Дыхательная функция
Содержание
Функции легких. Дыхание
Основная функция легких - дыхание, но они также выполняют метаболические функции, например там ангиотензин I превращается в ангиотензин II. Кроме того, легочный круг кровообращения служит буферной емкостью для сохранения в организме постоянного объема крови, там отфильтровываются небольшие сгустки крови из венозного кровообращения, до того как они попадут в артерии, тем самым препятствуя тромбоэмболии (в сердце, мозге).
Внешнее дыхание обеспечивает обмен газов между телом и внешней средой. (При внутреннем, или тканевом, дыхании происходит окисление питательных веществ) Конвекция (массовый поток) - это способ транспортировки газов на большие дистанции вместе с потоком воздуха или крови. Оба этих потока обусловлены разностью давлений. Диффузия используется для транспорта газов на короткие расстояния (несколько мкм), например, через клеточные мембраны и другие физиологические барьеры. Газообмен между атмосферой и альвеолами называется вентиляцией легких. При вдохе (воздуха) кислород (O2) попадает в альвеолы за счет конвекции и, проходя сквозь альвеолярную мембрану, диффундирует в кровоток. Затем кислород переносится кровотоком в ткани, где диффундирует из крови к клеткам и, в конечном счете, попадает в митохондрии. Углекислый газ (СO2), образующийся в митохондриях, возвращается в легкие.
Общая легочная вентиляция в единицу времени, VT (минутный объем) - это объем воздуха (V), вдыхаемый или выдыхаемый в единицу времени. Поскольку обычно измеряется объем выдыхаемых газов, используется обозначение VE[от англ, expiratory — выдыхаемый). Для организма человека в покое VE~ 8 л/мин при уровне потребления кислорода (VO2) 0,3 л/мин и уровне удаления углекислого газа (VCO2) 0,25 л/мин. Таким образом, нужно через легкие прокачать (вдох-выдох) примерно 26 л воздуха, чтобы обеспечить 1 л O2. Экскурсирующий объем VT- это объем воздуха, входящий и выходящий из легких за время одного дыхательного цикла. VE равно произведению VT- (примерно 0,5 л в покое) на частоту дыхания f (в покое примерно 16 циклов/мин), только примерно 5,6 л/мин (при f = 16 мин-1) из VE = 8 л/мин достигает альвеол - это альвеолярная вентиляция (VA). Остальной воздух в воздушных путях не дает вклада в газообмен (вентиляция мертвого объема, Vp).
У человека примерно 300 миллионов альвеол (тонкостенных воздушных пузырьков диаметром примерно 0,3 мм), расположенных на концах бронхиол. Альвеолы окружены плотной сетью легочных капилляров и имеют общую площадь своей поверхности примерно 100 м2. По этой причине, а также потому что диффузия из воздуха в кровь происходит здесь на очень близкие расстояния (лишь несколько мкм), даже при 10-кратном увеличении потребности организма в кислороде через альвеолярные стенки в кровь может диффундировать достаточное количество O2, а из крови в альвеолярное пространство - СO2.
В легочной артерии имеющая дефицит кислорода венозная кровь насыщается кислородом (становится артериальной) и выталкивается левым желудочком в большой круг кровообращения.
Минутный объем сердца (= минутный сердечный выброс) (СО)- это объем крови, прокачиваемый через большой и малый круги кровообращения в единицу времени (5-6 л/мин в покое). СО, умноженный на артериально-венозную разницу O2 (аvDO2), т. е. разность между содержанием O2 в артериальной крови в аорте и смешанной венозной крови в правом предсердии (примерно 0,05 л O2 на 1 л крови) дает объем O2 транспортируемого в единицу времени из легких к периферии. В покое 6 * 0,05 = 0,3 л/мин -величина, соответствующая VO2 (см. выше). И наоборот, если измерить величины и аvDO2, то можно рассчитать СО по принципу Фика:
СО = VO2 /avDO2. [5.1]
Ударный объем (УО) получают делением СО на сердечный ритм (частоту пульса).
В соответствии с законом Дальтона, общее давление (Ptotal) смеси газов равно сумме парциальных давлений (P) отдельных газов. Если объемную долю газа (F, в л/л) умножить на Ptotal, то получим парциальное давление; для O2, например, род = FO2 хPtotal Для сухого воздуха на уровне моря [Ptotal = 101,3 кПа = 760 мм рт. ст.) можно рассчитать парциальные давления газов, зная их содержание: FO2 = 0,209, FcO2 = 0,0004, FNa + благородные газы = 0,79 (А, вверху справа).
Если смесь газов «влажная», то парциальное давление водыPH2O нужно вычесть из Ptotal (обычно Ptotal равно атмосферному давлению). Парциальные давления других газов при этом также будут ниже, поскольку Рх = Fy (Ptotal- РH2O). Проходя через дыхательные пути (37 °С), вдыхаемый воздух насыщается влагой. В результате, РH2O возрастает до 6,27 кПа (47 мм рт. ст.), a падает на 1,32 кПа ниже, чем в сухом атмосферном воздухе. Парциальное давление во вдыхаемом воздухе, в артериолах, артериях, венах (смешанная венозная кровь), тканях и выдыхаемом воздухе указано на рис. А.
Механизм дыхания
Разность в давлении между альвеолами и окружающей средой является движущей силой газообмена, осуществляемого при вентиляции. Альвеолярное давление (PA - внутрилегочное давление) должно быть ниже, чем атмосферное (барометрическое) давление (PB) во время вдоха и выше во время выдоха. Если атмосферное давление РB взять за точку отсчета (нулевая линия), то альвеолярное давление отрицательно во время вдоха и положительно во время выдоха (Б). Эти разности давления создаются с помощью согласованных движений диафрагмы и грудной клетки (торакс), что приводит к увеличению объема легких (Vpulm) во время вдоха и уменьшению - во время выдоха (А1, 2).
