Механика дыхания
Как воздух входит и выходит — давление, грудная клетка и плевра.
Что такое механика дыхания
До сих пор речь шла о том, как устроена дыхательная система: какие в ней трубки, доли и альвеолы. Теперь разберём главный вопрос — почему воздух вообще входит в лёгкие и выходит из них? Ведь у лёгких нет собственных мышц, которые могли бы «всосать» воздух, как насос.
Механика дыхания — это раздел, объясняющий, какими силами воздух приводится в движение. Ответ не сразу очевиден: воздух движется не потому, что лёгкие его тянут, а потому, что меняется давление. Дыхательные мышцы меняют объём грудной клетки, а вслед за объёмом меняется давление — и воздух устремляется туда, где оно ниже. Чтобы это стало понятным, начнём с самого простого правила.
Как связаны объём и давление
Работает простое правило физики: если увеличить объём закрытого пространства, давление внутри падает, а если сжать его — давление растёт. Газ всегда стремится занять весь доступный объём, и когда этому объёму становится просторнее, молекул на каждую единицу пространства приходится меньше — а значит, и давление ниже.
Проще всего представить гармошку или кузнечные меха. Пока они сжаты — воздух плотный, давление высокое. Тянешь за ручки, раздвигая их — внутреннее пространство растёт, давление в нём падает, и наружный воздух сам входит внутрь, чтобы уравновесить разницу. Лёгкие работают по тому же принципу: сами они воздух не втягивают — они лишь меняют свой объём вместе с грудной клеткой, а воздух откликается на разницу давлений.
Вот почему вдох и выдох — это два состояния одного и того же механизма:
Активный процесс, требующий работы мышц. Грудная клетка расширяется — объём растёт, давление в лёгких падает ниже атмосферного, и воздух снаружи входит внутрь. Чем сильнее расширение, тем больше вдох.
В покое пассивный: мышцы расслабляются, грудная клетка и лёгкие возвращаются в исходное положение, объём уменьшается, давление поднимается выше атмосферного — и воздух выходит наружу. Специальных усилий для этого не требуется.
Мышцы, которые дышат
Хотя лёгкие такого «насоса», как сердце, не имеют, мышцы для дыхания всё же есть — просто они находятся не в самих лёгких, а вокруг них, в стенках грудной клетки. Своими движениями они меняют её объём.
Главная из них — диафрагма, плоская мышца-купол под лёгкими. При спокойном дыхании она выполняет бо́льшую часть работы — по разным оценкам, около 70–80%. Сокращаясь, диафрагма опускается — купол уплощается, освобождая место над собой. Ей помогают наружные межрёберные мышцы (расположенные между рёбрами): они приподнимают рёбра, как ручки вёдер, расширяя грудную клетку ещё и в стороны. При глубоком вдохе подключаются дополнительные мышцы шеи и груди.
В покое их работа не нужна — выдох идёт сам, за счёт упругости лёгких и грудной клетки. Но при глубоком, форсированном выдохе — при кашле, пении, физической нагрузке — в дело вступают внутренние межрёберные мышцы и мышцы живота: они сжимают грудную клетку и выдавливают воздух активнее. Так тело может усилить как вдох, так и выдох, когда это нужно.
Почему лёгкое следует за грудной клеткой
Здесь возникает важный вопрос. Хорошо, грудная клетка расширяется — но как за ней тянется само лёгкое? Ведь оно прикреплено к грудной стенке лишь в области ворот, а дальше лежит свободно, как мягкий баллон. Почему же лёгкое не спадается само по себе и послушно растягивается вместе с рёбрами?
Ответ — в особом устройстве плевры, оболочки, которой лёгкое покрыто. Плевра — это два тонких листка, очень плотно прилегающих друг к другу: один «прирос» к лёгкому, другой выстилает изнутри грудную стенку. Между ними — щель, заполненная тончайшим слоем жидкости, и в норме там нет воздуха. Работает это так:
- Противоположные стремления. Лёгкое из-за своей упругости всё время стремится сжаться внутрь, а грудная стенка — наоборот, расправиться наружу. Эти усилия направлены в разные стороны.
- Разрежение в щели. Из-за этих встречных натяжений давление в узкой щели между листками становится ниже атмосферного — там возникает небольшое «разрежение». Это ключевая деталь: именно оно прижимает оба листка друг к другу.
