.jpg|250px|thumb|right|Б. ГипоксияДыхательная система]]При аномально сниженном снабжении тканей кислородом возникают различные типы гипоксии. *[[Респираторная система]]*Гипоксическая гипоксия [А2, Б1): недостаточное снабжение крови кислородом, например, из-за понижения атмосферного давления PO<sub>2</sub> на большой высоте над уровнем моря, из-за сниженной альвеолярной вентиляции или из-за ослабленного альвеолярного газообмена.[Искусственное дыхание]]*Анемическая гипоксия (Б2): сниженная транспортная емкость крови по кислороду, например, из-за снижения общего содержания НЬ при железодефицитной анемии.[[Пневмоторакс]]*Застойная, или ишемическая, гипоксия (БЗ): недостаточное количество O<sub>2</sub> поступает в ткани из-за снижения скорости кровотока (ОД Причина может быть системной (например, сердечная недостаточность) или локальной (например, закупорка артерии). Для того чтобы поддерживать адекватное снабжение кислородом, уменьшение кровотока должно быть компенсировано увеличением EO<sub>2</sub> (уравнение 5.7). Это невозможно в случае гипоксической [[Объем легких и анемической гипоксии. Приток и отток субстратов и метаболитов также уменьшает застойную гипоксию. При этом анаэробный гликолиз мало помогает.его измерение]]*Гипоксия также может развиваться при увеличении расстояния диффузии из-за утолщения тканей без увеличения числа капилляров. Это приводит к недостаточному кровоснабжению клеток, расположенных в цилиндре Крога за радиусом кислородного снабжения (R) (А). *Гистотоксическая или цитотоксическая гипоксия происходит из-за уменьшенной утилизации O<sub>2</sub> тканями, несмотря на достаточную доставку O<sub>2</sub> митохондриями, что наблюдается при отравлении цианидом. Цианид-ион (CN) нарушает окислительный клеточный метаболизм, блокируя цитохромоксидазу. Мозг крайне чувствителен к гипоксии, которая может вызывать критические повреждения, поскольку погибшие нервные клетки обычно не восстанавливаются. Аноксия, или полное отсутствие [[транспорт кислорода, может развиться из-за сердечной или дыхательной недостаточности. Таким образом, время жизни мозга является лимитирующим фактором вообще для выживания организма. Потеря сознания случается уже после 15 с аноксии, а если аноксия продолжается более 3 мин, то происходят необратимые повреждения мозга. '''Цианоз''' - это синюшное окрашивание кожи, губ, ногтей |Связывание и т. д., из-за избытка транспорт кислорода в артериальной крови дезоксигемоглобина (> 50 г/л). Цианоз является признаком гипоксии у людей с нормальным или умеренно пониженным уровнем гемоглобина. Когда уровень гемоглобина очень низкий, дефицит кислорода (анемическая гипоксия) может быть опасным для жизни, даже в отсутствие симптомов цианоза. Цианоз может быть, и если нет объективных признаков гипоксии и уровень гемоглобина повышен.]]*[[Гипоксия]]== Контроль и стимуляция дыхания ==*[[Image:Naglydnay_fiziologiya131.jpgСтимуляторы дыхания|250px|thumb|right|А. Контроль и стимуляция дыхания]]Дыхательные мышцы иннервируются нервными волокнами, идущими от шейного и грудного отделов спинного мозга (С4-С8 и Т1-Т7). Наиболее важные контролирующие центры расположены в продолговатом мозге и шейном отделе (С1-С2), где находятся взаимосвязанные нейроны вдоха и выдоха разных уровней (А1, красный и зеленый цвета). Сеть этих пространственно разделенных групп нейронов образует генератор ритма (дыхательный центр) (А1). Группы нейронов активируются попеременно, что приводит к ритмичному чередованию вдохов и выдохов. Они активируются тонически (независимо от ритма) ретикулярной формацией, которая получает сигналы от дыхательных стимуляторов на периферии и более высоких центров в мозге. Дыхательные