Дыхательная мускулатура состоит из диафрагмы, косых мышц живота и наружных межреберных мышц. Их сокращения опускают (уплощают) диафрагму и поднимают и расширяют грудную клетку, тем самым расширяя легкие. Вдох, таким образом, представляет собой активный процесс. При глубоком дыхании вовлекаются наружные межреберные мышцы и вспомогательные дыхательные мышцы. Во время выдоха диафрагма и другие участвующие во вдохе мышцы расслабляются, поднимая диафрагму и уменьшая объем грудной клетки и легких. Поскольку этот обратный процесс происходит в основном благодаря эластичности легких, выдох в покое является пассивным. При более глубоком дыхании в выдохе могут участвовать также активные механизмы: внутренние межреберные мышцы сокращаются, и диафрагма толкается вверх брюшным давлением, создаваемым мышцами брюшной стенки.
Два близлежащих ребра связаны внутренней и внешней межреберными мышцами. Разнонаправленное сокращение мышц передает на верхнее и нижнее ребра разную силу (АЗ). Расстояние между местом крепления внешней межреберной мышцы к верхнему ребру (Y) и осью вращения верхнего ребра (X) меньше, чем расстояние от места крепления мышцы к нижнему ребру (Z1) и осью вращения нижнего ребра (X1). Таким образом, X'-Z' является более длинным и более мощным рычагом, чем X-Y. Грудная клетка поднимается, когда сокращаются наружные межреберные мышцы, и опускается, когда сокращаются противоположные внутренние межреберные мышцы.
Чтобы использовать движение диафрагмы и грудной клетки для вентиляции, легкие должны иметь возможность следовать этому движению и не быть прикрепленными к диафрагме и груди. Это достигается при помощи плевры - тонкого слоя покрытых 114 жидкостью клеток, которые выстилают каждое легкое [висцеральная плевра), отделяя от близлежащих органов, которые также покрыты плеврой (париетальная, пристеночная плевра).
В нормальном состоянии легкие сжимаются благодаря своей собственной эластичности и под действием сил альвеолярного поверхностного натяжения. Поскольку плевральное пространство не может расширяться, а легкие прикреплены к внутренней поверхности грудной клетки, в результате возникает подсасывание (которое тем не менее не препятствует движению двух плевральных листов по касательной друг к другу). Плевральное давление Ppl. таким образом, отрицательно относительно атмосферного давления. Рpl, также называемое внутриплевральным, или интраторакальным, давлением, можно измерить во время дыхания (динамически) с использованием пищеводного зонда (=Ppl). Интенсивность подсасывания (отрицательное давление) увеличивается, когда грудная клетка расширяется во время вдоха, и уменьшается во время выдоха (Б). Ppl обычно не бывает положительным, за исключением очень сильного выдоха с использованием специальных мышц.
Трансмуральное давление (Ptm) дыхательной системы (разница между внутренним и наружным давлением) вычисляется с использованием РA, Ррl (Б) и барометрического давления (в окружающей среде) (Ра7м, см. выше):
- Ptm: легкие Ра - Рpl = транспульмонарное давление (Б, внизу справа);
- Ptm: грудная клетка + диафрагма Ррl- 0 = Ррl = транстораксикальное давление;
- Рtm: легкие + грудная клетка: Ра - 0 = Ра = трансмуральное давление всей дыхательной системы.
Характеристика дыхательной активности
Термины гиперпноэ и гипопноэ используются для описания ненормального увеличения или уменьшения глубины и скорости дыхательных движений. Тахипноэ (учащенное дыхание) и брадипноэ (слишком медленное дыхание), а также апноэ (асфиксия, удушье) описывают ненормальные изменения в скорости дыхания. Термины гипервентиляция и гиповентиляция подразумевают, что объем выдыхаемого СO2 больше или меньше соответственно, чем уровень продукции СO2, и артериальное парциальное давление СO2 (РaСO2) соответственно снижается или повышается . Диспноэ - термин, описывающий тяжелое или затрудненное дыхание (одышку), тогда как ортопноэ-это состояние, при котором дыхание затруднено в любом положении тела, кроме вертикального.
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-1 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
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 O2 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
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
Эти легочные объемы и емкости (кроме ФОЕП, 00) могут быть измерены методом спирометрии. Спирометр (А) обычно состоит из заполненного вO2ой 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 O2 (VO2), 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- 0,022а- 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(PH2O) 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, PH2O = 0)
ATPS: Температура и давление окружающей среды
Влажность равна давлению насыщенных водяных паров при данных условиях
(Tamb, Рв, PH2O 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.
Мертвый объем, остаточный объем, сопротивление дыхательных путей Обмен газов в дыхательном тракте происходит в альвеолах. Только часть экскурсирующего объема (VT) 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.
Уравнение Бора (А) может быть использовано для оценки размеров мертвого объема.
Происхождение: выдыхаемый экскурсирующий объем VT эквивалентен сумме IVA + VD (А, верхняя часть рисунка). Каждая из этих трех переменных содержит характеристическую долю С02 (E- выдох, А - альвеола,I-вдох): FECO2 в Vт, FACO2, в VA, FICO2 в Vd. содержание С02 на вдохе FIcO2 очень мало и поэтому этой величиной можно пренебречь. Произведение объема и долю С02 дает объем С02 в этом объеме. Объем С02 в выдыхаемом воздухе (VT • FECO2) эквивалентен сумме объемов С02 в двух других объемах VA и VD (А).
Таким образом, для того чтобы определить мертвый объем, нужно знать три величины: VT, FECO2 и FACO2-можно измерить с использованием спирометра, a FEсO2 и FAсO2 - с использованием стеклянной бюретки Банта или инфракрасного абсорбционного спектрометра. FECO2присутствует в последней выдыхаемой фракции VT, 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.
—
121
Рисунок 5.5. Мертвый объем, остаточный объем, сопротивление дыхательных путей
-А. Измерение мертвого объема Б. Измерения остаточного объема и остаточной функциональной емкости -
Кривая давление-объем, работа дыхания
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).
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.
А. Кривая давление-объем системы легкие-грудная клетка
Поверхностное натяжение. Сурфактант Поверхностное натяжение - это основной фактор, определяющий эластичность системы грудная клетка-легкиеи площадь поверхности газ-жидкость, а для легких этот параметр напрямую влияет на осуществление газообмена на поверхности альвеол (примерно 100 м2).
