Механика дыхания: как устроен дыхательный цикл

Физиология вдоха и выдоха: механика дыхательного цикла

Каждая из фаз дыхания устроена по-разному, и это принципиально: вдох — активный процесс, требующий сокращения мышц, выдох в покое — пассивный. Вдох начинается с сокращения диафрагмы — крупной куполообразной мышцы, разделяющей грудную и брюшную полости. При сокращении купол диафрагмы уплощается и опускается вниз, объём грудной полости увеличивается, давление в лёгких падает ниже атмосферного — и воздух засасывается внутрь [1]. Постоянно разрежённое давление в плевральной полости удерживает лёгкие в расправленном состоянии между вдохами; именно поэтому проникающее ранение грудной клетки, при котором это давление нарушается, — опасное состояние: лёгкое спадается и самостоятельно расправиться уже не может.

Диафрагма — главная дыхательная мышца

Диафрагма — единственная мышца, без которой вдох попросту невозможен. Проверить это можно на простом физиологическом примере: резкий удар под ложечку на мгновение спазмирует диафрагму, и человек несколько секунд не может ни вдохнуть, ни выдохнуть — при том, что рёбра и грудная клетка остаются полностью свободны для движения.

Дыхательные мышцы, которые не двигают воздух

К дыхательным мышцам в учебниках относят также межрёберные мышцы, мышцы, поднимающие рёбра, и даже мышцы, раздувающие ноздри [2]. Но участие большинства из них в реальном газообмене минимально. Подъём ключиц или раздувание ноздрей сам по себе не создаёт вдоха. Межрёберные мышцы приподнимают рёбра и расширяют грудную клетку, но их вклад вспомогательный — они создают пространство, в которое опускается диафрагма, а не заменяют её работу.

Отсюда практическое следствие: описания «полного дыхания» — грудного, ключичного и брюшного одновременно — не встречаются в классических средневековых текстах по йоге; это понятие получило распространение в более поздних, современных руководствах. Физиологически главной остаётся работа диафрагмы, а не то, насколько высоко поднимается грудная клетка.

Фазы дыхательного цикла

Выдох в спокойном состоянии не требует отдельного мышечного усилия: диафрагма расслабляется, эластичная тяга лёгких и грудной клетки выталкивает воздух наружу сама. Активный, форсированный выдох — другое дело: в нём участвуют мышцы передней стенки живота, которые, сокращаясь, подталкивают диафрагму вверх.

Механизм дыхания: этапы от воздухоносных путей до альвеол

Механизм дыхания на уровне лёгких — это последовательность этапов: воздух проходит через нос или рот, попадает в гортань и трахею, дальше — в бронхи, которые ветвятся вплоть до мельчайших терминальных структур — альвеол, тонкостенных пузырьков, оплетённых капиллярами. Именно в альвеолах происходит газообмен между воздухом и кровью [1].

Разница между вдыхаемым и выдыхаемым воздухом наглядно показывает, что дыхание — это не «забор кислорода досуха»: за один цикл усваивается лишь малая часть кислорода, а концентрация углекислого газа возрастает более чем в сто раз. В выдыхаемом воздухе кислорода всё ещё достаточно, чтобы поддерживать дыхание пострадавшего способом «изо рта в рот».

Внешнее и внутреннее дыхание: два круга газообмена

Дыхательный акт физиологически принято делить на два самостоятельных процесса. Первый — внешнее дыхание: обмен газов между воздухом альвеол и кровью лёгочных капилляров. Второй — внутреннее, или тканевое дыхание: обмен газов между кровью капилляров большого круга кровообращения и тканями тела [3].

Перенос газов через альвеолярную мембрану идёт пассивно, по градиенту концентраций: в притекающей к лёгким крови кислорода меньше, а углекислого газа больше, чем в альвеолярном воздухе, — процесс идёт в сторону выравнивания. В газовой фазе эту величину называют парциальным давлением, в крови — напряжением газа, но суть одна: молекулы движутся туда, где их меньше.

Кислород соединяется с гемоглобином эритроцитов — именно поэтому кровь, насыщенная кислородом, становится ярко-красной: атом железа в составе гемоглобина меняет цвет при связывании с кислородом. Из лёгких артериализованная кровь возвращается в левые камеры сердца и по большому кругу кровообращения разносится к тканям; там, в капиллярах, происходит тканевое дыхание — кислород отдаётся клеткам, а образовавшийся в ходе клеточного метаболизма углекислый газ забирается обратно в кровь и по малому кругу возвращается в лёгкие [3].

Биомеханика дыхания: как цикл меняется при нагрузке и разговоре

Биомеханика дыхания не статична: частота и глубина дыхательных движений подстраиваются под текущую метаболическую потребность. В покое минутный объём дыхания у взрослого человека — около 16–20 литров воздуха в минуту [4]. При физической нагрузке работающие мышцы производят больше углекислого газа, и дыхание автоматически учащается и углубляется — тот же механизм отвечает за одышку при подъёме по лестнице. Это уже не то же самое, что настоящая гипоксическая тренировка, при которой организм намеренно ограничивают в кислороде: отличия разобраны в статье о гипоксической тренировке.

Похожая нагрузка на дыхательный аппарат возникает при длительном разговоре или публичном выступлении: чтобы модулировать голос, приходится удерживать строго контролируемый, замедленный выдох, а частота дыхания при этом растёт. Это уже вопрос регуляции дыхательного цикла — того, как дыхательный центр продолговатого мозга и концентрация углекислого газа в крови управляют частотой и глубиной вдохов; эта тема выходит за рамки механики дыхания и разобрана отдельно в статье «Регуляция дыхания: дыхательный центр, нервный и гуморальный контроль».

Отдельный вопрос — что происходит в организме, когда дыхательный цикл намеренно останавливают. Разбор того, почему хочется вдохнуть не от нехватки кислорода, а от накопления углекислого газа, — в статье «Задержка дыхания: что происходит в организме».

Частые вопросы