Человек и воздух


Мы живем на дне глубочайшего, необъятного воздушного океана. Воздух входит во все поры нашего тела, заполняет легкие, отдает организму свой кислород, поглощает продукты нашего обмена веществ.

Если жизнь на нашей планете возникла в воде, если первый живой белок появился в море, зародился во влажной почве, то в воздушной среде жизнь получила свое законченное и наиболее совершенное развитие.

Блестящие исследования русской физиологической школы и в первую очередь гениальные работы И. П. Павлова показали, что живые организмы и внешняя среда составляют единое, неразделимое целое. Изучая влияние внешних факторов на деятельность животного организма, советские физиологи обосновали единство внешней и внутренней среды. «Животный организм, — говорит И. Н. Павлов, — представляет крайне сложную систему, состоящую из почти бесконечного ряда частей, связанных как друг с другом, так и в виде единого комплекса с окружающей природой».

И особенно ярко выявляется это единство во взаимоотношении организма с окружающей его воздушной средой.

Без воздуха нет жизни. Для того чтобы человек мог жить, мозг его должен питаться и дышать. Клетки его, как и все живое на Земле, потребляют кислород и выделяют углекислый газ. Живая материя не может существовать без кислорода и погибает через несколько минут после того, как в силу тех или иных причин прекращается дыхание.

Во время бодрствования и сна грудная клетка ритмически поднимается и опускается, и с первых минут своего существования человек дышит, то есть воздух входит в легкие и выходит из них. Сердце гонит ток крови по артериям, капиллярам, венам, для того чтобы многомиллиардная армия красных кровяных телец могла доставить во все органы тела кислород и передать этот «газ жизни» клеткам и тканям. Ток крови приносит в легкие отработанную углекислоту, которая через тонкие стенки легочных пузырьков уходит, улетучивается из организма.

Все живое на Земле дышит. Дышат растения, животные, люди, добывая или получая кислород из воздуха, воды, почвы, различных химических соединений.

Современная наука расшифровала всю совокупность явлений, из которых складывается процесс дыхания живых организмов.

Теперь мы называем дыханием не только поглощение воздуха организмом через легкие, а цепь сложных химических и физических процессов, ведущих к усвоению клетками кислорода и выделению углекислоты. От внешнего дыхания мы отличаем дыхание внутреннее, тканевое, аналогичное дыханию одноклеточных организмов.

Вдох, который мы совершаем, — это только начало, первое звено длинной цепи физиологических процессов. Выдох — конечное, последнее звено в той же цепи.

Постоянно и бесперебойно мы вдыхаем воздух. Находящийся в нем кислород разносится по всему телу, окисляет какую-то часть сложных или более простых соединений углерода, соединяется с водородом, образует углекислоту и воду, которые выделяются, выдыхаются, испаряются, переходят в окружающую среду.

Как же это происходит?

Клетки животного организма чрезвычайно чувствительны к колебаниям среды, в которой они живут. В то время как одноклеточные организмы (например, инфузории, амебы, радиоларии) всей своей поверхностью соприкасаются с внешней средой и из нее получают необходимый им кислород, у животных, организмы которых состоят из огромного числа различных по своему строению и деятельности клеток, органы и ткани отгорожены от внешней среды.

Клетки внутренних органов рыбы не омываются пресной водой реки или соленой водой моря, в которой она живет. Растворенный в воде

кислород, необходимый рыбе для дыхания, должен проникнуть в ее организм. Клетки печени, сердца, селезенки и других органов человека не соприкасаются и не могут прийти в непосредственное соприкосновение с атмосферным воздухом. Но воздух попадает в кровь и в тканевую, межклеточную жидкость, в которую как бы погружены клетки органов. Из нее они черпают необходимые питательные вещества, ей отдают продукты своего обмена.

Для того чтобы каждая клетка получала необходимый ей кислород и своевременно освобождалась от накопившейся углекислоты в организме, должны бесперебойно действовать две системы — дыхания и кровообращения.

 

2

Органы дыхания у различных животных резко отличаются друг от друга. Одноклеточные и простейшие организмы, как, например, кишечнополостные и плоские черви, не имеют специальных дыхательных аппаратов. Они поглощают кислород из окружающей среды всей поверхностью тела. Но по мере того как строение организма все более и более усложнялось, становился все длиннее и сложнее путь кислорода в глубоко расположенные клетки. Вот почему постепенно, в процессе эволюции, у высших животных совершенствовались и приобретали все большее значение органы дыхания.

У насекомых развились так называемые трахейные воздухоносные трубочки, пронизывающие все их тело, у обитателей водоемов, рек и морей — жабры, у сухопутных животных — легкие.

Именно в легких из воздуха поглощается кислород и выделяется углекислота. Легкие вместе с грудной клеткой и являются дыхательной системой человека и животных.

У высших животных легкие состоят из двух своеобразно устроенных воздушных мешков, полости которых соединены с атмосферным воздухом при помощи особой трубки — трахеи, открывающейся через гортань с ее голосовой щелью в носоглоточное пространство.