сенсоры, или рецепторы, вовлечены в дыхательную систему управления по механизму обратной связи. Центральные и периферические хемосенсоры в продолговатом мозге и в артериальной системе постоянно регистрируют парциальные давления газов в спинномозговой жидкости и в крови соответственно, а механорецепторы грудной клетки отвечают на сокращение межреберных мышц, регулируя глубину дыхания (А2). Рецепторы легочного сокращения в стенках трахеи и бронхов отвечают на значительные изменения легочного объема, таким образом ограничивая глубину дыхания у человека *[[рефлекс Геринга-Брейера). Мышечные веретенадыхательных мышц также отвечают на изменения сопротивления дыхательных путей. Химические стимуляторы дыхания. Степень непроизвольной вентиляции в основном определяется парциальным давлением O<sub>2</sub> и СO<sub>2</sub>, а также pH крови и спинномозговой жидкости. Хемосенсоры отвечают на любое изменение этих трех переменных. Периферические хеморецепторы в аортальном и сонном ганглиях (АЗ) регистрируют изменения PO<sub>2</sub> в артериях. Если это давление падает, происходит стимуляция вентиляции посредством блуждающего (X) и языкоглоточного нервов (IX) до тех пор, пока PO<sub>2</sub> в артериях не увеличится вновь. Это происходит, например, на большой высоте над уровнем моря. Частота сенсорных импульсов резко возрастает, когда PO<sub>2</sub> падает ниже 13 кПа или 97 мм рт. ст. (путь периферической вентиляции). Эти изменения даже усиливаются, если PO<sub>2</sub> и/или концентрация ионов Н+ в крови увеличивается. Центральные хеморецепторы, расположенные, в частности, в продолговатом мозге, реагируют на увеличение концентрации СO<sub>2</sub> и Н+ (= снижение 138 pH) в спинномозговой жидкости (А4 ). Затем вентиляция увеличивается до тех пор, пока РСO<sub>2</sub> и концентрация Н+ в крови и спинномозговой жидкости не снизятся до нормы. Такое, в основном центральное управление дыханием очень эффективно в случае резких изменений. Увеличение РСO<sub>2</sub> в артериях, например от 5 до 9 кПа, увеличивает общую вентиляцию в 10 раз, как показано на кривой СО 2-ответа (АВ). При хроническом увеличении РСO<sub>2</sub> повышенный до этого центральный дыхательный стимул уменьшается. Если O<sub>2</sub>, доставляемый путем искусственного дыхания, «обманывает» периферические хеморецепторы, заставляя их «верить», что существует адекватная вентиляция, при этом сохранение периферического дыхательного стимула также оказывается в опасности. Во время выполнения физической работы (А5) общая вентиляция увеличивается за счет (а) коиннервации дыхательных центров (коллатералями кортикальных эфферентных мотонейронов) и (б) посредством импульсов, проводимых проприоцептивными волокнами от мышц. Сенсорные рецепторы без обратной связи, а также стимуляторы тоже играют важную роль в модуляции нормального ритма дыхания. Они включают: *Рецепторы раздражения в бронхиальной слизистой оболочке, которые быстро отвечают на снижение объема легких с помощью увеличения частоты дыхания (рефлекс дефляции, или рефлекс Геда), а также реагируют на пылинки и раздражающие газы, запуская кашлевой рефлекс. *J-рецепторы свободных С-концов волокон на альвеолярных и бронхиальных стенках; они стимулируются при отеке легких, запуская такие симптомы, как апноэ и снижение кровяного давления. *Высшие нервные центры, такие как кора мозга, лимбическая система, гипоталамус и варолиев мост. Они принимают участие в выражении эмоций, таких как страх, боль, радость; рефлексов, таких как чихание, кашель, зевание и глотание; а также в волевом контроле дыхания при разговоре, пении и т. д. *Прессорецепторы, которые отвечают за усиление дыхания при снижении кровяного