§ 15. Дихальні рухи. Нейрогуморальна регуляція дихальних рухів

Пригадайте з курсу фізики залежність об’єму порожнин від тиску. Що таке діафрагма? Яка будова головного мозку ссавців?

Ви вже знаєте, що основною функцією легень є обмін газів між повітрям альвеол і кров’ю. Газообмін у легенях можливий завдяки дихальним рухам - вдиху і видиху, які разом складають дихальний цикл.

Як здійснюються дихальні рухи? Легені не мають власних м’язів, тому вдих і видих здійснюються за рахунок дихальних рухів: скорочення або розслаблення дихальних м’язів, які змінюють об’єм грудної порожнини (мал. 64). У здійсненні дихальних рухів насамперед беруть участь міжреберні м’язи та діафрагма, меншою мірою — деякі м’язи плечового пояса,

шиї, спини та черевного преса. Оскільки тиск у плевральній порожнині менший, ніж тиск у легенях, легені повторюють форму грудної порожнини, що змінюється внаслідок рухів діафрагми.

Під час вдиху скорочуються зовнішні міжреберні м'язи, які підіймають ребра та відводять їх убік. Скорочення м’язів діафрагми змінюють її форму' зі склепінчастої на пласку. За рахунок цього об’єм грудної порожнини збільшується і тиск у легенях стає на 3-4 мм рт. ст. нижчий за атмосферний. Унаслідок цього повітря надходить через повітроносні шляхи до альвеол легень.

У стані спокою видих відбувається пасивно через розслаблення зовнішніх міжреберних м’язів і м’язів діафрагми. При цьому ребра опускаються за рахунок власної ваги. Діафрагму відтискають догори еластичні внутрішні органи черевної порожнини, які у свою чергу були відтиснуті донизу під час вдиху. Під час глибокого (активного) видиху, крім розслаблення зовнішніх міжреберних і м’язів діафрагми, скорочуються внутрішні міжреберні м'язи та м’язи черевного преса. Внутрішні міжреберні м’язи активно опускають ребра, а м’язи черевного преса, скорочуючись, відтискають діафрагму вгору. Унаслідок цього об’єм грудної порожнини значно зменшується, тиск у грудній порожнині стає на 3-4 мм рт. ст. вищий за атмосферний, і повітря витискається з легень у повітроносні шляхи, а звідти - назовні. Додаткові групи м’язів можуть бути задіяні в дихальних рухах у разі надмірних фізичних навантажень.

У стані спокою людина здійснює 16-20 дихальних рухів за хвилину. Під час занять спортом, важкої фізичної праці, а також у разі деяких захворювань частота дихальних рухів значно зростає.

Для кількісної оцінки функціонального стану легень людини вимірюють так звані легеневі об’єми.

Що таке легеневі об’єми та життєва ємність легень? Під час кожного дихального циклу повітря в легенях оновлюється. Цей процес називають легеневою вентиляцією. Кількісним показником її є хвилинний об'єм дихання - об’єм повітря, яке вдихається і видихається за хвилину. Його розраховують як добуток об’єму повітря, вдихуваного за один раз, на число дихальних рухів за 1 хвилину. У стані спокою в дорослої людини хвилинний об’єм становить приблизно 7 л, а за посиленої роботи може сягати 50-160 л. Отже, легенева вентиляція залежить від об’єму вдихуваного повітря та частоти дихальних рухів.

Для характеристики легеневої вентиляції в стані спокою використовують такий показник, як дихальний об'єм. Це кількість повітря, яку вдихає і видихає людина у стані спокою. У середньому він становить 0,5 л. Важливо знати, що із цієї кількості тільки приблизно 0,35 л повітря потрапляє до альвеол, а 0,15 л затримується в порожнинах повітроносних шляхів (носа, носоглотки, гортані, трахеї, бронхів) та участі в газообміні не бере.

Після будь-якого спокійного вдиху людина здатна додатково вдихнути (глибокий вдих) ще 1-2 л повітря. Таке додатково вдихнуте повітря називають резервним об'ємом вдиху. Так само після звичайного видиху можна додатково видихнути ще приблизно 1,5 л повітря, тому його називають резервним об'ємом видиху. Найважливішим показником, який найбільш повно характеризує стан дихальної системи людини, є кількість повітря, яку можна видихнути після максимального вдиху. Саме його називають життєвою ємністю легень.

