Химический состав воздуха и его значение для здоровья

Вдыхаемый воздух состоит (в % к общему объему) из кислорода (О₂) – 20,94; углекислого газа (СО₂) – 0,03; азота (N₂) – 79,03. Кроме того, в нем в небольших количествах содержится гелий (Не₄), озон (О₃), водород (Н₂), водяные пары и другие газы.

Достаточное поступление в организм мощного окислителя кислорода необходимо для:

- химического обеспечения процессов внутриклеточного обмена, т.е. работы клеток организма;

- обезвреживания токсических продуктов обмена;

- создания специальных соединений в клетках, выступающих в роли энергетических запасов, т.е. резервов, которые могут потребоваться в любых ситуациях, связанных с усиленной работой клеток.

Выведение углекислого газа как конечного продукта обмена крайне необходимо, поскольку его избыток может напрямую или через механизмы регуляции серьезно нарушать большинство функций организма.

Допустимое для здоровья предельное содержание СО₂, при котором возможна жизнедеятельность организма – не свыше 0,1%. Человек может перенести содержание СО₂ во вдыхаемом воздухе до 2-4%, но при дальнейшем его увеличении до 4-5% замедляется сердцебиение, появляются головные боли, рвота, теряется сознание.

Окись углерода (СО) опасна для жизни. Признаки отравления появляются при содержании 0,1%, а максимально переносимое содержание – 0,02% объема.

Азот (N₂) в обычных условиях не оказывает влияния на здоровье, но при повышенном его давлении (более 784 КПа) он производит наркотическое действие.

Система дыхания

Как же устроена система дыхания? Она состоит из дыхательных путей, зоны газообмена, легочного кровообращения, механизмов обеспечения акта дыхания, а также систем регуляции и защиты.

Внешнее дыхание у человека осуществляется легкими.

Дыхательные пути – это не просто система трубок, по которым перемещается вдыхаемый и выдыхаемый воздух. Это действительно сложная система, позволяющая придавать вдыхаемому воздуху соответствующие потребностям параметры (влажность, температура, мощность воздушного потока), т.е. готовить воздух к обмену газов и защищать всю дыхательную систему от поступления нежелательных компонентов вдыхаемого воздуха (пыли, микроорганизмов, аэрозолей).

Кроме того, соответствующее строение дыхательных путей обеспечивает нормальное функционирование важных систем слуха, пространственной и обонятельной ориентации организма.

Дыхательные пути начинаются от входных отверстий носа и рта и продолжаются через дыхательное горло (гортань) и трахею. Это верхние дыхательные пути, которые обеспечивают прохождение газов, их нагревание или охлаждение до 37 ⁰С и увлажнение до 100%, а также механическую защиту от попадания в зону газообмена частиц диаметром более 20 мкм.

Стабильная влажность и температура воздуха преимущественно обеспечиваются мощным кровообращением в верхних дыхательных путях.

Относительно крупные частицы, микроорганизмы и крупнодисперсные аэрозоли осаждаются в верхних дыхательных путях за счет создания зон турбулентности (завихрений) воздуха вследствие относительно неравномерной поверхности, а также за счет преградительной роли голосовой щели, механизмов чихания и за счет осаждения частиц на покрытой липкой слизью поверхности. При этом огромное число осевших микроорганизмов обезвреживается механизмами иммунной защиты, за счет обильно представленных в глоточных миндалинах, подчелюстных и других лимфоузлах, а также на всем протяжении дыхательного тракта иммунных клеток и специфических защитных белков иммуноглобулинов. Кроме того, уничтожению микроорганизмов способствует выделение со слюной и носовой слизью специфического бактерицидного белка лизоцима.

Трахея в основном обеспечивает восстановление ламинарного (послойного) движения воздуха, что значительно снижает сопротивление дыхательных путей воздушному потоку. Трахея делится на два главных бронха, каждый из которых, последовательно раздваиваясь, разделяется на более мелкие бронхи вплоть до 17 порядка, в совокупности, составляющие бронхиальное дерево (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Респираторный аппарат человека

Нижние дыхательные пути состоят из бронхов, бронхиол и альвеол.

Бронх состоит из эластического каркаса, гладкомышечного слоя с регулируемым тонусом и слизистой, в составе которой имеются бокаловидные клетки, выделяющие бронхиальную слизь, и клетки реснитчатого эпителия. У каждой такой клетки в просвет бронха направлено 10-20 жгутиков длиной от 2 до 7 мкм и диаметром от 0,5 до 1,0 мкм. Постоянное движение в слизи этих жгутиков, причем относительно медленное, внутрь и быстрое наружу, обеспечивает мукоцилиальный клиренс, т.е. очищение бронхиального дерева от попавших с воздухом частиц.

При избытке образования слизи и неполной состоятельности мукоцилиарного клиренса очищение бронхов осуществляется за счет кашля. Защите способствует также спазм мышечного слоя бронхов, сужающий их просвет, обилие в легких иммунных и специальных защитных клеток (тучных клеток, макрофагов и др.).

Терминальные, т.е. самые мелкие, бронхи делятся на бронхиолы, лишенные эластического каркаса и оканчивающиеся расширеньями — легочными эластичными пузырьками – альвеолами (рис. 2.2.).

Рис. 2.2. Легочные эластичные пузырьки - альвеолы

В легких человека находится около 700 млн. альвеол, диаметром 0,2 мм каждая, и составляют общую площадь легких примерно 90 м². Через альвеолы кислород поступает в кровь, которая расходится по кровеносной системе, отдавая для питания тканям кислород и принимая углекислый газ.