- Сцепление. Два листка, прижатые разрежением и удерживаемые смазкой, скользят, но не разъединяются. Поэтому лёгкое оказывается связанным с грудной стенкой и движется вместе с ней: расширяется грудная клетка — расширяется и лёгкое.
Этот же механизм не даёт лёгкому полностью «сдуться». Оно бы и радо сжаться от своей упругости, но разрежение в плевральной щели удерживает его расправленным, как приклеенным к грудной стенке изнутри. О том, что происходит, если эта герметичность нарушается, — в разделе о нарушениях ниже. А подробнее о самой оболочке — в статье Лёгкие.
Растяжимость и упругость
Чтобы воздух входил легко, лёгкое должно быть растяжимым, а чтобы выдох шёл сам, — ещё и упругим. Это два разных свойства, и их стоит различать.
Растяжимость (её называют медицинским словом комплаенс, от английского «податливость») — это способность лёгкого расширяться под действием усилия. Чем выше растяжимость, тем меньше работы нужно мышцам, чтобы сделать вдох. Растяжимость лёгкого во многом зависит от особого вещества — сурфактанта, которое не даёт альвеолам спадаться: оно снижает поверхностное натяжение и облегчает расправление. Подробнее о нём — в статье Альвеолы и газообмен.
Упругость (эластическая тяга) — противоположное свойство: способность возвращаться в исходное состояние. Именно она делает спокойный выдох пассивным — растянутое на вдохе лёгкое само стягивается обратно. Подробнее об эластической ткани лёгкого — в статье Лёгкие.
Вместе эти два свойства задают «упругое сопротивление» дыханию: на вдохе мышцам приходится его преодолевать, а на выдохе оно само помогает выпустить воздух. Поэтому механику дыхания удобно понимать как баланс двух сил — усилия мышц и упругости лёгкого.
Сопротивление воздушных путей
Воздух движется не сам по себе — он проходит по трубкам дыхательных путей, и на этом пути есть сопротивление потоку. Чем уже просвет трубки, тем труднее через неё протолкнуть воздух. Особенно чувствительно просвет работает у самых мелких веточек — бронхиол: они лишены хряща и окружены гладкими мышцами, которые могут сужаться и расширяться.
Именно поэтому нервная система и управляет шириной бронхиол: когда нужно больше воздуха — например, при нагрузке, — просвет расширяется, сопротивление падает, и воздух идёт легче. А когда бронхиолы сужаются (например, спазмом), сопротивление растёт, и дышать становится труднее. Об этом — в разделе о нарушениях.
Дыхательные объёмы: сколько воздуха входит за раз
Всё, что мы описали, можно измерить. У воздуха, проходящего через лёгкие, есть несколько характерных «порций» — дыхательных объёмов. Разберём основные:
- Дыхательный объём. Столько воздуха входит и выходит при одном спокойном вдохе-выдохе — около 500 миллилитров. Если приложить усилия, можно вдохнуть и выдохнуть куда больше — эти добавочные «резервы» тоже считаются отдельно.
- Жизненная ёмкость лёгких. Максимальный объём воздуха, который можно выдохнуть после самого глубокого вдоха. У взрослого человека это обычно 3–5 литров — то есть в разы больше одного спокойного вдоха.
- Остаточный объём. Даже после самого полного выдоха в лёгких остаётся примерно 1–1,5 литра воздуха, который выйти не может. Это не «недоработка», а необходимость: полностью спавшееся лёгкое потребовало бы огромных усилий, чтобы расправиться снова.
- Мёртвое пространство. Воздух, который остаётся в воздухоносных путях (в трахее, бронхах, гортани) и до альвеол не доходит — там ведь газообмена нет. Объём «мёртвого» воздуха — около 150 миллилитров. Поэтому до альвеол доходит не весь вдыхаемый воздух, а лишь его бо́льшая часть — то, что глубже путей.
Из этих объёмов складывается общая вентиляция — сколько воздуха проходит через лёгкие за минуту. Она равна дыхательному объёму, умноженному на число вдохов в минуту, и меняется в зависимости от нагрузки: в покое это несколько литров, а при быстрой ходьбе или беге — в разы больше.
