Človeški dihalni sistem sestavljajo dihala (zgornja in spodnja) in pljuča. Dihalni sistem je odgovoren za izmenjavo plinov med organizmom in okoljem. Kako je zgrajen dihalni sistem in kako deluje?
Človeški dihalni sistem naj bi omogočal dihanje - postopek izmenjave plinov, in sicer kisika in ogljikovega dioksida, med telesom in okoljem. Vsaka celica v našem telesu potrebuje kisik za pravilno delovanje in ustvarjanje energije. Proces dihanja delimo na:
- zunanje dihanje - dovajanje kisika v celice
- notranje dihanje - znotrajcelično
Zunanje dihanje nastane zaradi sinhronizacije dihalnega sistema z živčnimi centri in je razdeljeno na številne procese:
- prezračevanje pljuč
- difuzija plinov med alveolarnim zrakom in krvjo
- transport plinov po krvi
- difuzija plinov med krvjo in celicami
Če si želite ogledati ta video, omogočite JavaScript in razmislite o nadgradnji na spletni brskalnik, ki podpira video
Zgradba dihalnega sistema
Dihalni trakt sestavljajo:
- zgornja dihala, torej nosna votlina (naš kavum) in grlo (žrela)
- spodnji dihalni trakt: grlo (grla), sapnik (sapnik), bronhus (bronhijev) - desno in levo, ki se nadalje delijo na manjše veje, najmanjše pa postanejo bronhiole (bronhioli)
Zadnji del dihalnih poti vodi v alveole (alveoli pulmonales). Vdihani zrak prehaja skozi dihalne poti in se očisti prahu, bakterij in drugih manjših nečistoč, navlaži in ogreje. Po drugi strani pa struktura bronhijev s kombinacijo hrustanca, elastičnih in gladkih mišičnih elementov omogoča prilagajanje njihovega premera. Grlo je tam, kjer se sekata dihalni in prebavni sistem. Zaradi tega se pri požiranju dihanje ustavi in dihalna pot se zapre skozi povrhnjico.
- pljuča - seznanjeni organi v prsih.
Kar zadeva anatomske in funkcionalne vidike, so pljuča razdeljena na režnje (levo pljuče na dva režnja, desno pa na tri), režnji so nadalje razdeljeni na segmente, segmenti v lobule in lobule v grozde.
Vsako pljuče je obdano z dvema plastema vezivnega tkiva - parietalne plevre (pleura parietalis) in pljučna pleura (pleura pulmonalis). Med njimi je plevralna votlina (cavum pleurae), tekočina v njem pa omogoča oprijem pljuč, prekritih s pljučno plevro, na parietalno pleuro, ki je spojena z notranjo steno prsnega koša.Na mestu, kjer bronhiji vstopijo v pljuča, so pljučne votline, v katere so poleg bronhijev tudi arterije in pljučne žile.
Poleg tega so v zapleteni proces dihanja vključene skeletno progaste mišice, kri in kardiovaskularni sistem ter živčni centri.
Prezračevanje pljuč
Bistvo prezračevanja je povleči atmosferski zrak v alveole. Ker zrak vedno prehaja iz višjega tlaka v nižji, ustrezne mišične skupine sodelujejo pri vsakem vdihu in izdihu, kar omogoča sesanje in pritisk v prsih.
Na koncu izdiha je tlak v alveolah enak atmosferskemu tlaku, toda med vpihovanjem zraka se diafragma skrči (diafragma) in zunanje medrebrne mišice (musculi intercostales externi), zaradi česar se prostornina prsnega koša poveča in ustvari vakuum, ki vpije zrak.
Ko se poveča potreba po prezračevanju, se aktivirajo dodatne mišice za vdih: sternokleidomastoidne mišice (musculi sternocleidomastoidei), prsne mišice (musculi pectorales minores), sprednje zobate mišice (musculi serrati anteriores), trapezne mišice (musculi trapezia), dvižne mišice lopatice (musculi levatores scapulae), glavne in manjše paralelogramske mišice (musculi rhomboidei maiores et minores) in poševne mišice (muskuli združil).
