🫁Дыхательная система

Что такое дыхательная система

Дыхательная система — это набор органов, которые снабжают тело кислородом и удаляют углекислый газ. Кислород нужен каждой клетке, чтобы получать энергию: без него клетка не может «сжигать» питательные вещества и вырабатывать АТФ — универсальную энергетическую молекулу, которой в теле «оплачивается» любая работа. При этом «сжигании» образуется углекислый газ — отход, который нужно постоянно убирать. Дыхательная система — одновременно поставщик кислорода и «вытяжка» для углекислого газа.

Сразу разведём два значения слова «дыхание», их часто путают. Внешнее дыхание — это то, о чём статья: газообмен между воздухом и кровью в лёгких плюс перенос газов кровью. А тканевое (клеточное) дыхание — другое: как клетка использует уже доставленный кислород, чтобы добыть энергию. Внешнее дыхание обслуживает клеточное: лёгкие приносят кислород, а расходуют его клетки. О том, как это происходит на клеточном уровне, — в разделе Обмен веществ и энергия.

Строение: воздухоносные пути и лёгкие

Дыхательную систему удобно разделить на две части — «трубы», по которым идёт воздух, и «рабочую зону», где происходит газообмен.

Слово «респираторный» происходит от латинского respirare — «дышать», а альвеола — уменьшительное от латинского alveus, «полость, лунка»: буквально «маленькая ячейка». Это точное название — альвеолы и правда крошечные пузырьки, похожие на ячейки в сотах.

Путь воздуха: от носа до альвеол

Воздух проделывает путь, и на каждом его участке с воздухом что-то происходит. Проследим по порядку.

Нос и глотка

Дыхание начинается в полости носа — и не случайно. Слизистая носа согревает холодный воздух, увлажняет сухой и улавливает пыль, пыльцу и микробов с помощью ресничек и слизи. Нос — главный «кондиционер» тела: пока воздух доходит до лёгких, он успевает согреться почти до температуры тела и стать влажным. Здесь же лежат обонятельные рецепторы, которыми мы чувствуем запахи. Через глотку — общий участок дыхательного и пищеварительного путей — воздух направляется в гортань.

Гортань

Гортань — отдел между глоткой и трахеей, который служит ещё и голосовым аппаратом. В ней расположены голосовые складки (их часто называют голосовыми связками) — натянутые перепонки, которые колеблются, когда между ними проходит воздух, и создают звук. Вход в гортань при глотании закрывает надгортанник — хрящевая «крышка», не дающая пище попасть в дыхательные пути (о том, как это согласовано, — в статье Ротовая полость и глотка).

Трахея и бронхи

Трахея (дыхательное горло) — трубка, ведущая от гортани вниз, в грудную клетку. Её стенка укреплена хрящевыми полукольцами, поэтому трахея не спадается и всегда остаётся открытой для воздуха. Само слово «трахея» — от греческого «шероховатый»: так её назвали именно из-за этих колец. В грудной клетке трахея делится на два бронха — правый и левый, по одному на каждое лёгкое. Бронхи ветвятся снова и снова, становясь всё тоньше, — получается бронхиальное дерево. Самые мелкие ветви называют бронхиолами (слово «бронх» — тоже от греческого «дыхательное горло»). Каждый воздухоносный путь выстлан изнутри слизистой с ресничками, которые непрерывно выметают наружу пыль и микробов.

Альвеолы

Бронхиолы заканчиваются скоплениями альвеол — тех самых микроскопических пузырьков. Их в лёгких несколько сотен миллионов, и в сумме они создают огромную поверхность для газообмена — по современным оценкам, порядка 70 квадратных метров, то есть размером с небольшую комнату. Такая площадь нужна, чтобы кислорода хватало всему телу. О строении лёгких и о газообмене на их поверхности — в статьях Лёгкие и Альвеолы и газообмен.

Как воздух входит: механика дыхания

Самое неочевидное в дыхательной системе — то, что у лёгких нет собственных мышц для вдоха. Они не могут «втянуть» воздух сами, как насос. Воздух входит потому, что грудная клетка расширяется и создаёт внутри разрежение, — а воздух всегда устремляется туда, где давление ниже. То есть лёгкие не тянут воздух на себя, а пассивно следуют за движением грудной клетки.