Внутренняя поверхность альвеол покрыта поверхностно-активным веществом – дипальметоловым лецитином, препятствующим их схлопыванию за счет поверхностного натяжения на выдохе.

Через тонкие стенки альвеол и плотно прилегающих к ним легочных капилляров путем диффузии осуществляется газообмен. Эффективность газообмена в конкретной альвеоле зависит от:

- возможности ее адекватного наполнения вдыхаемым воздухом и ее высвобождения на выдохе, т.е. от уровня ее вентиляции и воздухообмена;

- уровня ее кровоснабжения;

- толщины стенок альвеол;

- толщины прилегающего капилляра.

Последние два компонента определяют скорость диффузии наряду с величиной разницы концентрации газов в крови и в воздухе.

Так как газообмен происходит только в альвеолах, то все дыхательное пространство, начиная от входных сечений носа и рта, названо "мертвым" или "вредным" пространством.

Механизмы дыхания

Обновление воздуха в альвеолах происходит благодаря изменению объема грудной клетки в результате сокращения межреберных мышц и диафрагмы, т.е. акт дыхания обеспечивается некоторой подвижностью грудной клетки. Каркас грудной клетки составляют грудной отдел позвоночника, 12 пар ребер и грудина.

Подвижность грудной клетки в акте дыхания обеспечивают основные дыхательные мышцы – куполоподобная мышца диафрагма, разделяющая грудную и брюшную полости, и косо расположенные в противоположных направлениях межреберные мышцы вдоха и выдоха (рис. 2.3).

Важное значение для осуществления вдоха и выдоха имеет герметически замкнутая плевральная щель. Она образована висцеральным (покрывающим легкое) и париетальным (выстилающим изнутри грудную клетку) листками плевры и заполнена небольшим количеством смазывающей жидкости.

Дыхательные движения – вдох и выдох периодически изменяют объем грудной клетки. При вдохе, благодаря сокращению наружных межреберных мышц 5, происходит приподнимание ребер 6 с грудной костью и, следовательно, увеличение грудной полости 1 в переднем, заднем и боковом направлениях.

Рис. 2.3. Схема положения грудной клетки при дыхании:

1- грудная полость; 2- положение диафрагмы при выдохе; 3- положение диафрагмы при обычном вдохе; 4- положение диафрагмы при глубоком вдохе; 5- межреберные мышцы; 6- ребра

Сокращение мышечных волокон диафрагмы 2 вызывает уплощение ее купола. Перегородка между грудной и брюшной полостями опускается в положение 3, 4 – что также приводит к увеличению размера грудной клетки в вертикальном направлении. При этом происходит некоторое сдавливание органов брюшной полости.

После окончания сокращения наружных межреберных 5 и диафрагмальной 2 мышц начинается выдох. В условиях спокойного дыхания опускание ребер при выдохе происходит пассивно за счет эластичной тяги растянутого при вдохе связочного аппарата. При более глубоком дыхании опускание ребер происходит активно в результате сокращения внутренних межреберных мышц. Органы брюшной полости, смещенные вследствие сокращения диафрагмальной мышцы после ее расслабления, вдавливают купол диафрагмы в грудную полость, уменьшая ее размеры в вертикальном направлении. Таким образом, выдох характеризуется уменьшением всех размеров грудной полости. В конце выдоха ребра вместе с грудной полостью опущены, купол диафрагмы 2 глубоко вдается в грудную полость 1.

При вдохе легкие следуют за движением грудной клетки, хотя и не сращены с ее стенкой. Это происходит потому, что щелевидное плевральное пространство не увеличивается, так как не имеет сообщения с воздухом. В результате с увеличением размеров грудной полости легкие расширяются, и давление в них становится ниже атмосферного. Между полостью легких и наружным воздухом возникает разность давлений, которая определяет закономерный переход воздуха из атмосферы внутрь легких, в которых давление ниже атмосферного. Таким образом, причиной поступления воздуха в легкие является понижение в них давления вследствие увеличения объема грудной полости.

Во время выдоха объем грудной полости уменьшается, воздух в легких сжимается, чему способствует укорочение эластичной ткани легких, растянутой во время вдоха. В силу того, что давление в полости легких становится выше атмосферного, воздух уходит в атмосферу. Следовательно, причиной выхода воздуха из легких является повышение давления в них, которое происходит в результате уменьшения размеров грудной клетки. Разность давления в покое примерно 2 мм рт. ст.(266 Па) имеет место только во время дыхательных движений. Как только изменения объема грудной полости прекращаются, давление в ней становится равным атмосферному и вдыхание или выдыхание воздуха прекращается. Если затруднить движение воздуха (что происходит при дыхании в противогазе), то изменения внутрилегочного давления будут более выраженными. В случае полного замыкания выхода воздуха из легких, происходит натуживание, во время которого давление внутри легких увеличивается и может достигать приблизительно 100 мм рт. ст. (13,3 КПа). Во время максимального вдоха (без поступления воздуха в дыхательные пути) разряжение в легких может достигать 70 мм рт. ст.(9,3 КПа.) и более. Показатели вдоха и выдоха характеризуют силу дыхательных мышц.

Таким образом, происходит как бы саморегуляция: вдох вызывает выдох, а выдох – вдох. В спокойном состоянии человек делает 12-20 вдохов и выдохов в минуту, весной частота дыхания в среднем на 1/3 выше, чем осенью.