Эффективность этих поверхностных сил можно продемонстрировать при помощи наполнения изолированного, полностью «опавшего» (претерпевшего коллапс) легкого (а) воздухом или (б) жидкостью. В примере (а) легкое проявляет гораздо большее сопротивление, особенно в начале наполнения. Это отражается на начальном давлении, которое при достижении полной емкости легких повышает альвеолярное давление (РA) примерно до 2 кПа, или 15 мм рт. ст.. В примере (б) сопротивление и, таким образом, Ра только на V4 больше. В соответствии с этим в примере (а) для преодоления поверхностного натяжения необходимо более высокое давление.
Если газовый пузырек радиуса r находится в жидкости, поверхностное натяжение у (Н * м-1) на границе раздела создает внутри пузыря давление более высокое, чем внешнее давление (пристеночное давление ΔР > 0). По закону Лапласа:
ΔР= 2у/r(Па). [5.3]
Поскольку, как правило, для плазмы у = 10~3 Н • м~1 (постоянная величина), ΔР растет с уменьшением r.
МO2ель мыльного пузыря. Если мыльный пузырь в виде пленки на горлышке цилиндра имеет достаточно большой радиус r (А1), то возникает небольшое ΔР. (Здесь две поверхности раздела воздух-жидкость, поэтому ΔР = 4у/r.) Чтобы увеличить объем пузырька, надо уменьшить r и увеличить АР 1К2). Поэтому требуется сравнительно высокое «начальное давление». Когда далее пузырек растет, г вновь увеличивается (АЗ) и отношение прирост давления/увеличение объема уменьшается. Альвеолы работают похожим образом. Эта мO2ель демонстрирует, что в случае двух альвеол, соединенных друг с другом (А4), меньшая альвеола (ΔР2 высокое) становится еще меньше, а большая (ΔР1 низкое) - еще больше, чтобы выравнять давление с первой.
Сурфактант (поверхностно-активное вещество, ПАВ), выстилающий внутреннюю поверхность альвеол, предотвращает эту проблему: в меньшей альвеоле у понижается, а в большей альвеоле нет. (Концентрация ПАВ на меньшей поверхности больше.) Сурфактант - смесь белков и фосфолипидов
(главным образом, дипальмитоил-лецитина) - секретируется альвеолярными клетками II типа.
Респираторный дистресс-синдром новорожденных-серьезное нарушение газообмена - вызывается тем, что недоразвитое легкое отказывается продуцировать достаточное количество сурфактанта. Легочное повреждение, связанное с токсичностью O2, частично происходит также из-за кислородного разрушения сурфактанта, что ведет к уменьшению эластичности легких. Это необратимо приводит к альвеолярному коллапсу (ателектазу) и отеку легких. Тестирование динамических функций легких
Максимальная вентиляция легких (МВЛ) - это самый большой объем газа, который можно вдохнуть (за 10 с) путем волевого увеличения экскурсирующего объема и частоты дыхания (Б). У здорового человека МВЛ может достигать 70-120 л/мин. Эта величина может быть полезна для обнаружения болезней, воздействующих на дыхательные мышцы, например злокачественной миастении.
Объем форсированного выдоха (ОФВ или тест Тиффно) - это максимальный объем газа, который может быть вытеснен из легких. В клинической медицине обычно измеряется ОФВ за первую секунду (0ФВ1). Отношение ОФВ к форсированной жизненной емкости легких (ФЖЕЛ) называется объемом форсированного выдоха ОФВ1 (обычно 0ФВ1 > 0,7). (ФЖЕЛ - это максимальный объем газа при быстром форсированном выдохе из положения полного вдоха; В.) Обычно это значение немного ниже, чем жизненная емкость ЖЕЛ (с. 118). Максимальная скорость при выдохе при измерениях на пневмотрахографе ФЖЕЛ составляет около 10 л/с.
Тестирование динамических функций легких используется для дифференциации рестриктивной легочной болезни (РЛБ) и обструктивной легочной болезни (ОЛБ). РЛБ характеризуется функциональным уменьшением объема легких, как, например, при отеке легких, пневмонии и ухудшении легочного наполнения при искривлении позвоночника. При ОЛБ происходит сужение воздушных путей, как, например, при астме, бронхите, эмфиземе и параличе голосовых связок (В2).
Как и в случае ЖЕЛ, эмпирические формулы также используются для стандартизации ФЖЕЛ по возрасту, росту и полу пациентов.
- А. Поверхностное давление (мO2ель мыльного пузыря)
Рисунок 5.7. Поверхностное натяжение,
функциональные тесты легких
- Газообмен в легких
Вентиляция альвеол. Только альвеолярная часть (VA) экскурсирующего объема достигает альвеол. Остальной воздух остается в мертвом объеме (VD). VA = VT - VD(л). Произведение объема на частоту дыхания (f мин-1) дает вентиляцию, т. е. VA , Vf (или VT) и VD. Таким образом, VA= VE- VD (л • мин-1). Поскольку величина VD задана анатомически, значение VD (= VD• f) повышается с увеличением f. Если при данной общей вентиляции (VE = VT • f) дыхание становится более частым ( f ↑), хотя и менее глубоким (VT↓), $а будет снижаться, поскольку VD увеличивается.
Пример. Если VE = 8 л • мин-1, VD = 0,15 л, нормальная частота дыхания f = 16 мин-1, то VA = 5,6 л * мин-1, т. е. 70% VE. Когда f удваивается и VT снижается до половинного значения, VA падает до 3,2 л • мин-1, т. е. 40% VT, хотя Ve (8 л • мин-1) остается без изменений.
Таким образом, альвеолярный газообмен может ухудшаться при неглубоком и частом дыхании (например, из-за перелома ребра) или вследствие болезни, или
искусственного увеличения VD.