Ключевую роль в этом механизме играет плевра — двойная оболочка, которой лёгкое покрыто и прилегает к внутренней стенке груди. Между двумя её листками есть тонкая прослойка жидкости, и они «прилипают» друг к другу: лёгкое оказывается связанным со стенкой грудной клетки и тянется за ней при вдохе. Именно поэтому лёгкое расправляется, когда грудная клетка расширяется, и не спадается в обычных условиях. Подробнее о механике — в статье Механика дыхания.

Газообмен: где кислород попадает в кровь

Настоящая цель всего пути — газообмен, обмен газами между воздухом и кровью. Он происходит только в альвеолах. Каждая альвеола сплошь оплетена густой сетью мельчайших сосудов — капилляров, стенка которых в один слой клеток толщиной. Между воздухом в альвеоле и кровью в капилляре — тонюсенькая преграда, через которую газы свободно проходят.

Обмен идёт по простому правилу — диффузией: каждое вещество движется туда, где его меньше. Кислорода в воздухе альвеол больше, чем в венозной крови, — поэтому он переходит в кровь. Углекислого газа больше в крови, чем в воздухе, — поэтому он уходит из крови в альвеолу. Никаких насосов: газ просто перетекает через тонкую стенку с одной стороны на другую.

Особую роль на этой границе играет сурфактант — вещество, которое вырабатывают клетки альвеол. Название происходит от английского surface active, «поверхностно-активное»: оно снижает поверхностное натяжение плёнки жидкости на стенке альвеолы и не даёт альвеолам схлопываться и слипаться при выдохе. Без сурфактанта маленькие пузырьки «склеивались» бы и не могли расправиться снова. Подробнее — в статье Альвеолы и газообмен.

Как кислород доезжает до клеток

Кислород попал в кровь — но этого мало, его нужно донести до каждой клетки, а это буквально от лёгких до кончиков пальцев ног. Проблема в том, что кислород плохо растворяется в воде, а кровь — почти вода. Если бы кислород просто плыл в плазме, его запаса хватило бы на считаные секунды жизни.

Природа решила это с помощью белка гемоглобина, который находится в эритроцитах — красных клетках крови. Название «гемоглобин» соединяет греческое haima («кровь») и латинское globus («шар»). Гемоглобин захватывает кислород в лёгких, где его много, превращаясь в оксигемоглобин, и отдаёт его в тканях, где кислорода мало. Именно гемоглобин переносит почти весь кислород крови — по оценкам, около 98%. Красный цвет крови — заслуга железа в составе гемоглобина.

Углекислый газ переносится иначе. Большая его часть — около 70% — не едет по крови как газ: он превращается в растворимую форму, бикарбонат, которую удобно переносить в плазме. Ещё примерно четверть связывается с тем же гемоглобином, и лишь небольшая доля просто растворена. Такая «хитрость» нужна потому, что углекислого газа образуется много, и просто растворить его в крови не хватило бы. Подробнее — в статье Транспорт газов кровью.

Как тело управляет дыханием

Дыхание устроено удивительно: оно идёт автоматически, без нашего участия, но мы можем в любой момент взять его под контроль — задержать, ускорить, сделать глубже. Это единственный автоматический процесс, который доступен сознанию напрямую.

Автоматизм обеспечивает дыхательный центр в стволе мозга — самой древней его части, которая управляет жизненно важными функциями. Он задаёт базовый ритм: вдох — выдох, вдох — выдох. У взрослого человека в покое это обычно 12–16 циклов в минуту, но число сильно меняется при нагрузке, волнении и во сне.

И вот что самое важное: дыхание запускает не недостаток кислорода, как обычно думают, а избыток углекислого газа. В стволе мозга и в крупных сосудах есть хеморецепторы — «датчики химии» (от греч. «химия» + лат. «воспринимаю»), которые следят за составом крови. Когда углекислого газа становится больше (например, при задержке дыхания или физической нагрузке) и вместе с ним слегка сдвигается кислотность крови, датчики сигналят дыхательному центру — и тот ускоряет дыхание. Именно поэтому при задержке дыхания так быстро нарастает желание вдохнуть: тело «видит» не нехватку кислорода, а накопление углекислого газа. Подробнее — в статье Регуляция дыхания.

