Механизм вдоха (инспирации)
Под действием импульсов от дыхательного центра сокращаются основные мышцы вдоха. Наружные межреберные мышцы, имеющие косое направление волокон, поднимают ребра (момент силы у верхнего ребра меньше, чем у нижнего). Одновременно сокращается и уплощается диафрагма.
В результате этих мышечных сокращений геометрия грудной клетки меняется:
- Увеличивается поперечное и переднезаднее сечение.
- Грудная клетка расширяется в нижнем направлении.
Энергия дыхательных мышц тратится на преодоление четырех видов сопротивления: эластического сопротивления самих легких и грудной клетки, вязкого сопротивления перемещаемых тканей, а также аэродинамического сопротивления воздушному потоку.
Динамика давлений и газообмен
В основе движения воздуха лежит закон Бойля-Мариотта: давление и объем находятся в обратной зависимости ($P \times V = \text{const}$). Увеличение объема грудной полости ведет к расширению легких и падению давления внутри них.
Альвеолярное давление ($P_{ал}$) Это давление внутри альвеол относительно атмосферного.
- На вдохе (0–2 с): давление падает ниже атмосферного, достигая пика разрежения -1 мм рт. ст. в середине вдоха. Воздух пассивно засасывается в альвеолы по градиенту.
- На выдохе (2–4 с): давление становится положительным (до +1 мм рт. ст.), выталкивая воздух наружу.
- В моменты смены фаз (0, 2, 4 с): поток воздуха отсутствует, и $P_{ал}$ равно 0.
Плевральное давление ($P_{пл}$) Давление в плевральной щели всегда субатмосферное (отрицательное). Оно формируется как разность между атмосферным давлением и эластической тягой легких ($P_{атм} - P_{эл.тяги} = P_{отр}$).
- В покое (конец выдоха) оно составляет около -5 мм рт. ст.
- Во время вдоха грудная клетка расширяется, эластическая тяга легких возрастает, и давление падает до -8...-9 мм рт. ст.
- На выдохе грудная клетка спадается, и показатели возвращаются к исходным значениям (около -6 мм рт. ст.).
Механизм выдоха
Выдох может быть пассивным и активным в зависимости от потребностей организма.
- Спокойный выдох происходит полностью пассивно. Грудная клетка опускается под собственным весом. Ей помогают эластическая тяга легочной ткани, давление органов брюшной полости, смещающих диафрагму вверх, и эластическая тяга хрящей, которые были растянуты на вдохе.
- Активный (форсированный) выдох включается при физической нагрузке или выдохе под водой. К пассивным силам присоединяется работа мышц: сокращаются внутренние межреберные мышцы и мышцы брюшного пресса.
Важным фактором структурной устойчивости легких на выдохе является взаимное скрепление альвеол: сжатие крупных альвеол вызывает растяжение связанных с ними мелких, что не дает спадаться просвету мелких бронхов.
Аэродинамика дыхательных путей
Скорость воздушного потока ($Q$) рассчитывается по формуле: $Q = \Delta P / R$, где $\Delta P$ — разница между атмосферным и альвеолярным давлением, а $R$ — аэродинамическое сопротивление.
Интересно, что основное сопротивление воздушному потоку формируется в верхних дыхательных путях. Несмотря на то, что нижние дыхательные пути более узкие, с каждым новым уровнем ветвления бронхов их количество многократно возрастает. В результате суммарный просвет нижних отделов становится настолько большим, что сопротивление в них значительно снижается.
Коротко: ответы на вопросы по теме
Какую роль играет сурфактант в биомеханике дыхания?
Сурфактант стабилизирует состояние альвеол и участвует в механике их растяжения, предотвращая их слипание.
Механизм действия зависит от фазы дыхания:
- При вдохе — молекулы отдаляются друг от друга, поверхностное натяжение повышается, что обеспечивает предохранение альвеол от перерастяжения.
- При выдохе — молекулы располагаются близко друг к другу, поверхностное натяжение снижается, что обеспечивает предохранение альвеол от спадения.
Кроме того, поверхностно-активное вещество облегчает диффузию кислорода в кровь.
Плевральное давление всегда «в минусе» (тянет легкие за грудной клеткой), а альвеолярное меняет знак: минус на вдохе (всасывает), плюс на выдохе (выталкивает).
Вопросы с занятий и экзамена
Почему в плевральной полости давление отрицательное?
Это связано с особенностями онтогенеза. В процессе роста грудная клетка увеличивается быстрее, чем легочная ткань. Из-за этой разницы легкие постоянно находятся в растянутом состоянии (эластическая тяга стремится их сжать), что и формирует субатмосферное давление между плевральными листками.
Что происходит с альвеолярным давлением во время пауз между вдохом и выдохом?
В моменты смены фаз дыхания (на 0, 2 и 4 секундах цикла), когда поток воздуха полностью отсутствует, альвеолярное давление выравнивается с атмосферным и становится равным нулю.
Где в дыхательной системе самое высокое аэродинамическое сопротивление?
Основное аэродинамическое сопротивление локализовано в верхних дыхательных путях. В нижних отделах за счет огромного числа ветвящихся бронхов суммарный просвет резко возрастает, и сопротивление падает.
Что ещё разобрать по теме
- Опыт Мюллера и экстремальные значения плеврального давления
- Графики динамики дыхательных объемов и потоков воздуха
- Взаимное скрепление альвеол и поддержание просвета бронхов
- Виды сопротивления дыханию (эластическое, вязкое и аэродинамическое)
- Возрастные особенности формирования внутриплеврального давления
Разберите тему целиком в курсе «Физиология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Биомеханика дыхания» 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
- 112 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.