Потребление O2 (VO2) определяется как разность скорости потока вдыхаемого O2 (= VE • FIO2), и скорости выдыхаемого O2 (= VE*FEO2)- Таким образом, VO2 = VE(FIO2-FEO2). В покое VO2 = 8 (0,21 - 0,17) = 0,32 л • мин-1.
Объем удаляемого СO2 (VcO2) определяется как VT+FECO2 = 0,26 л • мин-1 в покое; (FICO2=0). При интенсивной физической работе V)2 и VСO2 увеличиваются примерно в 10 раз. Отношение VсO2/VO2 называется дыхательным коэффициентом (RQ), который зависит от алиментарного статуса человека. RQ варьирует от 0,7 до 1,0.
Газообмен между альвеолами и кровью происходит путем диффузии и описывается законом диффузии Фика. В капиллярах легких движущая сила этой диффузии - разность парциальных давлений в альвеолах и эритроцитах (А). Среднее парциальное давление O2 в альвеолах PAO2 «13,3 кПа (100 мм рт. ст.), а парциальное давление СO2 РaСO2 «5,3 кПа (40 мм рт. ст.). В «венозной крови» легочных артерий среднее парциальное давление PvO2 —5,3 кПа (40 мм рт. ст.) и PvсO2 —6,1 кРа (46 мм рт. ст.). Таким образом, средняя разность парциальных давлений в альвеолах и в капиллярах составляет около 8 кПа (60 мм рт. ст.) для O2 и 0,8 кПа (6 мм рт. ст.) для СO2, но в некоторых частях легких эти величины могут варьировать. PAO2 с уменьшением РaСO2 увеличивается 126 (например, это обусловлено гипервентиляцией) и наоборот (газовое уравнение для альвеол).
O2 диффундирует на расстояние примерно 1-2 мкм из альвеол в кровоток (расстояние диффузии). При нормальных условиях, в покое, кровь в легочных капиллярах находится в контакте с альвеолами примерно 0,75 с. Это время контакта (А) является достаточно продолжительным для достижения равновесия между кровью и альвеолярными газами. Таким образом, капиллярная кровь артериа-лизуется. PO2 и PсO2 в артериализованной крови (PaO2 и РaСO2) примерно одинаковы по величине с соответствующими альвеолярными давлениями (РaСO2 и PAсO2). однако венозная кровь входит в артериализованную через артериовенозные шунты в легких, а также из бронхиальных вен (Б). Этот внеальвеолярный шунт, а также вентиляционно-перфу-зионное неравенство вызывают снижение PaO2 от 13,3 кПа (после прохождения через альвеолы) до 12,0 кПа (90 мм рт. ст.) в аорте (РaСO2 Увеличивается лишь незначительно).
Малая разность давлений, составляющая примерно 0,8 кПа, тем не менее достаточна для альвеолярного обмена СO2, поскольку в тканях коэффициент диффузии Коха %)2 - 2,5 • 10-16 м2 • с-1 • Па-1, что в 23 раза больше, чем для O2. Во время физической работы (высокий минутный объем сердца) время контакта снижается и составляет всего треть величины покоя. Если диффузия ослаблена (см. ниже), уравновешивание парциальных давлений O2 в альвеолах при физической нагрузке менее вероятно, чем в покое.
Ухудшение альвеолярного газообмена может произойти по нескольким причинам: (а) при снижении скорости кровотока по альвеолярным капиллярам (например, из-за легочного инфаркта, Б2), (б) при наличии диффузионного барьера (например, из-за утончения капиллярной стенки при отеке легких; БЗ), (в) если ослаблена альвеолярная вентиляция (например, из-за закупорки бронха; Б4). В случаях Б2 и БЗ происходит увеличение функционального мертвого объема, а в случаях БЗ и Б4 - неадекватная артериализация крови (альвеолярный шунт, т. е. смешивание неартериализованной крови с артериальной). Постепенные нарушения Б2 и Б4 могут происходить даже у здоровых людей .
Рисунок 5.8. Газообмен в легких
А. Газообмен в альвеолах
Б. Нарушения газообмена в легких -
Легочный кровоток, соотношение «вентиляция-перфузия»
Если пренебречь небольшим количеством крови, которая достигает легких по бронхиальным артериям, средняя бронхиальная перфузия МП, или кровоток к легким, эквивалентна минутному объему сердца (СО = 5-6 л/мин). Легочное артериальное давление составляет около 25 мм рт. ст. в систоле и 8 мм рт. ст. в диастоле, и в среднем Р «15 мм рт. ст. Р снижается до 12 мм рт. ст. в прекапиллярном участке (Pprecap, до начала легочных капилляров) и примерно до 8 мм рт. ст. в посткапиллярном участке [Ppostcapl- Эти величины относятся к участкам легких, расположенным на уровне клапана легочного ствола.
Неравномерное распределение кровотока внутри легкого (А). Благодаря суммарному эффекту гидростатического давления (до 12 мм рт. ст.) Рргесар увеличивается в кровеносных сосудах ниже легочных клапанов (ниже основания легкого), когда грудная клетка расположена вертикально. Вблизи вершины легкого Pprecap снижается в сосудах выше клапана легочной артерии (А, зона 1). При этих условиях Рргесдр может снижаться даже до субатмосферного уровня, а среднее альвеолярное давление [РA] находится на уровне атмосферного и, таким образом, может вызывать распространенную компрессию капилляров (P а > Pprecap > Рpostcap, А). B результате величина Q на единицу легочного объема очень мала. В центральной части легкого (А, зона 2) может произойти сужение просвета капилляра - его венозной части, по крайней мере временно (Рргесар > Ра > Ppostcap), тoгда как участок вблизи основания легкого (А, зона 3) постоянно снабжается кровью (Рргесар > Ppostcap > РА). Таким образом, величина Q на единицу легочного объема снижается от верхушки легкого к основанию (А, В, красная линия).
Неравномерное распределение альвеолярной вентиляции. Альвеолярная вентиляция на единицу объема также увеличивается от верхушки к основанию легких из-за эффекта гравитации (Б, оранжевая линия), хотя и не так значительно, как Q. Таким образом, отношение VA/Q снижается от верхушки к основанию легкого (Б, зеленая кривая и верхняя шкала).