Naslednji korak je izdih. Začne se, ko se inspiratorne mišice sprostijo na vrhuncu vdiha. Običajno je to pasiven postopek, saj sile, ki jih ustvarijo raztegnjeni elastični elementi v pljučnem tkivu, zadoščajo za zmanjšanje obsega prsnega koša. Tlak v alveolah se dvigne nad atmosferski tlak in nastala razlika v tlaku odvede zrak navzven.
Pri močnem izdihu je situacija nekoliko drugačna. Z njim imamo opravka, kadar je dihalni ritem počasen, ko izdih zahteva premagovanje povečane dihalne odpornosti, npr.pri nekaterih pljučnih boleznih, pa tudi pri fonacijski aktivnosti, zlasti med petjem ali igranjem pihalnih instrumentov. Stimulirajo se motoneuroni izdihujočih mišic, ki vključujejo: notranje medrebrne mišice (musculi intercostales interni) in mišice sprednje trebušne stene, zlasti rektus trebušne mišice (musculi recti abdominis).
Hitrost dihanja
Hitrost dihanja je zelo spremenljiva in je odvisna od številnih različnih dejavnikov. Odrasla oseba v mirovanju naj diha 7-20 krat na minuto. Dejavniki, ki vodijo do povečanja hitrosti dihanja, strokovno imenovane tahipneja, vključujejo gibanje, težave s pljuči in zunajpljučno dihalno stisko. Po drugi strani pa je bradipneja, tj. Znatno zmanjšanje števila vdihov, lahko posledica nevroloških bolezni ali osrednjih neželenih učinkov mamil. Otroci se v tem pogledu razlikujejo od odraslih: manjši je malček, večja je fiziološka hitrost dihanja.
Količine in kapacitete pljuč
- TLC (skupna pljučna zmogljivost) - prostornina, ki je v pljučih po najglobljem vdihu
- IC - zmogljivost vdiha - potegnjena v pljuča med najglobljim vdihom po mirnem izdihu
- IRV (vdihavalni rezervni volumen) - vdihavalni rezervni volumen - potegnjen v pljuča med največjim vdihom na vrhu prostega vdiha
- TV (dihalni volumen) - dihalni volumen - vdih in izdih med prostim vdihom in izdihom
- FRC - funkcionalna preostala zmogljivost - ostane v pljučih po počasnem izdihu
- ERV (ekspiratorni rezervni volumen) - ekspiratorni rezervni volumen - odstranjen iz pljuč med največjim izdihom po prostem vdihu
- RV (preostali volumen) - preostali volumen - ostane v pljučih vedno med največjim izdihom
- VC (vitalna zmogljivost) - vitalna zmogljivost - odstranjena iz pljuč po največjem vdihu v času največjega izdiha
- IVC (vdihovalna vitalna sposobnost) - vdihnjena vitalna sposobnost - potegnjena v pljuča po najglobljem izdihu pri največjem vdihu; lahko nekoliko višja od VC, ker se pri največjem izdihu, ki mu sledi največji vdih, alveolarni vodniki zaprejo, preden se odstrani zrak, ki polni mehurčke
Z brezplačnim navdihom je dihalni volumen 500 ml. Vendar pa ves ta volumen ne doseže alveolov. Približno 150 ml napolni dihalni trakt, ki nima pogojev za izmenjavo plinov med zrakom in krvjo, torej nosno votlino, grlo, grlo, sapnik, bronhije in bronhiole. To se imenuje anatomski dihalni prostor. Preostalih 350 ml se zmeša z zrakom, ki predstavlja preostalo funkcionalno sposobnost, hkrati segreva in nasiči z vodno paro. V alveolah spet ni ves zrak plinast. V kapilarah sten nekaterih alveolov ni krvi ali je premajhen pretok krvi, da bi ves zrak porabil za izmenjavo plinov. To je fiziološki dihalni prostor in je pri zdravih ljudeh majhen. Na žalost se lahko pri boleznih znatno poveča.
Povprečna hitrost dihanja v mirovanju je 16 na minuto, dihalni volumen pa 500 ml, če pomnožimo ti dve vrednosti, dobimo pljučno ventilacijo. Iz tega sledi, da na minuto vdihnemo in izdihnemo približno 8 litrov zraka. Med hitrim in globokim vdihom se lahko vrednost znatno poveča, celo od ducata do dvajsetkrat.