давления. *Холодовые и тепловые рецепторы кожи и терморегуляторных центров. Повышение (жар) и понижение температуры тела ведет к усилению дыхания. *Некоторые гормоны также помогают регулировать дыхание. Прогестерон, например, усиливает дыхание во второй половине менструального цикла и во время беременности. == Дыхание при подводном плавании ==[[Image:Naglydnay_fiziologiya132.jpg|250px|thumb|right|А. Ныряние Б. Ныряние с аквалангом]]Подводное плавание создает проблемы для дыхания из-за недостатка нормального снабжения воздухом и увеличения внешнего давления на тело. Общее давление на тело под водой равно сумме давления воды (98 кПа или 735 мм рт. ст. на каждые 10 м погружения) и атмосферного давления (на поверхности воды). При подводном плавании можно использовать специальную трубку (А), но это увеличивает мертвый объем легких, затрудняя дыхание. Также с каждым вдохом приходится преодолевать дополнительную нагрузку, которую создает давление воды на грудную клетку и брюшную полость. Глубина, на которой можно использовать трубку, ограничена, поскольку: 1) при использовании слишком узкой и длинной трубки может недопустимо увеличиться мертвый объем или повыситься сопротивление дыхательных путей, и 2) на большой глубине давление воды препятствует вдоху. Максимальное отрицательное (подсасывающее) давление, создаваемое при вдохе, составляет —11 кПа, что эквивалентно 112 см воды (пиковое давление вдоха). Следовательно, при погружении более чем на 112 см дыхание становится невозможным из-за риска гипоксической аноксии (А). Для дыхания на больших глубинах (до 70 м) необходимо снаряжение для подводного плавания -«скуба» [от англ, self-contained underwater breathing apparatus - дыхательный аппарат для подводного плавания). Давление воздуха при вдохе (из герметичного цилиндра) автоматически подгоняется к давлению воды, что позволяет ныряльщику дышать с нормальным усилием. Однако дополнительное давление воды увеличивает парциальное давление азота PN2 (Б), что приводит к высокой концентрации N2 в крови. Давление на глубине 60 м примерно в 7 раз выше, чем на поверхности воды. Давление снижается, когда ныряльщик возвращается к поверхности, однако дополнительный N2 выделяется в кровь в виде газовых пузырьков. Следовательно, ныряльщик должен подниматься медленно, с тем чтобы избыток N2 мог быть выведен из легких. Слишком быстрое возвращение к поверхности приведет к появлению пузырьков N2 в тканях (что вызывает боль) и в крови, где они могут вызвать затрудненную проходимость и закупорку небольших кровеносных сосудов. Это называется кессонной (или декомпрессионной) болезнью (Б). При плавании на глубине от 40 до 60 м может наступить состояние эйфории (N2-наркоз), называемое также глубинной эйфорией. На глубине от 75 м и более может произойти отравление кислородом. При подводном плавании без специальных приспособлений (при задержке дыхания) РСO<sub>2</sub> в крови возрастает, поскольку образующийся СO<sub>2</sub> не выдыхается. При достижении определенного РСO<sub>2</sub> хеморецепторы вызывают ощущение нехватки дыхания, сигнализируя, что пора подниматься на поверхность.*[[Image:Naglydnay_fiziologiya133.jpg|250px|thumb|right|В. Ныряние без снаряжения]]Чтобы отсрочить время поднятия на поверхность, можно понизить РСO<sub>2</sub> в крови путем гипервентиляции перед погружением. Опытные ныряльщики таким образом готовят себя к тому, чтобы дольше оставаться под водой. Изменение альвеолярного парциального давления с течением времени и направление газообмена во время подводного плавания (глубина 10м; продолжительность 40 с) показаны на рис. В: гипервёнтиляция до погружения снижает РСO<sub>2</sub> (толстая зеленая линия) и