Защита дыхательных путей

С каждым вдохом в лёгкие попадает не только кислород, но и пыль, микробы, пыльца. У дыхательных путей есть несколько уровней защиты, чтобы всё это не доходило до альвеол.

• Слизь и реснички. Стенки дыхательных путей покрыты слизью, которая ловит частицы, а крошечные реснички на клетках непрерывно «выметают» этот слой наверх, к глотке, откуда он проглатывается или откашливается. Этот механизм называют мукоцилиарным клиренсом («клиренс» — очищение).
• Кашель и чихание. Защитные рефлексы: резкий выброс воздуха под давлением очищает дыхательные пути от раздражителей. Чихание «обслуживает» нос, кашель — гортань, трахею и бронхи.
• Нос как первый фильтр. Он задерживает крупные частицы и подготавливает воздух к встрече с более нежными нижними отделами — согревает и увлажняет его.
• Иммунная защита. В слизистой дыхательных путей и в лёгких работают иммунные клетки, которые уничтожают попавших микробов.

Эта система самоочистки объясняет, зачем нужны и слизь, и мокрота, и кашель: это не «пустые» симптомы, а работающая защита. Когда защита истощается — например, при курении реснички повреждаются, — частицы и слизь копятся, и появляется «кашель курильщика».

Что происходит при нарушениях

Нарушения дыхания удобно разделить по тому, какой этап нарушен: проходимость воздухоносных путей, газообмен, регуляция или доставка кислорода тканям.

Отдельно стоит сказать, что симптомы дыхательных нарушений — одышка, кашель, боль в груди — часто неспецифичны: одно и то же ощущение может происходить из-за лёгких, сердца, крови или тревоги. Поэтому диагностику и лечение таких состояний проводит только врач; эта статья объясняет механизмы, но не заменяет консультацию специалиста.

Связи с другими системами

• Сердечно-сосудистая система: дыхание неразрывно связано с кровью и кровообращением. Кровь забирает кислород в лёгких и разносит его по телу, а малый круг кровообращения — путь крови через лёгкие — и есть мост между дыханием и сердцем. Подробнее — в разделах Сердечно-сосудистая система и Кровь.
• Нервная система: дыханием управляет дыхательный центр ствола мозга, а хеморецепторы следят за составом крови. При этом дыхание — уникальный мост: единственный автоматический процесс, который доступен и сознательному контролю. Подробнее — в разделах Нервная система и Блуждающий нерв.
• Опорно-двигательная система: дыхание — это работа мышц. Диафрагма — главная дыхательная мышца, ей помогают межрёберные мышцы, а при глубоком выдохе — мышцы живота. Поэтому осанка, тонус и подвижность грудной клетки напрямую влияют на дыхание. Подробнее — в разделе Опорно-двигательная система.
• Иммунная система: слизистая дыхательных путей — первая линия обороны от микробов, а лёгочная ткань содержит собственные иммунные клетки. Вместе они удерживают границу «лёгкие — внешний мир». Подробнее — в разделе Иммунная система.
• Выделительная система: лёгкие участвуют в регуляции кислотно-щелочного равновесия крови, выводя углекислый газ. Вместе с почками они держат среду крови слабощелочной: лёгкие реагируют быстро (через дыхание), почки — медленно (через выведение кислот). Подробнее — в разделе Выделительная система.
• Обмен веществ и энергия: конечная цель дыхания — снабдить клетки кислородом для получения энергии. Как клетка использует кислород и превращает питательные вещества в энергию, разобрано в разделе Обмен веществ и энергия.

Дыхательная система — это путь воздуха и граница его обмена с кровью: воздухоносные пути согревают, увлажняют и очищают воздух, диафрагма и межрёберные мышцы втягивают его в грудную клетку, альвеолы передают кислород в кровь, а гемоглобин разносит его по телу. Работает всё это автоматически — под управлением дыхательного центра ствола мозга, — но при этом открыто и сознательному контролю, что делает дыхание уникальным «мостом» между телом и психикой. Понимание этих механизмов — ключ ко всем частным темам раздела: от строения лёгких до связи дыхания с нервной системой.