Hingamissüsteem: struktuur ja toimimine

Inimese hingamissüsteem koosneb hingamisteedest (ülemised ja alumised) ja kopsudest. Hingamissüsteem vastutab organismi ja keskkonna vahelise gaasivahetuse eest. Kuidas hingamissüsteem ehitatakse ja kuidas see töötab?

Inimese hingamissüsteem peaks võimaldama hingamist - gaasivahetuse protsessi, nimelt hapnikku ja süsinikdioksiidi organismi ja keskkonna vahel. Iga meie keha rakk vajab korralikuks toimimiseks ja energia tootmiseks hapnikku. Hingamisprotsess jaguneb:

• väline hingamine - hapniku toomine rakkudesse
• sisemine hingamine - rakusisene

Väline hingamine toimub hingamissüsteemi sünkroniseerimise tõttu närvikeskustega ja jaguneb mitmeks protsessiks:

• kopsu ventilatsioon
• gaaside difusioon alveolaarse õhu ja vere vahel
• gaaside transport läbi vere
• gaasi difusioon vere ja rakkude vahel

Selle video vaatamiseks lubage palun JavaScripti ja kaaluge üleminekut veebibrauserile, mis toetab HTML5-videot

Hingamissüsteemi struktuur

Hingamisteed koosnevad:

• ülemiste hingamisteede, s.o ninaõõne (meie cavum) ja kurgus (neelu)
• alumised hingamisteed: kõri (kõri), hingetoru (hingetoru), bronh (bronhid) - parem ja vasak, mis jagunevad veel väiksemateks harudeks ja kõige väiksematest saavad bronhioolid (bronhioolid)

Hingamisteede viimane osa viib alveoolideni (alveoolid pulmonales). Sissehingatav õhk läbib hingamisteid ja puhastatakse tolmust, bakteritest ja muudest väikestest lisanditest, niisutatakse ja soojendatakse. Teiselt poolt võimaldab bronhide struktuur, ühendades kõhre, elastsed ja silelihaselemendid, reguleerida nende läbimõõtu. Kurk on koht, kus hingamisteed ja seedesüsteem ristuvad. Sel põhjusel peatub allaneelamisel hingamine ja hingamisteed sulguvad läbi epiglotti.

• kopsud - paaritatud elundid, mis asuvad rinnus.

Anatoomiliste ja funktsionaalsete aspektide osas jagunevad kopsud lobadeks (vasak kops kaheks ja parem kolmeks), lobed jagunevad veel segmentideks, segmentideks lobuliteks ja lobulid klastriteks.

Iga kopsu ümbritseb kaks sidekoe kihti - parietaalne pleura (pleura parietalis) ja kopsu pleura (pleura pulmonalis). Nende vahel on pleuraõõs (cavum pleurae) ja selles sisalduv vedelik võimaldab kopsu pleuraga kaetud kopsu nakkumist rindkere siseseinaga sulandunud parietaalse pleuraga.Bronhide kopsudesse sisenemise kohas on kopsuõõnesid, millesse peale bronhide ka arterid ja kopsuveenid.
Lisaks osalevad keerulises hingamisprotsessis skeleti vöötlihased, vere- ja kardiovaskulaarsüsteem ning närvikeskused.

Kopsu ventilatsioon

Ventilatsiooni olemus on atmosfääriõhu tõmbamine alveoolidesse. Kuna õhk voolab alati kõrgemast rõhust madalamale, osalevad igal sissehingamisel ja väljahingamisel vastavad lihasgrupid, võimaldades rindkere imemist ja survet.

Väljahingamise lõpus on alveoolides olev rõhk võrdne atmosfäärirõhuga, kuid õhku tõmmates tõmbub diafragma kokku (diafragma) ja välised roietevahelised lihased (musculi intercostales externi), tänu millele suureneb rinna maht ja tekitab õhku imava vaakumi.

Kui nõudlus ventilatsiooni järele suureneb, aktiveeritakse täiendavad sissehingatavad lihased: sternocleidomastoid lihased (musculi sternocleidomastoidei), rinnalihased (musculi pectorales minores), eesmised hambalihased (musculi serrati anteriores), trapetslihased (musculi trapezia), levatori abaluu lihased (musculi levatores abaluud), suuremad ja väiksemad rööpküliku lihased (musculi rhomboidei maiores et minores) ja viltused lihased (musklid ühinesid).