слегка увеличивает PO<sub>2</sub> (красная линия) в альвеолах (и в крови). Ныряние на глубину 10 м удваивает давление на грудную клетку и брюшную полость. В результате парциальное давление газов (РСO<sub>2</sub>, род' %)в альвеолах резко возрастает. Увеличенные количества СОд и Од диффундируют из альвеол в кровь. Как только PO<sub>2</sub> крови возрастает до определенной величины, организм получает сигнал, что пора подниматься на поверхность. Если ныряльщик всплывает на поверхность в это время, PO<sub>2</sub> в альвеолах и крови быстро снижается (потребление Од + снижение давления) и альвеолярный обмен Од прекращается. На поверхности воды PO<sub>2</sub> достигает уровня, который является приемлемым. Если ныряльщик перед погружением проделает излишнюю гипервентиляцию, сигнал к всплытию может прийти слишком поздно, и PO<sub>2</sub> упадет до 0 (аноксия) до того, как человек достигнет поверхности воды, что может привести к бессознательному состоянию и утоплению (В, прерывистая линия). === Баротравмы === Увеличенное давление, связанное с подводным плаванием, ведет к компрессии органов, заполненных воздухом, таких как легкие и среднее ухо. Объем газа, заполняющего их, уменьшается до половины от нормы при погружении на глубину 10 м, и до четверти при погружении на 30 м. Недостающий объем воздуха в легких автоматически компенсируется при использовании скубы, но этого не происходит с воздухом в среднем ухе. Среднее ухо и горло соединены евстахиевой трубой, которая открыта только в определенные моменты времени (например, при глотании) или же не открывается совсем (например, при фарингите). Если потеря объема в ухе во время подводного плавания не компенсируется, увеличивающееся давление воды во внешнем слуховом канале распирает барабанную перепонку, что может вызвать боль и даже разрыв барабанной перепонки. В результате холодная вода может войти в среднее ухо и повредить орган равновесия, что ведет к тошноте, головокружению и дезориентации. Это можно предотвратить, проталкивая воздух из легких в среднее ухо, для чего надо зажать нос и надуваться с закрытым ртом. Воздух в заполненных воздухом органах расширяется, когда ныряльщик поднимается на поверхность. Слишком быстрое всплытие, т. е. без вытеснения воздуха с регулярными интервалами, может вести к таким осложнениям, как разрыв легкого и пневмоторакс, а также к потенциально фатальной геморрагии и закупорке (эмболии) кровеносных сосудов. == Дыхание в условиях высокогорья ==[[Image:Naglydnay_fiziologiya134.jpg|250px|thumb|right|А. Дыхание на большой высоте над уровнем моря (без предварительной акклиматизации)]]На уровне моря среднее барометрическое давление [РB] «101 кПа (760 мм рт. ст.), содержание кислорода F/q2 = 0,209, а парциальное давление O<sub>2</sub> на вдохе РIO<sub>2</sub>« 21 кПа. Однако РB снижается с увеличением высоты (Л, в км): РB (на высоте h) = РB (на уровне моря) • е-0'127 *h[5.9] Это приводит к падению легочного PIO<sub>2</sub> (A, колонка 1), альвеолярного PAO<sub>2</sub> и артериального PaO<sub>2</sub>. PAO<sub>2</sub> на уровне моря составляет примерно 13 кПа (А, колонка 2). Величина PAO<sub>2</sub> является важной мерой снабжения кислородом. Если PAO<sub>2</sub> падает ниже критического уровня (примерно 4,7 кПа = 35 мм рт. ст.), развивается гипоксия и нарушение работы мозга. Критическое PAO<sub>2</sub> соответствует высоте 4000 м над уровнем моря при нормальной вентиляции (Д, прерывистая линия в колонке 2). Однако низкое значение РаO<sub>2</sub> активирует хеморецепторы, которые стимулируют увеличение общей вентиляции (VE); это называется вентиляцией при дефиците кислорода (А, колонка 4). В результате выдыхаются большие объемы