Отже, життєва ємність легень - це сума дихального об’єму та резервних об’ємів вдиху і видиху. У чоловіків цей показник коливається в межах 3,5-5 л, у жінок - 3-3,5 л. У тренованих осіб він може збільшуватись до 6-7 л. Ось чому в них не виникає задишки під час фізичних навантажень. Велика кількість повітря, яке надходить під час вдиху до легень, здатна повністю забезпечити організм киснем. У нетренованих людей під час фізичного навантаження підвищені потреби в кисні забезпечуються переважно за рахунок зростання частоти дихання.

Життєву ємність легень людини визначають за допомогою особливого приладу - спірометра (мал. 65).

Слід пам’ятати і те, що навіть після максимального видиху в легенях залишається ще 1—1,5 л повітря (залишковий об'єм). Це пов’язано з тим, що легені повністю ніколи не спадаються, бо у плевральній порожнині навіть під час максимального видиху тиск залишається нижчим від атмосферного.

Життєва ємність легень і залишковий об’єм у сумі становлять загальну ємність легень - кількість повітря, яке міститься в легенях після максимального вдиху (мал. 66).

Здоров’я людини. Життєва ємність легень - один з основних показників фізичного розвитку людини, який залежить від стану дихальних м'язів. Щоб збільшити життєву ємність легень, потрібно щодня тренувати дихальні м’язи і всю скелетну мускулатуру. Під час м’язової роботи вентиляція легень підвищується не тільки від прискорення частоти дихальних рухів, а й унаслідок збільшення їхньої глибини. Тому потрібно щодня займатися фізичною працею, фізкультурою, спортом (веслуванням, плаванням, гімнастикою, бігом тощо).

Як відбувається нервова регуляція дихання? Вдих і видих, як ми вже знаємо, спричиняються скороченням і розслабленням дихальних м’язів у відповідь на нервові імпульси, які надходять від нервових центрів спинного мозку. У свою чергу активність цих центрів контролюється нейронами, розташованими в дихальному центрі (міститься в одному з відділів головного мозку людини - довгастому), та нейронами, розташованими в корі півкуль головного мозку. Діяльність дихального центру забезпечує автоматичні дихальні рухи. Дихальний центр працює навіть тоді, коли ви засинаєте. Завдяки впливам нервових центрів, розташованих у корі головного мозку, людина здатна довільно керувати дихальними рухами.

Дихальний центр забезпечує ритмічну діяльність дихальних м’язів за рахунок взаємодії між собою скупчень двох типів нейронів: нейронів вдиху і нейронів видиху. їх ще називають центрами вдиху та видиху. Нейрони вдиху збуджуються перед початком вдиху, а нейрони видиху - перед початком видиху (див. таблицю б).

Таблиця 6

Стан органів і зміни в них під час вдиху і видиху

Завдання. Користуючись таблицею 6, поясніть стан органів і зміни в них під час вдиху і видиху

Дихальні рухи регулюються також завдяки рецепторам, розташованим у самих легенях. Ці рецептори збуджуються як під час вдиху, так і під час видиху.

ЦІКАВО ЗНАТИ! Збудження і гальмування дихального центру, і відповідно прискорення чи уповільнення дихання і навіть його зупинку, можуть спричинити імпульси, які надходять до нього з різних органів чуття (нюху, зору, смаку тощо), а також внутрішніх органів (печінки, селезінки, нирок, шлунково-кишкового тракту тощо). Порушення функцій цих органів, наприклад їхнє запалення, може супроводжуватися зміною ритму і глибини дихання. Підвищена температура і біль збільшують частоту дихання. Крім того, на дихальний центр впливають також емоції - радість, страх тощо.

Активність дихального центру значною мірою визначається подразненням рецепторів, які контролюють хімічний склад крові - вміст газів у крові. Таким чином, крім нервової, існує і гуморальна регуляція процесів дихання.

Як відбувається гуморальна регуляція процесів дихання? Основною функцією діяльності дихальної системи є забезпечення організму киснем, але гуморальна регуляція дихання переважно ґрунтується на змінах вмісту в крові вуглекислого газу. Зростання в крові кількості вуглекислого газу активує рецептори, розташовані в стінці судин, що живлять мозок. Наслідком такого подразнення є посилення активності дихального центру довгастого мозку і відповідно зростання частоти і глибини дихання.