Vsi ti zapleteni parametri: zmogljivosti in prostornine so bili predstavljeni ne samo zato, da bi nas zmedli, ampak imajo pomembno vlogo pri diagnozi pljučnih bolezni. Obstaja test - spirometrija, ki meri: VC, FEV1, FEV1 / VC, FVC, IC, TV, ERV in IRV. Bistvenega pomena je za diagnozo in spremljanje bolezni, kot sta astma in KOPB.
Difuzija plinov med alveolarnim zrakom in krvjo
Alveole so osnovna struktura, ki tvori pljuča. Teh je približno 300–500 milijonov, vsak s premerom od 0,15 do 0,6 mm, njihova skupna površina pa je od 50 do 90 m².
Stene foliklov gradi tanki, ravni, enoslojni epitelij. Folikli poleg celic, ki tvorijo epitelij, vsebujejo še dve vrsti celic: makrofage (črevesne celice) in tudi folikularne celice tipa II, ki proizvajajo površinsko aktivno snov. Je mešanica beljakovin, fosfolipidov in ogljikovih hidratov, proizvedenih iz maščobnih kislin v krvi. Surfaktant z zmanjšanjem površinske napetosti preprečuje, da bi se alveole držale skupaj in zmanjša sile, potrebne za raztezanje pljuč. Mehurčki so od zunaj prekriti z mrežo kapilar. Kapilare, ki pridejo v alveole, prenašajo kri, bogato z ogljikovim dioksidom, vodo, vendar z majhno količino kisika. Nasprotno pa je v alveolarnem zraku delni tlak kisika visok, ogljikovega dioksida pa nizek. Difuzija plinov sledi gradientu molekularnega tlaka plinov, zato kapilarni eritrociti ujamejo kisik iz zraka in se znebijo ogljikovega dioksida. Delci plina morajo preiti skozi alveolarno steno in steno kapilar, in sicer skozi: plast tekočine, ki pokriva površino alveole, alveolarni epitelij, bazalno membrano in kapilarni endotelij.
Prenos plinov po krvi
- transport kisika
Najprej se kisik fizično raztopi v plazmi, nato pa skozi ovojnico difundira v rdeče krvne celice, kjer se s hemoglobinom veže in tvori oksihemoglobin (oksigenirani hemoglobin). Hemoglobin ima zelo pomembno vlogo pri prenosu kisika, saj se vsaka njegova molekula kombinira s 4 molekulami kisika, s čimer poveča sposobnost prenosa kisika do 70-krat. Količina prepeljanega kisika, raztopljenega v plazmi, je tako majhna, da ni pomembna za dihanje. Zahvaljujoč obtočnemu sistemu kri, nasičena s kisikom, doseže vse celice telesa.
- transport ogljikovega dioksida
Ogljikov dioksid iz tkiv vstopi v kapilare in se prenese v pljuča:
- približno 6% fizično raztopljeno v plazmi in v citoplazmi eritrocitov
- približno 6% vezano na proste aminokisline plazemskih beljakovin in hemoglobina (kot karbamati)
- večina, tj. približno 88%, kot HCO3 ioni, vezani na bikarbonatni puferski sistem plazme in eritrocitov
Difuzija plinov med krvjo in celicami
Tudi molekule plinov v tkivih prehajajo vzdolž gradienta tlaka: kisik, ki se sprosti iz hemoglobina, se difundira v tkiva, ogljikov dioksid pa v nasprotni smeri - od celic do plazme. Zaradi razlik v povpraševanju po kisiku različnih tkiv obstajajo tudi razlike v napetosti kisika. V tkivih z intenzivno presnovo je napetost kisika nizka, zato porabijo več kisika, medtem ko odtekajoča venska kri vsebuje manj kisika in več ogljikovega dioksida. Arteriovenska razlika v vsebnosti kisika je parameter, ki določa stopnjo porabe kisika v tkivih. Vsako tkivo ima arterijsko kri z enako vsebnostjo kisika, medtem ko jo lahko venska kri vsebuje več ali manj.
