§ 15. Дыхательные движения. Нейрогуморальная регуляция дыхательных движений

Вспомните из курса физики зависимость объема полостей от давления. Что такое диафрагма? Какое строение головного мозга млекопитающих?

Вы уже знаете, что основной функцией легких является обмен газов между воздухом альвеол и кровью. Газообмен в легких возможен благодаря дыхательным движениям - вдоху и выдоху, которые вместе составляют дыхательный цикл.

Как осуществляются дыхательные движения? Легкие не имеют собственных мышц, поэтому вдох и выдох осуществляются за счет дыхательных движений: сокращения или расслабления дыхательных мышц, меняющих объем грудной полости (рис. 64). В дыхательных движенях в первую очередь участвуют межреберные мышцы и диафрагма, в меньшей степени - некоторые мышцы плечевого пояса, шеи, спины и брюшного

пресса. Поскольку давление в плевральной полости меньше, чем давление в легких, легкие повторяют форму грудной полости, которая изменяется в результате движений диафрагмы.

При вдохе сокращаются внешние межреберные мышцы. Они поднимают ребра и отводят их в сторону. Сокращения мышц диафрагмы меняют ее форму из сводчатой на плоскую. За счет этого объем грудной полости увеличивается и давление в легких становится ниже атмосферного. Как результат - воздух поступает через воздухоносные пути в альвеолы.

В состоянии покоя выдох происходит пассивно вследствие расслабления внешних межреберных мышц и мышц диафрагмы. При этом ребра опускаются за счет собственного веса. Диафрагму оттесняют вверх эластичные внутренние органы брюшной полости, которые в свою очередь были оттеснены вниз во время вдоха. Во время глубокого (активного) выдоха, кроме расслабления внешних межреберных мышц и мышц диафрагмы, сокращаются внутренние межреберные мышцы и мышцы брюшного пресса. Внутренние межреберные мышцы активно опускают ребра, а мышцы брюшного пресса, сокращаясь, оттесняют диафрагму вверх. При этом объем грудной полости значительно уменьшается, давление в ней становится выше атмосферного, и воздух выдавливается из легких в воздухоносные пути, а оттуда - наружу.

В состоянии покоя человек делает 16-20 дыхательных движений в минуту. Во время занятий спортом, тяжелого физического труда, а также при некоторых заболеваниях частота дыхательных движений значительно возрастает. Для количественной оценки функционального состояния легких человека измеряют так называемые легочные объемы.

Что такое легочные объемы и жизненная емкость легких? Во время каждого дыхательного цикла воздух в легких обновляется. Этот процесс называют легочной вентиляцией. Количественным ее показателем является минутный объем дыхания - объем воздуха, который вдыхается и выдыхается в минуту. Его рассчитывают как произведение объема воздуха, вдыхаемого за один раз, на число дыхательных движений в минуту. В состоянии покоя у взрослого человека минутный объем составляет приблизительно 7 л, а при усиленной работе может достигать 50-160 л.

Для характеристики легочной вентиляции в состоянии покоя используют такой показатель, как дыхательный объем.Это количество воздуха, которое вдыхает и выдыхает человек в состоянии покоя. В среднем он составляет 0,5 л. Из этого количества только приблизительно 0,35 л воздуха попадает в альвеолы, а 0,15 л задерживается в полостях воздухоносных путей (носа, носоглотки, гортани, трахеи, бронхов) и в газообмене не участвует.

После любого спокойного вдоха человек способен дополнительно вдохнуть (глубокий вдох) еще 1-2 л воздуха. Такой дополнительно поступивший воздух называют резервным объемом вдоха. Также после обычного выдоха можно дополнительно выдохнуть еще приблизительно 1,5 л воздуха. Его называют резервным объемом выдоха. Важнейшим показателем, наиболее полно характеризующим состояние дыхательной системы человека, является количество воздуха, которое можно выдохнуть после максимального вдоха. Именно его называют жизненной емкостью легких.