Järgmine samm on väljahingamine. See algab siis, kui sissehingamise lihased lõõgastuvad sissehingamise tipul. Tavaliselt on see passiivne protsess, kuna venitatud elastsete elementide poolt kopsukoes tekitatud jõud on rindkere mahu vähenemiseks piisavad. Alveolaarrõhk tõuseb üle atmosfääri ja sellest tulenev rõhu erinevus eemaldab õhu väljapoole.

Tugevalt välja hingates on olukord veidi erinev. Sellega tegeleme siis, kui hingamisrütm on aeglane, kui väljahingamine nõuab suurenenud hingamisteede vastupanu ületamist, nt mõnede kopsuhaiguste korral, aga ka fonatoorses tegevuses, eriti laulmisel või puhkpillide mängimisel. Stimuleeritakse väljahingamislihaste motoneuroneid, mille hulka kuuluvad: sisemised roietevahelised lihased (musculi intercostales interni) ja kõhu eesmise seina lihased, eriti kõhu sirglihased (musculi recti abdominis).

Hingamissagedus

Hingamissagedus on väga varieeruv ja sõltub paljudest erinevatest teguritest. Puhanud täiskasvanu peaks hingama 7-20 korda minutis. Hingamissageduse suurenemist põhjustavad tegurid, mida tehniliselt nimetatakse tahhüpnoeks, hõlmavad füüsilist koormust, kopsuhaigusi ja kopsuväliseid hingamishäireid. Teiselt poolt võib bradüpnoe, see tähendab hingetõmbe arvu märkimisväärne vähenemine, tuleneda neuroloogilistest haigustest või narkootiliste ainete kesksetest kõrvaltoimetest. Lapsed erinevad selle poolest täiskasvanutest: mida väiksem on väikelaps, seda kõrgem on füsioloogiline hingamissagedus.

Kopsumahud ja -mahud

• TLC (kopsude üldmaht) - maht, mis on kopsus pärast kõige sügavamat hingetõmmet
• IC - sissehingamisvõime - tõmmatakse kopsudesse sügavaima sissehingamise ajal pärast rahulikku väljahingamist
• IRV (sissehingatava reservi maht) - sissehingatava reservi maht - tõmmatakse kopsudesse maksimaalse sissehingamise ajal vaba inspiratsiooni ülaosas
• Teler (loodete maht) - mõõna maht - sisse ja välja hingates vabalt sisse ja välja hingates
• FRC - funktsionaalne jääkmaht - jääb kopsudesse pärast aeglast väljahingamist
• ERV (väljahingatava reservi maht) - väljahingatava varu maht - eemaldatakse kopsudest maksimaalse väljahingamise ajal pärast vaba sissehingamist
• RV (jääkmaht) - jääkmaht - jääb kopsudesse alati maksimaalse väljahingamise ajal
• VC (eluline maht) - eluline võime - eemaldatakse kopsudest pärast maksimaalset inspiratsiooni maksimaalse aegumise korral
• IVC (inspiratoorne elujõud) - sissehingatav elujõud - tõmmatakse kopsudesse pärast kõige sügavamat väljahingamist maksimaalse sissehingamise korral; võib olla veidi kõrgem kui VC, kuna maksimaalse väljahingamise järel, millele järgneb maksimaalne sissehingamine, sulguvad alveolaarsed juhid enne mullide täitmise õhu eemaldamist

Vaba inspiratsiooni korral on loodete maht 500 ml. Kuid kogu see maht ei ulatu alveoolidesse. Umbes 150 ml täidab hingamisteid, millel puuduvad tingimused gaasi vahetamiseks õhu ja vere vahel, s.o ninaõõnes, neelus, kõri, hingetorus, bronhides ja bronhioolides. Seda nimetatakse anatoomiline hingamisteede surnud ruum. Ülejäänud 350 ml segatakse õhuga, mis moodustab jääkfunktsionaalse võime, samal ajal kuumutatakse ja küllastatakse veeauruga. Alveoolides pole jällegi kogu õhk gaasiline. Mõne folliikuli seinte kapillaarides ei voola või on liiga vähe verd, et kogu õhku gaasivahetuseks kasutada. See on hingamisteede füsioloogiline surnud ruum ja tervetel inimestel on see väike. Kahjuks võib see haigusseisundites märkimisväärselt suureneda.