Дисбаланс отношения VA/Q. В среднем для всего легкого отношение VA/Q составляет 0,93 (В). Эта величина вычисляется из средней альвеолярной вентиляции VА (5,6 л/мин) и общей перфузии Q (6 л/мин), что эквивалентно минутному объему сердца (СО). При экстремальных условиях, когда q/ща из частей легкого не вентилируется совсем,
VA/Q = 0 (В1). При другой крайности, когда кровоток отсутствует (VA/Q→ ∞; ВЗ), в альвеолах будет преобладать «свежий» воздух (функциональный 128 мертвый объем). Таким образом, теоретически для отношения VA/Q возможны большие
вариации: от 0 до бесконечности. В этом случае PAO2 будет колебаться между смешанной венозной PVO2 и PIO2 г (влажного) свежего воздуха (Г). В здоровом вертикальном легком l)A/Q в покое значительно снижается (от 3,3 до 0,63) от вершины к основанию (Б, зеленая линия). PAO2 (РaСO2) составляет, таким образом, 17,6 (3,7) кПа в «гипервентилируемой» верхушке легкого, 13,3 (5,3) кПа в нормально вентилируемой центральной зоне, и 11,9 (5,6) кПа в гиповентилируемом основании легкого. Эти изменения не так резко выражены во время физических нагрузок, поскольку 0 в зоне 1 также возрастает из-за соответствующего увеличения Рprecap.
Дисбаланс отношения VA/Q снижает эффектность газообмена в легких. Несмотря на высокое давление PAO2 в верхушке легкого (примерно 17,6 кПа; Г, справа) и относительно нормальное среднее значение PAO2, сравнительно небольшая О-фракция зоны 1 вносит небольшой вклад в общее значение О легочных вен. В этом случае PaO2 < PAO2, и поэтому существует альвеолярно-артериальная разность O2 (AaDO2) (обычно около 1,3 кПа).При наличии общего артерио-венозного шунта (VA/Q = 0) пациенту не поможет даже кислородное лечение, поскольку кислород не достигнет ложа легочных капилляров (В1).
Гипоксическая вазокоистрикция регулирует кровоснабжение капилляров и предотвращает развитие экстремальных отношений VA/Q. Когда PAO2 резко снижается, рецепторы в альвеолах производят локальные сигналы, запускающие сокращение подходящих кровеносных сосудов. Это сдавливает шунты в слабовентилируемых или невентилируемых участках легкого, таким образом направляя большие количества крови для газообмена в более продуктивные участки.
Дисбаланс VA/Q может вызывать серьезные осложнения при многих легочных заболеваниях. При легочном шоке, например, шунты могут составлять до 50% от общей величины 0. Опасное для жизни прекращение легочной функции быстро развивается при отеке легкого, альвеолярном диффузионном барьере и нарушениях выделения сурфактанта.
г- А. Регионарный кровоток в легких (вертикальное положение грудной клетки) -
—
~
129
Рисунок 5.9. Кровоток в легких, VA-Q уровень
- Г. Регионарные параметры легочной функции
Транспорт С02 в крови
Углекислый газ (СO2) - это конечный продукт энергетического метаболизма. СO2, продуцируемый клетками организма, претерпевает физическое вытеснение и диффундирует в соседние кровеносные капилляры. Небольшое количество СO2 остается растворенным в крови, тогда как в основном он химически связан в форме НСО3 и карбоксигемоглобина (A, нижняя часть рисунка, синие стрелки; артериовенозная разница концентрации СO2 дана в таблице). Кровоток, насыщенный СO2, попадает в легочные капилляры из правого предсердия. В легочных капиллярах СO2 высвобождается (А, красные стрелки), диффундирует в альвеолы и выводится в атмосферу.
Фермент карбоангидраза (карбонатдегидратаза) катализирует реакцию НСО3 + Н+ ⇄ С02 + Н20 в эритроцитах (A5, 7). Поскольку это ускоряет установление равновесия, краткого времени контакта (< 1 с) между красными кровяными клетками и альвеолами или периферическими тканями достаточно для превращения СO2 ⇄ НСО3.
Диффундирующий из клеток периферической крови СO2 (A, см. внизу «Ткань») увеличивает РСO2 (в артериальной крови —5,3 кПа = 40 мм рт. ст.) до среднего давления в венах РСO2 (—6,3 кПа = = 47 мм рт. ст.). Это также увеличивает концентрацию СO2 в плазме. однако большая часть СO2 диффундирует в красные кровяные клетки, тем самым увеличивая содержание в них СO2. В клетках крови СO2 (+Н2О) превращается в НСО3 (А5, 2) и карбоксиге-моглобин (АЗ). Концентрация НСО3 в эритроцитах, таким образом, становится выше, чем в плазме. В результате около трех четвертей ионов НСО3 выходят из эритроцитов с помощью НСО3/Сl антипортера. Этот анионный обмен также называется переносом хлора (сдвигом Хамбургера) и отображен на A4.
Ионы Н+ высвобождаются, когда СO2 красных кровяных клеток периферической крови превращается в НСО3 и карбоксигемоглобин.
Образование бикарбоната:
С02 + Н20 ⇄ НСО3 + Н+. [5.4]
Образование карбоксигемоглобина:
Hb-NH2 + С02 ⇄ Hb-NH-COO- + Н+. [5.5]
Гемоглобин (НЬ) является главным буфером для ионов Н+ в красных кровяных клетках (А6;
«Небикарбонатные буферы»). До тех пор пока удаление ионов Н+ в реакциях [5.4] и [5.5] не допускает быстрого установления равновесия, большие количества СO2 могут связываться в НСО3 и карбоксигемоглобин. Деоксигенированный гемоглобин (НЬ) может принять больше ионов Н+, чем окси-гемоглобин (Оху-Hb), поскольку НЬ является более слабой кислотой (Я). Это способствует поглощению СO2 периферической кровью [эффект Холдена) благодаря одновременному высвобождению O2 из эритроцитов, т. е. благодаря дезоксигенации Оху-НЬ до НЬ.