Типы дыхания: животом и грудью
Хотя дышит человек всегда одинаково — вдохом и выдохом, — способы дыхания различаются по тому, какая часть грудной клетки работает активнее:
Основной способ в покое. Работает в первую очередь диафрагма: опускаясь, она слегка подаёт органы живота вперёд, поэтому в такт дыханию «ходит» живот. Такой тип дыхания физиологичен и энергетически выгоден: диафрагма совершает бо́льшую часть работы.
Вдох идёт в основном за счёт подъёма рёбер и расширения грудной клетки. Такой тип больше выражен при нагрузке и волнении, а также у людей с определёнными привычками дыхания. В норме оба способа сочетаются, но ведущим обычно остаётся диафрагма.
Разделение условно, но полезно: оно показывает, что дыхание — не только «лёгочное» дело. Диафрагма задействует и живот, и связь с мышцами и осанкой, поэтому то, как человек дышит, отражается на всём теле. Об этом — в статье Дыхание и нервная система.
Что происходит при нарушениях
Сбои механики дыхания удобно разложить по тому, какой из элементов нарушен: проходимость путей, растяжимость лёгкого, связь с плеврой или работа самих мышц.
Если просвет дыхательных путей сужен, воздух с трудом проходит по ним. Так бывает при бронхиальной астме (спазм бронхиол) и ХОБЛ (хроническая обструктивная болезнь лёгких). Особенно трудно даётся выдох: воздух словно «запирается» в лёгких, потому что на выходе узкие пути сжимаются ещё сильнее.
Если лёгкое теряет растяжимость и становится жёстким, мышцам трудно его раздуть. Так бывает при фиброзе — разрастании соединительной ткани в лёгком. Здесь страдает прежде всего вдох: сделать его становится тяжело, хотя выдох идёт легче.
Если в плевральную щель попадает воздух (пневмоторакс) или скапливается жидкость (плевральный выпот), разрежение исчезает, лёгкое теряет опору и не может следовать за грудной клеткой. Механика дыхания «разваливается»: одно лёгкое перестаёт расправляться, как сдутый баллон.
Если ослабевают сами мышцы — диафрагма, межрёберные, — дыханию не хватает усилия. Это случается при некоторых нервно-мышечных болезнях, когда нарушается проведение сигнала к мышцам. Даже при здоровых лёгких вдох становится слабым — прямое доказательство того, что дыхание требует работы мышц.
Важно понимать: одышка, кашель и боль в груди — симптомы неспецифические, и разные нарушения механики могут проявляться похоже. Разобраться, что именно нарушено, может только врач — с помощью осмотра и специальных исследований (например, спирометрии — измерения дыхательных объёмов). Эта статья объясняет механизмы, но не заменяет консультацию специалиста.
Связи с другими системами
- Диафрагма: главная мышца вдоха, и её работа напрямую определяет механику спокойного дыхания. Ей управляет диафрагмальный (френический) нерв, идущий из шейного отдела спинного мозга. Подробнее — в статье Диафрагма.
- Лёгкие и плевра: связь лёгкого с грудной стенкой обеспечивает плевра, а растяжимость задаёт сурфактант. Оба элемента — условие нормальной механики. Подробнее — в статьях Лёгкие и Альвеолы и газообмен.
- Опорно-двигательная система: грудная клетка, рёбра и мышцы — это «мотор» дыхания. Поэтому осанка, подвижность рёбер и тонус мышц влияют на то, насколько свободно и глубоко человек дышит. Подробнее — в разделе Опорно-двигательная система.
- Нервная система: шириной бронхиол управляет вегетативная нервная система, а ритм вдохов и выдохов задаёт дыхательный центр ствола мозга. Механика подчиняется этим командам. Подробнее — в статьях Регуляция дыхания и разделе Нервная система.
- Кровь и кровообращение: сама механика дыхания связана с движением крови: при вдохе давление в грудной клетке меняется, и это слегка помогает венозной крови возвращаться к сердцу. Так дыхание «подталкивает» кровообращение.
Механика дыхания — это история о давлении и мышцах. Лёгкие воздуха не втягивают: они следуют за грудной клеткой, а та расширяется и сжимается усилиями диафрагмы и межрёберных мышц. Из-за изменения объёма меняется давление, а воздух сам идёт туда, где оно ниже. Удерживает лёгкое расправленным особая связь с грудной стенкой через плевру, а облегчают вдох и выдох растяжимость и упругость лёгочной ткани. Понимание этой механики — ключ ко всем темам о болезнях дыхания, дыхательных практиках и связи дыхания с нервной системой.