Підвищення концентрації вуглекислого газу в крові, яка надходить до головного мозку, здатне збуджувати дихальний центр безпосередньо. Це теж сприяє збільшенню частоти та глибини дихання, яке триває доти, доки концентрація вуглекислого газу не знизиться до норми. Так, на уроках фізкультури, виконуючи певні фізичні вправи, ви відчуваєте, як збільшується частота й глибина дихання. Це відбувається тому, що під час фізичних навантажень посилюється робота скелетних м’язів, а це спричинює процеси окиснення в їхніх клітинах, а відповідно й збільшення вуглекислого газу в крові. Кров з надлишком вуглекислого газу надходить до дихального центру і спричинює його збудження, яке передається до дихальних м’язів. Людина починає дихати глибше, і це зумовлює виведення надлишку вуглекислого газу та поповнення вмісту кисню (мал. 67).

ЦІКАВО ЗНАТИ! У момент народження, коли дитина припиняє отримувати кисень через плаценту від організму матері, в її крові різко зростає вміст вуглекислого газу. Це збуджує дихальний центр, від якого нервові імпульси надходять до рухових спинномозкових нейронів зовнішніх міжреберних м’язів і діафрагми. Дитина самостійно робить перший вдих - починається дихальний цикл.

Дихальний центр також збуджує гормон адреналіну який виробляють надниркові залози (детальніше про діяльність ендокринної системи дізнаєтеся згодом). Оскільки цей гормон посилено виділяється за будь-якого хвилювання, то зрозумілим стає, чому саме за таких умов ми дихаємо глибоко й часто.

Ключові терміни і поняття: вдих, видих, дихальний центр, життєва ємність легенів.

УЗАГАЛЬНИМО ЗНАННЯ

• Завдяки дихальним рухам (вдих і видих) повітря в легенях постійно оновлюється. Дихальні рухи регулює дихальний центр, розташований у довгастому мозку. Його діяльність відбувається під контролем півкуль великого мозку. Частота та глибина дихальних рухів залежить від концентрації вуглекислого газу в крові.

Вентиляцію легень забезпечують дихальні рухи, які в стані спокою спричиняють скорочення та розслаблення міжреберних м'язів і м’язів діафрагми, а за умов фізичного напруження - й інших м'язів. Дихальний цикл складається з послідовних фаз вдиху та видиху, під час яких змінюється об'єм грудної порожнини.

Життєва ємність легень - кількість повітря, яку можна видихнути після максимального вдиху, - є показником фізичного розвитку людини.

ПЕРЕВІРТЕ^ТА ЗАСТОСУЙТЕ ЗДОБУТІ ЗНАННЯ Дайте відповідь на запитання

1. Що таке дихальний цикл? З яких фаз він складається? 2. Який механізм вдиху та видиху? 3. Скільки дихальних рухів здійснює людина в спокійному стані за хвилину? 4. Де міститься дихальний центр? 5. У чому полягає рефлекторний принцип роботи дихального центру? 6. Завдяки чому людина може свідомо управляти дихальними рухами? 7. Як здійснюється гуморальна регуляція процесів дихання? Виберіть одну правильну відповідь

1. Укажіть м'язи, які забезпечують глибокий видих: а) зовнішні міжреберні м’язи; б) внутрішні міжреберні м'язи; в) м’язи діафрагми; г) м’язи шиї.

2. Укажіть, як називають кількість повітря, яку людина може вдихнути після спокійного вдиху: а) дихальний об’єм; б) резервний об’єм вдиху; в) додатковий об’єм; г) життєва ємність легенів.

3. Укажіть, як називають максимальну кількість повітря, яку людина може видихнути після глибокого вдиху: а) резервний об’єм; б) додатковий об'єм; в) дихальний об’єм; г) життєва ємність легень.

Розв'яжіть задачу. Скільки повітря (л) використає на дихання клас з 35 осіб за 45 хв уроку, якщо один учень у середньому робить 16 вдихів за хвилину по 500 мл повітря? Виберіть правильну відповідь: а) 126; б) 1260; в) 12600; г) 126000. Установіть правильну послідовність процесу вдиху: а) легені розтягуються і заповнюються повітрям; б) об’єм грудної порожнини збільшується; в) купол діафрагми опускається донизу; г) міжреберні м’язи скорочуються; д) ребра підіймаються.

ОБГОВОРІТЬ У ГРУПАХ. Користуючися малюнком 67, поясніть регуляцію дихальних рухів.

ПОМІРКУЙТЕ. 1. Чому дуже важливо, щоб одразу після народження дитина закричала? 2. Чим можна пояснити, що ліва та права легені розрізняються за розмірами?

Це матеріал з підручника Біологія 8 клас Матяш