В легочных капиллярах эти реакции протекают в противоположном направлении (Я, верхняя часть рисунка, красные и черные стрелки). Давление РСO2 г в альвеолах ниже, чем в венозной крови, поэтому СO2 диффундирует в альвеолы, и равновесие реакций [5.4] и [5.5] сдвигается влево. СO2 высвобождается из НСО3 и карбамата гемоглобина, за счет чего ионы Н+ (высвобождаемые из НЬ) связываются в обоих реакциях (А7, 8), и направление транспорта в НСОз/Сl-обменнике меняется на обратное (A9). Реоксигенация НЬ в Оху-НЬ в легком способствует этому процессу, поскольку улучшает снабжение ионами Н+ (эффектХолдена).
Таблица
|
Распределение С02 в крови (ммоль/л крови, 1 ммоль = 22,26 мл ССУ | ||||
|
растворенный С02 |
НС03- |
карбамат |
ИТОГО | |
|
Артериальная кровь | ||||
|
Плазма* |
0,7 |
13,2 |
0,1 |
14,0 |
|
Эритроциты** |
0,5 |
6,5 |
1,1 |
8,1 |
|
Кровь |
1,2 |
19,7 |
1,2 |
22,1 |
|
Смешанная венозная кровь | ||||
|
Плазма* |
0,8 |
14,3 |
0,1 |
15,2 |
|
Эритроциты** |
0,6 |
7,2 |
1,4 |
9,2 |
|
Кровь |
1,4 |
21,5 |
1,5 |
24,4 |
|
Артериовенозная разница С02 в крови | ||||
|
0,2 |
1,8 |
0,3 |
2,3 | |
|
Процент от общей артериовенозной разницы | ||||
|
9% |
78% |
13% |
100% | |
|
* Примерно 0,55 л плазмы/л крови. ** Примерно 0,45 л эритроцитов/л крови. | ||||
А. Транспорт С02 в крови - Связывание С02 в крови
Общая концентрация углекислого газа (= химически связанный СO2 + растворенный СO2) в смешанной венозной крови составляет примерно 24-25 ммоль/л; в артериальной крови - примерно 22-23 ммоль/л. Почти 90% этого количества углекислоты существует в виде НСО3 (А, справа). Парциальное давление СO2 (ЯсоР является основным фактором, определяющим содержание СO2 в крови. Кривая диссоциации СO2 иллюстрирует, как общая концентрация СO2 зависит от %)г (А).
Концентрация растворенного С02 [С02] в плазме прямо пропорциональна %)г в плазме и может быть рассчитана следующим образом:
[СO2] = аСO2 * РСO2 (ммоль/л плазмы или мл/л плазмы), [5.6],
где (aCO2г - растворимость СO2 (коэффициент Бунзена). При 37 °С
аСO2 = 0.225 ммоль • л-1 • кПа-1.
После перевO2а количества СO2 в объем СO2 (мл = ммоль • 22,26) получаем aСO2 = 5 мл • л-1 • кПа-1.
Зависимость концентрации растворенного СO2 в крови, таким образом, линейна (А, зеленая линия).
Буферная емкость пары гемоглобин-оксигемоглобин ограниченна, поэтому зависимость содержания «связанного С02» от РсO2 уже нелинейна. Кривая диссоциации рассчитана для общего содержания СO2 (сумма растворенного и связанного СO2) (А, красная и фиолетовая линии).
Связывание СO2 с гемоглобином зависит от степени насыщения кислородом (SO2) гемоглобина. При одинаковом РСO2 кровь, полностью насыщенная O2, не способна связывать такие же количества СO2, как совсем не содержащая O2 (А, красная и фиолетовая линии). Когда в легких венозная кровь поглощает O2, буферная емкость гемоглобина и, следовательно, уровень химического связывания С02 снижаются из-за эффекта Холдена. Венозная кровь никогда не может совсем не содержать O2, наоборот, в зависимости от того, о каком органе идет речь, в ней всегда содержатся те или иные количества кислорода. Величина SO2 смешанной венозной крови составляет около 0,75. Кривая диссоциации СO2 для SO2 = 0,75, таким образом, лежит между кривыми для SO2 = 0,00 и SO2 -1,00 (А, прерывистая линия). В артериальной крови РСO2 « 5,33 кПа и « 0,97 (А, точка а). В смешанной венозной крови РСO2 « 6,27 кПа и SO2 « 0,75 (А, точка 7). Нормальный уровень диссоциации СO2 определяется интервалом а-v на физиологической кривой диссоциации СO2, которую можно построить,если провести через точки а и 7 прямую.
Отношение концентраций НСО3 и растворенного СO2 в плазме и красных кровяных клетках различается (примерно 20:1 в плазме и 12:1 в эритроцитах). Это соответствует разным значениям pH в плазме (7,4) и эритроцитах (примерно 7,2).
С02 в спинномозговой жидкости В отличие от НСО3 и Н+, молекула СO2 может относительно легко преодолевать гематоэнцефалический барьер между кровью и спинномозговой жидкостью (СМЖ) (Б1). РСO2 в СМЖ тем самым быстро адаптируется к резким изменениям РСO2 в крови. Связанные с С02 (респираторные) изменения pH в организме могут быть нейтрализованы только при помощи небикарбонатных буферов (НББ). Поскольку концентрация небикарбонатных буферов в СМЖ очень низкая, резкий рост РСO2 (респираторный ацидоз) ведет к довольно быстрому снижению pH в СМЖ (Б1, pH ↓↓ ) что регистрируется центральными хемосенсорами (хеморецепторами), которые регулируют в соответствии с этим дыхательную активность. (В данной книге чувствительные рецепторы называются сенсорами с целью отличить их от рецепторов гормонов и медиаторов.)
