Этапы дыхания и свойства альвеолярного воздуха
Физиологический процесс дыхания состоит из пяти последовательных этапов. Всё начинается с внешнего дыхания (вентиляции легких) и газообмена между альвеолами и легочными капиллярами. Далее следует транспорт газов кровью, обмен в тканях и, наконец, внутреннее (тканевое) дыхание — окислительные процессы в митохондриях.
Фундамент легочного газообмена — исключительно физические закономерности, а именно разность парциальных давлений газов. При этом объем и газовый состав альвеолярного воздуха в норме остаются строго постоянными, отличаясь от атмосферного. Главный регулятор этого постоянства — концентрация $CO_2$.
В выдыхаемой порции воздуха углекислого газа всегда меньше, чем непосредственно в альвеолах. Это связано с тем, что на выдохе к насыщенному альвеолярному газу примешивается воздух из мертвого пространства, в котором $CO_2$ практически отсутствует.
Первичные дыхательные объемы
Для оценки вентиляции чаще всего применяют метод спирометрии. Выделяют четыре базовых (первичных) объема:
- Дыхательный объем (ДО): порция, поступающая при одном спокойном вдохе (в норме 500 мл).
- Резервный объем вдоха (дополнительный): максимум, который можно форсированно вдохнуть поверх обычного вдоха (1500 мл).
- Резервный объем выдоха (резервный): воздух, который можно с усилием выдохнуть после стандартного выдоха (1500 мл).
- Остаточный объем (остаточный воздух): порция, которая неизбежно остается в легких и путях даже после самого глубокого выдоха (около 1000 мл).
Обратите внимание: остаточный объем невозможно измерить классическим спирометром. Для этого применяют метод разведения. Испытуемый 5–10 минут дышит газовой смесью известного объема (3 л), содержащей 1 л инертного аргона. Искомый показатель рассчитывают после выдоха смеси по степени разведения в ней аргона.
Легочные емкости и показатели вентиляции
Емкости представляют собой клинически значимые суммы нескольких первичных объемов:
- Жизненная емкость легких (ЖЕЛ): максимальный объем выдоха после предельного вдоха (сумма ДО, резервного объема вдоха и резервного объема выдоха).
- Функциональная остаточная емкость (ФОЕ): количество воздуха в легких после спокойного выдоха (сумма резервного объема выдоха и остаточного). Этот резерв постоянно находится в альвеолах.
- Общая емкость легких (ОЕЛ): полная вместимость на пике вдоха (ЖЕЛ + остаточный объем).
- Резерв вдоха: сумма ДО и резервного объема вдоха.
Помимо статических показателей, оценивают динамические. Объем, проходящий через систему за минуту, называется минутным объемом дыхания (МОД). Если человек дышит с максимальной частотой и глубиной, регистрируется максимальная вентиляция легких (МВЛ), достигающая 150–200 л/мин.
Биомеханика дыхательных путей и мертвое пространство
Воздухоносные пути начинаются с трахеи (диаметр 15–30 мм), которая на уровне V грудного позвонка делится на два главных бронха. Каждое ветвление бронхиального дерева образует новую генерацию.
Первые 16 генераций формируют проводящую зону. Транспорт здесь идет конвективным путем, а газообмен не происходит. Эта зона (ротовая полость, трахея, крупные бронхи) образует анатомическое мертвое (вредное) пространство объемом около 150–180 мл (~170 мл).
За ней следует переходная зона (3 генерации после терминальных бронхиол) и респираторная зона (последние 4 генерации: 20–23). Начиная с 20-й генерации, главным механизмом транспорта становится диффузия.
Физиологи выделяют два типа мертвого пространства:
- Анатомическое: только воздухоносные пути без газообмена.
- Физиологическое (функциональное): анатомическое пространство плюс объем вентилируемых, но не перфузируемых кровью альвеол.
Реальная альвеолярная вентиляция — это та порция свежего воздуха, которая достигает альвеол при каждом вдохе. При спокойном вдохе она составляет: $500 \text{ мл} - 170 \text{ мл (мертвое пространство)} = 340 \text{ мл}$.
Чтобы легко запомнить состав ЖЕЛ, используйте правило «трех действий, подвластных воле»: мы можем осознанно сделать обычный вдох (ДО), вдохнуть еще сильнее (Резерв вдоха) и с усилием выдохнуть (Резерв выдоха). Всё, что не подвластно воле — это Остаточный объем.
Вопросы с занятий и экзамена
Почему остаточный объем легких нельзя определить методом спирометрии?
Спирометр измеряет только тот воздух, который проходит через прибор (вдыхается или выдыхается). Остаточный объем по определению невозможно выдохнуть, поэтому для его расчета используют метод разведения с инертным газом (аргоном).
Чем анатомическое мертвое пространство отличается от физиологического?
Анатомическое мертвое пространство включает только структурно не приспособленные для газообмена воздухоносные пути (около 170 мл). Физиологическое пространство шире: оно дополнительно включает те альвеолы, которые получают воздух, но временно не омываются кровью (не имеют перфузии).
Почему концентрация углекислого газа в выдыхаемом воздухе ниже, чем в альвеолярном?
При выдохе насыщенный углекислым газом воздух из альвеол смешивается с порцией воздуха из анатомического мертвого пространства. Поскольку в воздухоносных путях $CO_2$ практически нет, итоговая концентрация в выдыхаемой смеси снижается.
Что ещё разобрать по теме
- Механизмы диффузии газов через аэрогематический барьер
- Транспорт кислорода и углекислого газа кровью (роль гемоглобина)
- Газообмен в тканях и внутреннее (тканевое) дыхание
- Регуляция дыхания и роль парциального давления газов крови
Разберите тему целиком в курсе «Физиология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Легочные объемы и емкости» и ещё 4 085 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 106 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Дыхание»
Бесплатные видеоуроки: физиологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.