Таким образом, жизненная емкость легких - это сумма дыхательного объема и резервных объемов вдоха и выдоха. У мужчин этот показатель колеблется в пределах 3,5-5 л, у женщин - 3-3,5 л. У тренированных людей он может увеличиваться до 6-7 л. Вот почему у них не возникает одышки во время физических нагрузок. Большое количество воздуха, которое поступает при вдохе в легкие, способно полностью обеспечить организм кислородом. У нетренированных людей при физической нагрузке повышенные потребности в кислороде обеспечиваются в основном за счет увеличения частоты дыхания.

Жизненную емкость легких человека определяют с помощью специального прибора - спирометра(рис. 65).

Следует помнить, что даже после максимального выдоха в легких остается еще 1-1,5 л воздуха (остаточный объем). Это связано с тем, что легкие полностью никогда не спадаются, потому что в плевральной полости даже во время максимального выдоха давление остается ниже атмосферного.

Жизненная емкость легких и остаточный объем в сумме составляют общую емкость легких- количество воздуха, которое содержится в легких после максимального вдоха (рис. 66).

Здоровье человека. Жизненная емкость легких - один из основных показателей физического развития человека, которое зависит от состояния дыхательных мышц. Чтобы увеличить жизненную емкость легких, необходимо ежедневно тренировать дыхательные мышцы и всю скелетную мускулатуру. Во время мышечной работы вентиляция легких повышается не только от ускорения частоты дыхательных движений, но и вследствие увеличения их глубины.

Как происходит нервная регуляция дыхания? Вдох и выдох, как мы уже знаем, обеспечиваются сокращением и расслаблением дыхательных мышц в ответ на нервные импульсы, поступающие от нервных центров спинного мозга. В свою очередь активность этих центров контролируется нейронами, расположенными в дыхательном центре(находящемся в одном из отделов головного мозга человека - продолговатом мозге), и нейронами, расположенными в коре полушарий головного мозга. Деятельность дыхательного центра обеспечивает автоматические дыхательные движения. Дыхательный центр работает даже тогда, когда мы спим. Благодаря влиянию нервных центров, расположенных в коре головного мозга, человек способен произвольно руководить дыхательными движениями.

Дыхательный центр обеспечивает ритмичную деятельность дыхательных мышц за счет взаимодействия между собой скоплений двух типов нейронов: нейронов вдохаи нейронов выдоха. Их еще называют центрами вдохаи выдоха. Нейроны вдоха возбуждаются перед началом вдоха, а нейроны выдоха - перед началом выдоха (см. таблицу 6).

Таблица 6

Состояние органов и изменения в них во время вдоха и выдоха

Задание. Пользуясь таблицей 6, объясните состояние органов и изменения в них во время вдоха и выдоха.

Дыхательные движения регулируются также благодаря рецепторам, расположенным в самих легких. Эти рецепторы возбуждаются во время вдоха.

ИНТЕРЕСНО ЗНАТЬ! К возбуждению и торможению дыхательного центра, и соответственно ускорению или замедлению дыхания и даже его остановке, могут привести импульсы, поступившие от разных органов чувств, а также от внутренних органов. Нарушение функций этих органов, например их воспаление, может сопровождаться изменением ритма и глубины дыхания. Повышенная температура и боль увеличивают частоту дыхания. Кроме того, на дыхательный центр влияют также эмоции - радость, страх и т. п.

Активность дыхательного центра в значительной степени определяется раздражением рецепторов, контролирующих химический состав крови -содержание газов в крови. Таким образом, кроме нервной, существует и гуморальная регуляция процессов дыхания.

Как происходит гуморальная регуляция процессов дыхания? Основной функцией деятельности дыхательной системы является обеспечение организма кислородом, однако гуморальная регуляция дыхания преимущественно основывается на изменениях содержания в крови углекислого газа. Увеличение в крови количества углекислого газа активизирует рецепторы, расположенные в стенке сосудов, питающих мозг. Следствием такого раздражения является усиление активности дыхательного центра продолговатого мозга и соответственно увеличение частоты и глубины дыхания.