Легкие — очень сложный орган, пронизанный множеством более широких и вторичных тончайших трубочек, на стенках которых имеется огромное количество особых выпячиваний — альвеол.

Число альвеол в обоих легких превышает 700 миллионов, а общая их площадь по самым скромным подсчетам составляет около 80— 90 квадратных метров! Учитывая, что поверхность тела человека равна в среднем 1,5—2 квадратным метрам, можно себе представить грандиозность дыхательной поверхности легких (рис. 1).

Вся эта поверхность находится в тесном соприкосновении с кровеносными капиллярами, и вдыхаемый кислород легко и беспрепятственно проникает через их тонкие стенки в кровь. Одновременно с поглощением кислорода кровь отдает углекислоту, которая через стенки капилляров и альвеол поступает в легкие и выдыхается в окружающую атмосферу. Таким образом, воздух благодаря особому устройству органов дыхания приходит в соприкосновение с огромной поверхностью волосных кровеносных сосудов.

В отличие от обычных артерий, артерии легких несут не артериальную, а венозную кровь. Эта кровь, выбрасываемая правым желудочком сердца, в легких артериализуется, то есть насыщается кислородом, и отдает углекислоту. По легочным венам она возвращается в левый желудочек сердца и разносится по всему организму.

В легких начинается процесс дыхания. В легких он и заканчивается. Здесь осуществляется то, что мы называем внешним дыханием.

 

* * *

Наблюдая дыхательные движения человека и животных, мы легко можем убедиться, что они связаны с изменением объема грудной клетки. Не легкие раздувают, подобно мехам, грудную клетку, а грудная клетка, расширяясь, растягивает находящиеся в ней легкие. Полость легких увеличивается и в нее автоматически втягивается струя воздуха. Вслед за расширением грудная клетка сжимается, полость легких уменьшается, и воздух выталкивается наружу (рис. 2).

Грудная клетка расширяется во всех направлениях, поэтому во время вдоха приподнимаются не только ребра, но и опускается диафрагма, оттесняя книзу брюшные органы. Вот почему при вдохе живот слегка выпячивается.

Расширением грудной клетки объясняется первый вздох и первый крик новорожденного.

В течение всей жизни человека дыхание ни на минуту не прекращается. Между отдельными вдохами имеются небольшие паузы, так что в обычных условиях совершается 12—20 вдохов в минуту. Во время напряженной физической работы, а также при некоторых заболеваниях число вдохов увеличивается до 50—60.

Так как при нормальном, равномерном дыхании человек вдыхает и выдыхает равное количество воздуха, достаточно измерить объем выдоха, для того чтобы судить о величине вдоха. С этой целью применяют особые аппараты —спирометры, которые позволяют довольно точно измерить вентиляцию легких, то есть объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха.

При обычном, спокойном дыхании человек вдыхает и выдыхает около 0,5 литра воздуха. Следовательно, легочная вентиляция равна 6—7 литрам воздуха в минуту, 400—450 литрам в час, 10 11 тысячам литров в сутки. Этот воздух носит название дыхательного. Если его взвесить, то окажется, что он по крайней мере раз в десять тяжелее пищевого рациона взрослого человека (рис. 3).

Теперь попробуем проделать несколько простых упражнений. После того как закончен нормальный вдох, продолжим его, вдохнем еще некоторое количество воздуха. Каждый может убедиться, что это очень легко сделать. Без особого напряжения мы можем вдохнуть еще 1,5 литра воздуха, который получил название дополнительного воздуха. Точно так же, закончив обычный, нормальный выдох, мы, «понатужившись», можем-выдохнуть еще около 1,5 литра «запасного», или «резервного», воздуха. Это, конечно, средние цифры.

Проделаем следующий опыт. Сделаем самое глубокое вдыхание и выдохнем в спирометр весь воздух, который мы в состоянии удалить из легких при крайнем напряжении всех дыхательных мышц. При этом в спирометр поступит сначала весь дополнительный воздух, затем весь дыхательный и, наконец, весь запасной. Эта сумма трех категорий воздуха называется жизненной емкостью легких. Величина ее неодинакова у различных людей. У взрослого здорового мужчины она равна 3—3,5 литра, у физически развитой женщины несколько меньше. Но даже после максимального выдоха в легких остается некоторое количество воздуха, удалить которое не удается. Этот постоянно остающийся в наших легких воздух получил название остаточного. Объем его равен приблизительно 1 —1,2 литра. Таким образом, максимальная емкость легких составляет 4—5 литров воздуха.

Как известно, вдыхаемый воздух содержит 20,95 процента кислорода, 78,08 процента азота и 0,03 процента углекислоты, а выдыхаемый—16,7 процента кислорода, 79,67 процента азота, 3,6 процента углекислоты.

Однако на самом деле воздух в легких содержит меньше кислорода и больше углекислоты, в чем легко убедиться, если исследовать его состав внутри альвеол (альвеолярный воздух). Дело в том, что при дыхании почти треть воздуха передвигается в мертвом пространстве бронхиального дерева, не достигая легких. Альвеолярный воздух содержит 13,7—14,2 процента кислорода и 5,5—5,7 процента углекислого газа.