В крови концентрация небикарбонатных буферов (гемоглобин, белки плазмы) высокая. Когда концентрация СO2 растет, высвобождающиеся ионы Н+ эффективно забуфериваются в крови. Реальная концентрация НСО3 в крови при этом довольно медленно растет и результат становится выше, чем в СМЖ. Благодаря этому ионы НСО3 диффундируют (довольно медленно) в СМЖ (Б2), приводя к новому повышению pH в СМЖ, поскольку увеличивается отношение НСО3/СO2. 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 РСO2, т е хронически повышенное значение РСO2 не будет действовать на дыхание.
г—
Б. Действие С02 на pH спинномозговой жидкости (СМЖ)
А. Кривая диссоциации С02
133 Связывание и транспорт кислорода в крови
Гемоглобин (Нb) - это белок красных кровяных клеток с молекулярной массой 64 500 кДа, осуществляющий транспорт O2. Нb участвует также в транспорте СO2 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 O2. Этот процесс называется оксигенацией (не окислением!). НЬ в оксигемоглобин (Оху-Hb). Количество O2, связанного с НЬ, зависит от парциального давления O2 (PO2): кривая диссоциации кислорода (А, красная линия). Кривая имеет сигмоидальную форму, поскольку первоначально связанные молекулы O2 меняют конформацию тетрамера НЬ (положительная кооперативность) и таким образом увеличивают аффинность гемоглобина к 02-
При насыщении кислородом 1 моль тетрамерного НЬ соединяется с 4 молекулами O2, т. е. 64 500 г НЬ соединяется с 4 • 22,4 л O2. Таким образом, 1 г НЬ теоретически может транспортировать in vivo 1,39 мл O2, 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 O2 9,1 ммоль/л или 0,203 л O2А1 крови. Транспортная емкость крови по кислороду является функцией [Hb]tote/(A).
содержание O2 в крови практически эквивалентно количеству Ог, связанному с гемоглобином, поскольку только 1,4% O2 находится в растворе в виде свободных молекул кислорода при Pq2 13,3 кПа (А, оранжевая линия). Коэффициент растворимости кислорода (аO2) равен 10 мкмоль * л-1 • кПа*1, что в 22 раза меньше, чем асог.
Насыщение кислородом (SO2) - это доля Оху-Hb от [Нb]total, или отношение реальной концентрации O2 к транспортной емкости по O2. В норме для артериальной крови (PaO2 = 12,6 кПа или 95 мм рт. ст.) SO2 достигнет плато насыщения примерно при 0,97, тогда как для смешанной венозной крови [PvO2 = 5,33 кПа или 40 мм рт. ст.) SO2 все еще только 0,73. SO2 для вен в разных органах сильно варьирует.
Диссоциация O2 не зависит от общего содержания гемоглобина, что видно из графика (Б). Изменения сродства O2 к гемоглобину можно легко оценить по смещению кривой диссоциации O2. 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 PсO2) и/или уменьшением РсO2, 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 РСO2, температуры и 2,3-БФГ (Б). Давление полунасыщения
5 или P50) O2 (Б, прерывистая линия) - это такое давление PO2, при котором SO2 = 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 O2 из-за изменений pH и РСO2 называется эффектом Бора. Сдвиг кривой вправо означает, что из периферической крови (pH↓, РсO2 ↑) могут поглощаться большие количества O2 без снижения PO2, что является движущей силой диффузии O2 (Б, прерывистая линия). Высокое сродство к O2 в легочных капиллярах затем устанавливается заново (pH ↑, РсO2↓) - Сдвиг кривой влево бывает полезен, когда снижено PAO2 (например, при высотной гипоксии), т. е. в ситуации, когда насыщение артерий кислородом наблюдается левее плато SO2.
Миоглобин представляет собой Fe(II)-содержащий мышечный белок, который служит для кратковременного запасания O2. Поскольку это мономер (нет положительной кооперативное™), его кривая диссоциации O2 при низких PO2 гораздо круче, чем аналогичная кривая для НЬ (В). Кривая диссоциации O2 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 PO2 (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 O2 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 O2 (В). Редуктаза метгемоглобина восстанавливает Fe(lll) из Met-Hb в Fe(ll); дефицит этого фермента может вызывать метгемоглобинемию, приводя к неонатальной аноксии.
— В. Кривые диссоциации 02 и угарного газа (СО)
Рисунок 5.12. Связывание и транспорт 02 в крови
- —
- А. Кривая диссоциации 02: транспортная емкость по 02
Б. Кривая «диссоциация 02-насыщение 02» - Тканевое дыхание. Гипоксия
O2 диффундирует из периферической крови к близлежащим тканям, а СO2 - в обратном направлении. Поскольку СO2 диффундирует гораздо быстрее, диффузия O2 является лимитирующим фактором. Достаточное снабжение O2 обеспечивается развитой капиллярной сетью с площадью газообмена —1000 мг. Расстояние диффузии (R) составляет только 10-25 мкм. Движущая сила диффузии - это разность парциальных давлений кислорода (ΔPO2) в капиллярной крови и митохондриях, где PO2 не должно падать ниже 0,1 кПа (1 мм рт. ст.). Поскольку PO2 понижается с расстоянием по ходу капилляров, на удаленном (дистальном) конце капилляра (при входе его в венозное русло) доставка O2 к клеткам (большое R) незначительна, что и показано на цилиндрической модели Крога (А1). Такие клетки первые страдают от дефицита кислорода [гипоксий), поэтому иногда этот участок называют «летальной зоной» (А2).
По принципу Фика потребление кислорода в данном органе, VO2 (в л/мин), определяется как разность между артериальным запасом (Q • [02]a) и неиспользованным венозным остаточным объемом Ог/время (G * [O2]v, где Q - скорость кровотока в органе (л/мин), [O2] - содержание кислорода (л Ог/л крови):
VO2 = Q([02]a-[02]v) [5.7]
Для того чтобы отвечать повышенным потребностям в 02, скорость кровотока 0 может быть увеличена за счет вазодилатации в данном органе и/или путем увеличения извлечения кислорода в тканях (EO2). EO2 - потребление O2 в органе, т. е. отношение Q([02]a-[02]v), см. уравнение 5.7) к артериальному запасу O2 (Q • [O2]a). Выражение для О можно упростить,
EO2 = ([O2]a-[02]v)/[O2]a [5.8]
£q2 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 EO2 может увеличиваться до 0,9. Скелетные мышцы при нагрузке отвечают тем, что их потребность в кислороде повышается, т. е. EO2 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. При аномально сниженном снабжении тканей кислородом возникают различные типы гипоксии. 1. Гипоксическая гипоксия [А2, Б1): недостаточное снабжение крови кислородом, например, из-за понижения атмосферного давления PO2 на большой
высоте над уровнем моря, из-за сниженной альвеолярной вентиляции или из-за ослабленного альвеолярного газообмена.