Повышение концентрации углекислого газа в крови, поступающей в головной мозг, способно возбуждать дыхательный центр непосредственно. Это тоже увеличивает частоту и глубину дыхания до тех пор, пока концентрация углекислого газа не снизится до нормы. Так, на уроках физкультуры, выполняя определенные физические упражнения, вы чувствуете, как увеличивается частота и глубина дыхания. Это происходит потому, что во время физических нагрузок усиливается работа скелетных мышц, вызывая процессы окисления в их клетках, а соответственно и увеличение углекислого газа в крови. Кровь с избытком углекислого газа поступает к дыхательному центру и вызывает его возбуждение, которое передается к дыхательным мышцам. Человек начинает дышать глубже. Это обуславливает выведение углекислого газа и пополнение содержания кислорода (рис. 67).

Дыхательный центр также возбуждает гормон адреналин, который вырабатывают железы внутренней секреции - надпочечники (детальнее о деятельности эндокринной системы вы узнаете в § 55). Поскольку этот гормон усиленно выделяется при любом волнении, то понятно, почему именно при таких условиях мы дышим глубоко и часто.

‘Ключевые термины и понятия: вдох, выдох, дыхательный центр, жизненная емкость легких.

ОБОБЩИМ ЗНАНИЯ

Благодаря дыхательным движениям (вдох и выдох) воздух в легких постоянно обновляется. Дыхательные движения регулирует дыхательный центр, расположенный в продолговатом мозге. Его деятельность пребывает под контролем полушарий большого мозга. Частота и глубина дыхательных движений зависит от концентрации углекислого газа в крови.

Вентиляцию легких обеспечивают дыхательные движения, которые в состоянии покоя вызывают сокращение и расслабление межреберных мышц и мышц диафрагмы, а при условиях физического напряжения - и других мышц.

Дыхательный цикл состоит из последовательных фаз вдоха и выдоха, во время которых изменяется объем грудной полости.

Жизненная емкость легких - количество воздуха, которое можно выдохнуть после максимального вдоха, - является показателем физического развития человека.

ПРОВЕРЬТЕ И ПРИМЕНИТЕ ПОЛУЧЕННЫЕ ЗНАНИЯ

Ответьте на вопросы

1. Что такое дыхательный цикл? Из каких фаз он состоит? 2. Каков механизм вдоха и выдоха? 3. Сколько дыхательных движений осуществляет человек в спокойном состоянии в минуту? 4. Где находится дыхательный центр? 5. В чем заключается рефлекторный принцип работы дыхательного центра? 6. Благодаря чему человек может сознательно управлять дыхательными движениями? 7. Как осуществляется гуморальная регуляция процессов дыхания?

Выберите один правильный ответ

1.    Укажите мышцы, которые обеспечивают глубокий выдох: а) внешние межреберные мышцы; б) внутренние межреберные мышцы; в) мышцы диафрагмы; г) мышцы шеи.

2.    Укажите, как называют количество воздуха, которое человек может вдохнуть после спокойного вдоха: а) дыхательный объем; б) резервный объем вдоха;

в)    дополнительный объем; г) жизненная емкость легких.

3.    Укажите, как называют максимальное количество воздуха, которое человек может выдохнуть после глубокого вдоха: а) резервный объем выдоха; б) дополнительный объем выдоха; в) дыхательный объем; г) жизненная емкость легких. Решите задачу. Сколько воздуха (л) использует для дыхания класс из 35 учеников за 45 мин урока, если один ученик в среднем делает 16 вдохов в минуту по 500 мл воздуха? Выберите правильный ответ: а) 126; б) 1260; в) 12 600;

г)    126 000.

Установите правильную последовательность процесса вдоха: а) легкие растягиваются и заполняются воздухом; б) объем грудной полости увеличивается; в) диафрагма опускается книзу; г) внешние межреберные мышцы сокращаются; д) ребра поднимаются.

ОБСУДИТЕ В ГРУППАХ. Пользуясь рисунком 67, объясните регуляцию дыхательных движений.

Этот материал взят из учебника Биология 8 класс Матяш