Notranje dihanje
Dihanje na celični ravni je večstopenjski biokemijski proces, ki vključuje oksidacijo organskih spojin, v katerih nastaja biološko koristna energija. To je temeljni proces, ki se pojavi tudi, ko se ustavijo drugi presnovni procesi (anaerobni alternativni procesi so neučinkoviti in omejenega pomena).
Ključno vlogo imajo mitohondriji - celični organeli, ki sprejemajo molekule kisika, ki se difundirajo znotraj celice. Na zunanji membrani mitohondrijev so vsi encimi Krebsovega cikla (ali cikla trikarboksilne kisline), medtem ko so na notranji membrani encimi dihalne verige.
V Krebsovem ciklu presnovki sladkorja, beljakovin in maščob oksidirajo v ogljikov dioksid in vodo s sproščanjem prostih vodikovih atomov ali prostih elektronov. Nadalje v dihalni verigi - zadnji fazi znotrajceličnega dihanja - s prenosom elektronov in protonov na zaporedne nosilce sintetiziramo visokoenergijske fosforjeve spojine. Najpomembnejši med njimi je ATP, to je adenozin-5′-trifosfat, univerzalni nosilec kemične energije, ki se uporablja v celičnem metabolizmu. Porabijo ga številni encimi v procesih, kot so biosinteza, gibanje in delitev celic. Predelava ATP v živih organizmih je neprekinjena in ocenjuje se, da človek vsak dan pretvori količino ATP, primerljivo s svojo telesno težo.
Regulacija dihanja
V razširjenem jedru je dihalni center, ki uravnava pogostost in globino dihanja. Sestavljen je iz dveh centrov z nasprotnimi funkcijami, ki jih tvorita dve vrsti nevronov. Oba se nahajata znotraj mrežaste tvorbe. V osamljenem jedru in v sprednjem delu zadnjega dvoumnega vagusnega živca je inspiracijski center, ki pošilja živčne impulze v hrbtenjačo, v motorične nevrone vdihavalnih mišic. Po drugi strani pa je v dvoumnem jedru vagusnega živca in v zadnjem delu zadnjega dvoumnega vagusnega živca center za izdih, ki stimulira motorične nevrone izdihujočih mišic.
Nevroni vdihavalnega središča večkrat na minuto pošljejo val živčnih impulzov, ki potekajo vzdolž veje, ki se spušča do motoričnih nevronov v hrbtenjači in hkrati z vejo aksona, ki se dviga do nevronov retikularne tvorbe mostu. Obstaja pnevmotaksični center, ki za 1-2 sekundi zavira center za vdih, nato pa center za vdih spet stimulira. Zaradi zaporednih obdobij stimulacije in zaviranja vdihavalnega centra je zagotovljena ritmičnost vdihov.
Inspiracijski center uravnavajo živčni impulzi, ki nastanejo pri:
- kemoreceptorji materničnega vratu in aortnega glomerula, ki se odzivajo na povečanje koncentracije ogljikovega dioksida, koncentracije vodikovih ionov ali znatno zmanjšanje koncentracije arterijskega kisika; impulzi iz aortnih grud potujejo skozi glosofaringealni in vagusni živec. učinek pa je pospešiti in poglobiti vdihavanje
- interoreceptorji pljučnega tkiva in prsni proprioreceptorji;
- med bronhialnimi gladkimi mišicami obstajajo mehanoreceptorji za napihovanje, stimulirajo se z raztezanjem pljučnega tkiva, kar sproži izdih; nato z zmanjšanjem raztezanja pljučnega tkiva med izdihom aktivira druge mehanoreceptorje, tokrat deflacijske, ki sprožijo navdih; Ta pojav se imenuje Hering-Breuerjev refleks;
- Položaj prsnega koša pri vdihu ali izdihu draži ustrezne proprioreceptorje in spreminja pogostost in globino vdihov: globlje kot je vdih, globlji je izdih po njem;
- centri zgornjih ravni možganov: možganska skorja, limbični sistem, termoregulacijski center v hipotalamusu