2. Анемическая гипоксия (Б2): сниженная транспортная емкость крови по кислороду, например, из-за снижения общего содержания НЬ при железодефицитной анемии.
3. Застойная, или ишемическая, гипоксия (БЗ): недостаточное количество 02 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 EO2 (уравнение 5.7). Это невозможно в случае гипоксической и анемической гипоксии. Приток и отток субстратов и метаболитов также уменьшает застойную гипоксию. При этом анаэробный гликолиз мало помогает.
4. 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).
5. Гистотоксическая или цитотоксическая гипоксия происходит из-за уменьшенной утилизации 02 тканями, несмотря на достаточную доставку 02 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 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 и т. д., из-за избытка 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.
137
Рисунок 5.13. Тканевое дыхание, гипоксия
- А. Снабжение тканей кислородом: цилиндрическая модель Крога
Б. Гипоксия 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 O2 и СO2, 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 PO2 в артериях. Если это давление падает, происходит стимуляция вентиляции посредством блуждающего (X) и языкоглоточного нервов (IX) до тех пор, пока PO2 в артериях не увеличится вновь. Это происходит, например, на большой высоте над уровнем моря. Частота сенсорных импульсов резко возрастает, когда PO2 падает ниже 13 кПа или 97 мм рт. ст. (путь периферической вентиляции). Эти изменения даже усиливаются, если PO2 и/или концентрация ионов Н+ в крови увеличивается.
Центральные хеморецепторы, расположенные, в частности, в продолговатом мозге, реагируют на увеличение концентрации СO2 и Н+ (= снижение 138 pH) в спинномозговой жидкости (А4 ). Затем вентиляция увеличивается до тех пор, пока РСO2
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 РСO2 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 РСO2 повышенный до этого центральный дыхательный стимул уменьшается. Если O2, 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.
г-
А. Контроль и стимуляция дыхания Дыхание при подводном плавании
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) РСO2 в крови возрастает, поскольку образующийся СO2 не выдыхается. При достижении определенного РСO2 хеморецепторы вызывают ощущение нехватки дыхания, сигнализируя, что пора подниматься на поверхность.
Чтобы отсрочить время поднятия на поверхность, можно понизить РСO2 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 РСO2 (толстая зеленая линия) и слегка увеличивает PO2 (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 (РСO2, род' %)в альвеолах резко возрастает. Увеличенные количества СОд и Од диффундируют из альвеол в кровь. Как только PO2 крови возрастает до определенной величины, организм получает сигнал, что пора подниматься на поверхность. Если ныряльщик всплывает на поверхность в это время, PO2 в альвеолах и крови быстро снижается (потребление Од + снижение давления) и альвеолярный обмен Од прекращается.
На поверхности воды PO2 достигает уровня, который является приемлемым. Если ныряльщик перед погружением проделает излишнюю гипервентиляцию, сигнал к всплытию может прийти слишком поздно, и PO2 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 воз
духа с регулярными интервалами, может вести к таким осложнениям, как разрыв легкого и пневмоторакс, а также к потенциально фатальной геморрагии и закупорке (эмболии) кровеносных сосудов.
- В. Ныряние без снаряжения
Дыхание в условиях высокогорья
На уровне моря среднее барометрическое давление [РB] «101 кПа (760 мм рт. ст.), содержание кислорода F/q2 = 0,209, а парциальное давление O2 на вдохе РIO2« 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 PIO2 (A, колонка 1), альвеолярного PAO2 и артериального PaO2. PAO2 на уровне моря составляет примерно 13 кПа (А, колонка 2). Величина PAO2 является важной мерой снабжения кислородом. Если PAO2 падает ниже критического уровня (примерно 4,7 кПа = 35 мм рт. ст.), развивается гипоксия и нарушение работы мозга. Критическое PAO2 соответствует высоте 4000 м над уровнем моря при нормальной вентиляции (Д, прерывистая линия в колонке 2). Однако низкое значение РаO2 активирует хеморецепторы, которые стимулируют увеличение общей вентиляции (VE); это называется вентиляцией при дефиците кислорода (А, колонка 4). В результате выдыхаются большие объемы СO2 и значения PAO2 и РaСO2 снижаются (см. ниже). Как следует из газового уравнения для альвеол
PAO2 = PIO2-РaСO2/RQ [5.101
где RQ - дыхательный коэффициент, любое падение РaСO2 ведет к росту PAO2. Вентиляция при дефиците O2 предотвращает приближение PAO2 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 O2 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 РaСO2 (= гипервентиляция), что приводит к развитию дыхательного алкалоза. Центральные хеморецепторы испускают сигналы, ослабляющие дыхательную передачу, таким образом противодействуя сигналам (от O2 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 PIO2 почти равно барометрическому давлению РB (А, колонка 3), необходимо кислородное дыхание из специальных баллонов со сжатым кислородом. При этом критический уровень PAO2 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 PIO2 поднимается выше нормы (> 22 кПа или 165 мм рт. ст.) из-за увеличения содержания O2 (кислородная терапия) или из-за увеличения общего давления при нормальном содержании O2 (например, при подводном плавании), то наступает гипероксия. Степень токсичности O2 зависит от PIO2 (критическое значение —40 кПа или 300 мм рт. ст.) и продолжительности гипероксии. Дисфункция легких (дефицит сурфактанта) развивается, если PIO2 «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 PIO2 > 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 PIO2 > 40 кПа (300 мм рт. ст.) (например, в кувезе новорожденного), поскольку при этом мутнеет стекловидное тело глаза.