Таким образом, около 7 процентов кислорода остается в организме и потребляется его клетками и тканями.

Кровь никогда не соприкасается с атмосферным воздухом, а только с альвеолярным. В процессе эволюции организм человека и животных приспособился к составу альвеолярного воздуха.

В результате газообмена, происходящего в легких, венозная кровь обогащается кислородом и отдает избыток углекислоты. Происходит артериализация крови. Темная, бедная кислородом и богатая углекислотой венозная кровь превращается в алую, насыщенную кислородом артериальную кровь.

 

3

Кислород свободно переходит из воздуха в кровь, углекислота из крови в воздух. У взрослого человека в среднем 4—5 литров крови. Около 41—46 процентов ее объема составляют красные кровяные тельца — эритроциты. Величина их настолько мала, что в 1 кубическом миллиметре крови содержится до 5 миллионов эритроцитов, а во всем организме число их превышает 25 биллионов. Цепочка из эритроцитов одного человека могла бы 5 раз опоясать земной шар, а общая их площадь составляет примерно 2 тысячи квадратных метров, то есть равна общей поверхности тел тысячи человек (рис. 1). Красные кровяные тельца полностью обновляются каждые два года. Старые эритроциты погибают, а на их место органы кроветворения выбрасывают ежесекундно до-10 миллионов новых молодых эритроцитов.

Для чего же человеку нужно такое огромное количество эритроцитов?

В настоящее время установлено, что перенос кислорода и частично углекислоты осуществляется эритроцитами, или, вернее, содержащимся в них сложным соединением белка с железом, так называемым гемоглобином.

Именно гемоглобин обладает удивительным сродством к кислороду. Он чрезвычайно легко соединяется с кислородом, образуя окисленный гемоглобин, или оксигемоглобин. Характерный яркокрасный цвет артериальной крови зависит от наличия в ней оксигемоглобина, в то время как бедная им венозная кровь имеет темный, вишнево-красный цвет. Оксигемоглобин очень непрочен. Он легко отдает свой кислород, как только попадает в условия, где имеется недостаток этого газа. Если поместить кровь в атмосферу чистого кислорода, весь гемоглобин превращается в оксигемоглобин. Но в безвоздушном пространстве оксигемоглобин отдает кислород и превращается в гемоглобин, или, как говорят, в восстановленный гемоглобин. При этом алая артериальная кровь приобретает темную, характерную для венозной крови окраску.

Медленно проплывая в капиллярах легких, эритроциты жадно поглощают кислород, и содержащийся в них гемоглобин превращается в. оксигемоглобин. Обратный процесс происходит в тканях. Между артериальной кровью, насыщенной кислородом и тканевой жидкостью органов, почти полностью лишенной кислорода, устанавливается новое равновесие. Оксигемоглобин распадается на гемоглобин и свободный кислород, который через стенки капилляров переходит в тканевую жидкость. Одновременно накопившаяся в тканях углекислота поступает из тканей в кровь и уносится ее током к легким. Это уже третий акт дыхательного процесса. Здесь действуют те же законы диффузии газов, что и в легких, с той разницей, что кислород выделяется из крови, а углекислота поглощается ею.

Необходимо подчеркнуть, что все это схема, канва, на которой природа вышивает очень сложные и не во всех деталях изученные узоры. Этот необычайно сложный процесс осуществляется при участии многочисленных катализаторов — ферментов, продуктов тканевого обмена веществ, солей и гормонов и регулируется нервной системой. Он всецело подчинен, как показали работы советских физиологов, высшему распорядительному отделу центральной нервной системы — коре головного мозга.

Состояние углекислоты в крови изучено основоположником русской физиологии Иваном Михайловичем Сеченовым, который своими блестящими исследованиями, выполненными около ста лет назад, но не потерявшими и теперь своего значения, доказал, что углекислота вступает в сложные химические реакции с различными составными частями крови. Сеченов сконструировал специальный аппарат для определения газового состава крови и впервые получил точные данные о содержании в ней кислорода, углекислоты и азота.

Обычно 100 кубических сантиметров артериальной крови, в зависимости от количества в ней гемоглобина, содержат 18.5—20,5 кубического сантиметра кислорода.

Содержание углекислоты в артериальной крови достигает 52 — 55 процентов. В венозной крови кислорода пропорционально меньше, а углекислоты больше.

Если сравнить состав артериальной и венозной крови, можно получить представление о процессах обмена веществ, протекающих в той или иной ткани. Установлено, что поглощение кислорода и выделение углекислоты различны в разных органах. Советский ученый Ефим Семенович Лондон разработал на животных простой и удобный способ, позволяющий исследовать химический состав крови, оттекающей от мозга, печени, почек, селезенки и других внутренних органов. С этой целью к венам подшиваются особые металлические трубочки, названные в честь их изобретателя лондонскими канюлями. Многочисленные исследования показали, что дышат все органы без исключения, все ткани поглощают кислород и выделяют углекислоту.