Keskmine hingamissagedus puhkeseisundis on 16 minutis ja loodete maht 500 ml, korrutades need kaks väärtust, saame kopsu ventilatsiooni. Sellest järeldub, et minutis hingatakse sisse ja välja umbes 8 liitrit õhku. Kiirete ja sügavate hingetõmmetega sooritades võib väärtus märkimisväärselt kasvada, isegi tosinalt kahekümnele korrale.

Kõik need keerulised parameetrid: võimsused ja mahud võeti kasutusele mitte ainult selleks, et meid segadusse ajada, vaid neil on märkimisväärne rakendus kopsuhaiguste diagnoosimisel. On test - spiromeetria, mis mõõdab: VC, FEV1, FEV1 / VC, FVC, IC, TV, ERV ja IRV. See on hädavajalik selliste haiguste nagu astma ja KOK diagnoosimiseks ja jälgimiseks.

Gaaside difusioon alveolaarse õhu ja vere vahel

Alveoolid on kopsude moodustav põhistruktuur. Neid on umbes 300–500 miljonit, igaüks läbimõõduga 0,15–0,6 mm ja nende kogupindala on 50–90 m².

Folliikulite seinad on ehitatud õhuke, tasane, ühekihiline epiteel. Lisaks epiteelirakkudele on vesiikulites veel kahte tüüpi rakke: makrofaagid (soolerakud) ja ka II tüüpi folliikulirakud, mis toodavad pindaktiivset ainet. See on valkude, fosfolipiidide ja süsivesikute segu, mis on toodetud vere rasvhapetest. Pindpinget vähendades takistab pindaktiivne aine alveoolide kokkukleepumist ja vähendab kopsude venitamiseks vajalikke jõude. Väljastpoolt on mullid kaetud kapillaaride võrguga. Alveoolidesse sattunud kapillaarid kannavad verd, mis sisaldab rohkesti süsinikdioksiidi, vett, kuid vähesel hulgal hapnikku. Seevastu alveolaarses õhus on hapniku osaline rõhk kõrge ja süsinikdioksiidil madal. Gaasi difusioon toimub gaasi molekulrõhu gradiendi järgi, nii et kapillaarsed erütrotsüüdid püüavad õhust hapnikku kinni ja vabanevad süsinikdioksiidist. Gaasiosakesed peavad läbima alveolaarseina ja kapillaarseina ning täpsemalt läbi: alveolaarset pinda katva vedeliku kihi, alveolaarse epiteeli, basaalmembraani ja kapillaari endoteeli.

Gaaside transport läbi vere

• hapniku transport

Esiteks lahustub hapnik plasmas füüsiliselt, kuid seejärel difundeerub ümbrise kaudu punastesse verelibledesse, kus see seondub hemoglobiiniga, moodustades oksühemoglobiini (hapnikuga küllastatud hemoglobiin). Hemoglobiinil on hapniku transportimisel väga oluline roll, sest iga selle molekul ühendub 4 hapnikumolekuliga, suurendades seeläbi vere võimet hapnikku transportida kuni 70 korda. Plasmas lahustunud transporditava hapniku kogus on nii väike, et see pole hingamise seisukohalt oluline. Tänu vereringesüsteemile jõuab hapnikuga küllastunud veri igasse keharakku.

• süsinikdioksiidi transport

Kudedest pärinev süsinikdioksiid satub kapillaaridesse ja transporditakse kopsudesse:

• umbes 6% füüsiliselt lahustunud plasmas ja erütrotsüütide tsütoplasmas
• umbes 6% seondub plasmavalkude ja hemoglobiini (karbamaatidena) vabade aminorühmadega
• enamus, st umbes 88% HCO3 ioonidena - seondunud plasma ja erütrotsüütide bikarbonaatpuhvrisüsteemiga

Gaasi difusioon vere ja rakkude vahel

Taas läbivad kudedes olevad gaasimolekulid rõhugradiendi: hemoglobiinist eralduv hapnik difundeerub kudedesse, süsinikdioksiid aga vastupidises suunas - rakkudest plasmale. Erinevate kudede hapnikuvajaduse erinevuste tõttu on erinevusi ka hapniku pinges. Intensiivse ainevahetusega kudedes on hapnikupinge madal, seetõttu tarbivad nad rohkem hapnikku, samas kui äravoolav veeniveri sisaldab vähem hapnikku ja rohkem süsinikdioksiidi. Hapnikusisalduse arteriovenoosne erinevus on parameeter, mis määrab kudede hapnikutarbimise astme. Iga kude on varustatud sama hapnikusisaldusega arteriaalse verega, samas kui venoosne veri võib seda enam-vähem sisaldada.