СO<sub>2</sub> и значения PAO<sub>2</sub> и РaСO<sub>2</sub> снижаются (см. ниже). Как следует из газового уравнения для альвеол PAO<sub>2</sub> = PIO<sub>2</sub>-РaСO<sub>2</sub>/RQ [5.101 где RQ - дыхательный коэффициент, любое падение РaСO<sub>2</sub> ведет к росту PAO<sub>2</sub>. Вентиляция при дефиците O<sub>2</sub> предотвращает приближение PAO<sub>2</sub> к критическому значению вплоть до высоты 7000 м над уровнем моря (А). Максимальное увеличение вентиляции (примерно трехкратное по сравнению с величиной покоя) во время острого дефицита O<sub>2</sub> относительно мало по сравнению с увеличением вентиляции (примерно в 10 раз по сравнению с величиной покоя) во время интенсивной физической нагрузки на уровне моря, поскольку повышенная вентиляция на большой высоте уменьшает РaСO<sub>2</sub> (= гипервентиляция), что приводит к развитию дыхательного алкалоза. Центральные хеморецепторы испускают сигналы, ослабляющие дыхательную передачу, таким образом противодействуя сигналам (от O<sub>2</sub> хеморецепторов) к усилению дыхательного стимула. Когда альпинист адаптируется, дыхательный алкалоз компенсируется за счет увеличенной почечной экскреции НСО3. Это помогает вернуть pH крови к норме, и усиление дыхания, связанное с дефицитом кислорода, становится основным эффектом. Стимуляция 142 кислородных хеморецепторов в высокогорных условиях ведет также к увеличению сердечного ритма и связанному с этим увеличению минутного сердечного выброса, улучшая таким образом снабжение тканей кислородом. Кроме того, высокогорные условия стимулируют эритропоэз. Длительное воздействие высокогорных условий увеличивает уровень гемато-крита, хотя этот процесс и ограничен ростом вязкости крови. Для выживания на высоте свыше 7000 м, где PIO<sub>2</sub> почти равно барометрическому давлению РB (А, колонка 3), необходимо кислородное дыхание из специальных баллонов со сжатым кислородом. При этом критический уровень PAO<sub>2</sub> достигается на уровне 12 км - с нормальной вентиляцией и на уровне 14 км - с повышенной вентиляцией. Современные самолеты летают чуть ниже этой критической высоты, чтобы пассажиры смогли выжить с кислородной маской в случае неожиданного падения давления в салоне самолета. Выживание на высоте более 14 км невозможно без специальных барокабин или специальных костюмов, наподобие космических скафандров. Без таких приспособлений жидкости в составе тела начали бы закипать на высоте примерно 20 км (А), поскольку на этой высоте РB ниже, чем давление водяного пара при температуре тела (37 °С).Токсичность кислорода Если легочное давление PIO<sub>2</sub> поднимается выше нормы (> 22 кПа или 165 мм рт. ст.) из-за увеличения содержания O<sub>2</sub> (кислородная терапия) или из-за увеличения общего давления при нормальном содержании O<sub>2</sub> (например, при подводном плавании), то наступает гипероксия. Степень токсичности O<sub>2</sub> зависит от PIO<sub>2</sub> (критическое значение —40 кПа или 300 мм рт. ст.) и продолжительности гипероксии. Дисфункция легких (дефицит сурфактанта) развивается, если PIO<sub>2</sub> «70 кПа (525 мм рт. ст.) в течение нескольких дней, или 200 кПа (1500 мм рт. ст.) - в течение 3-6 часов. Нарушения работы легких первоначально проявляют себя как кашель и болезненность при дыхании. При PIO<sub>2</sub> > 220 кПа (1650 мм рт. ст.; например, при подводном плавании на глубине —100 м с использованием сжатого кислорода) возможна кратковременная или долговременная потеря сознания. Новорожденные могут ослепнуть, если подвергнутся длительному воздействию PIO<sub>2</sub> > 40 кПа (300 мм рт. ст.) (например, в кувезе новорожденного), поскольку при этом мутнеет стекловидное тело глаза.