Sisemine hingamine

Rakutasandil hingamine on mitmeastmeline biokeemiline protsess, mis hõlmab orgaaniliste ühendite oksüdeerimist, milles toodetakse bioloogiliselt kasulikku energiat. See on fundamentaalne protsess, mis toimub isegi siis, kui muud metaboolsed protsessid peatatakse (anaeroobsed alternatiivsed protsessid on ebaefektiivsed ja piiratud tähtsusega).

Võtmerolli mängivad mitokondrid - rakulised organellid, mis saavad raku sees difundeeruvaid hapniku molekule. Mitokondrite välismembraanil on kõik Krebsi tsükli (või trikarboksüülhapete tsükli) ensüümid, sisemembraanil aga hingamisahela ensüümid.

Krebsi tsüklis oksüdeeritakse suhkur, valk ja rasvmetaboliidid süsinikdioksiidiks ja veeks vabade vesinikuaatomite või vabade elektronide vabastamisega. Edasi hingamisahelas - rakusisese hingamise viimane etapp - sünteesitakse elektrone ja prootoneid järjestikustele kanduritele kandes kõrge energiaga fosforiühendeid. Kõige olulisem neist on ATP, s.t adenosiin-5′-trifosfaat, universaalne keemilise energia kandja, mida kasutatakse rakkude ainevahetuses. Seda tarbivad paljud ensüümid sellistes protsessides nagu biosüntees, liikumine ja rakkude jagunemine. ATP töötlemine elusorganismides on pidev ja arvatakse, et iga päev teisendab inimene oma kehakaaluga võrreldava ATP koguse.

Hingamise reguleerimine

Laiendatud südamikus on hingamiskeskus, mis reguleerib hingamise sagedust ja sügavust. See koosneb kahest vastandlike funktsioonidega keskusest, mille on ehitanud kahte tüüpi neuronid. Mõlemad asuvad retikulaarse moodustise sees. Üksikus tuumas ja tagumise-mitmetähendusliku vaguse närvi esiosas on inspiratsioonikeskus, mis saadab närviimpulsse seljaajule, inspiratsioonilihaste motoorsetele neuronitele. Seevastu vagusnärvi kahemõttelises tuumas ja tagumise-mitmetähendusliku vagusnärvi tagumises osas on väljahingamiskeskus, mis stimuleerib väljahingamislihaste motoorset neuronit.

Inspiratsioonikeskuse neuronid saadavad mitu korda minutis närviimpulsside volley, mis kulgevad mööda haru, mis laskub seljaaju motoorsetesse neuronitesse, ja samal ajal kui aksoni haru tõuseb silla retikulaarse moodustumise neuroniteni. Seal on pneumotaksiline keskus, mis pärsib sissehingamiskeskust 1-2 sekundit ja stimuleerib seejärel uuesti sissehingamiskeskust. Tänu järjestikustele inspiratsioonikeskuse stimulatsiooni ja pärssimise perioodidele on tagatud hingamiste rütmilisus.
Inspiratsioonikeskust reguleerivad närviimpulsid, mis tekivad:

• emakakaela ja aordi glomeruluse kemoretseptorid, mis reageerivad süsinikdioksiidi kontsentratsiooni suurenemisele, vesinikioonide kontsentratsioonile või arteriaalse hapniku kontsentratsiooni olulisele vähenemisele; aorditrombide impulsid liiguvad läbi glossofarüngeaalse ja vaguse närvide. ja selle tagajärg on inhalatsioonide kiirendamine ja süvendamine
• kopsukoe interoretseptorid ja rindkere proporetseptorid;
• bronhide silelihaste vahel on täispuhumise mehhanoretseptorid, neid stimuleerib kopsukoe venitamine, mis käivitab väljahingamise; seejärel vähendades väljahingamise ajal kopsukoe venitust, aktiveerivad teised mehhanoretseptorid, seekord deflatsioonilised, mis käivitavad inspiratsiooni; Seda nähtust nimetatakse Heringi-Breueri refleksideks;
• Rinna sisse- või väljahingatav asend ärritab vastavaid proprioretseptoreid ja muudab hingamiste sagedust ja sügavust: mida sügavam on sissehingamine, seda sügavam on sellele järgnev väljahingamine;
• aju ülemiste tasemete keskused: ajukoor, limbiline süsteem, hüpotalamuse termoregulatsiooni keskus