Вдох-выдох

Наша дыхательная система — эволюционный шедевр: один из самых эффективных способов доставить воздух в организм, извлечь из него кислород и отдать обратно. Она позволяет нам расти большими, чему очень завидуют насекомые. Она тонко регулируется, подстраиваясь под состояние организма, самостоятельно очищается и защищается от разных напастей. А еще она устроена так, чтобы даже самые забывчивые из нас никогда не забывали дышать. Словом, чудо из чудес — и стоило бы получше заботиться о таком подарке природы. Но мы живем в городах, вдыхаем то, чего не следовало бы, и вообще толком не знаем, как с этой системой правильно обращаться.

Социальные антропологи давно предупреждают: использовать для описания человеческого тела метафору машины не только не оригинально, но и опасно. Механистические описания органов и их систем были чем-то новым и могли удивить на заре эпохи Просвещения, но давно надоели и даже тормозят развитие медицины.

Но изобрести что-то новое сложно, а механицизм помогает, по крайней мере, усвоить азы анатомии и физиологии: сердце — насос, нервная система — проводка и центр управления, пищеварение — двигатель внутреннего сгорания, а дыхательная система — это система подачи окислителя. И пока философы борются с опасными концепциями, мы продолжаем их использовать — хотя бы потому, что к машинам бывают инструкции.

А кому не хочется получить инструкцию к собственному телу?

История изобретения

Наши легкие — часть системы подачи окислителя, очень современной и продвинутой. Первые ее варианты устроены проще и дают намного меньше возможностей. Одноклеточные и простейшие организмы поглощают окислитель через всю поверхность тела за счет диффузии растворенного в воде кислорода. Это просто, но накладывает на организм ограничения.

Во-первых, проницаемые для окислителя мембраны нужно постоянно смачивать — а значит, жить можно только в воде. Во-вторых, диффузия не может перенести окислитель глубоко внутрь тела, поэтому тем, кто довольствуется этим вариантом подачи кислорода, сложно вырасти очень большими и сложными: все важное должно быть на поверхности.

Первое чудесное изобретение эволюции, которое позволило обойти эти ограничения, — это кровь. Она доставляет кислород к тканям и органам, расположенным в глубине тела. Из всех версий этого изобретения природы мы, млекопитающие, пользуемся передовой — кровью, в которой перенос кислорода осуществляется за счет дыхательного фермента на основе железа. Другая версия белка-транспортера, на медной основе, работает в крови моллюсков — например, крабов и осьминогов.

Но и тем, у кого, в отличие от одноклеточных и медуз, есть кровь, нужна большая поверхность контакта с внешней средой — разница только в том, что теперь поверхность должна сообщаться не со всеми тканями тела, а только с кровью. Рыбы решили эту проблему, отрастив тонкие пластинки, усеянные капиллярами — жабры. Сухопутные животные пошли дальше и спрятали обильно кровоснабжаемые поверхности внутри тела, защитив их от высыхания. Так появились легкие — уникальная система, позволяющая прекрасно жить вдали от воды.

Из последних эволюционных апгрейдов легких мы пользуемся:

• ячеистой структурой. Она многократно увеличивает площадь легких: до 100-140 м² у взрослого человека на глубоком вдохе. Это площадь хорошей трехкомнатной квартиры — для сравнения, кожа, которую традиционно называют самым большим органом, имеет площадь полутораспальной кровати.


• разветвленными бронхами. Легкие сообщаются с атмосферой через дыхательные пути, которые могут быть более или менее разветвленными — в зависимости от того, какая им доступна площадь. У змей, например, места мало, и ветвления бронхов нет — у некоторых из них весь газообмен вообще умещается в одном выросте трахеи. А у людей грудные клетки широкие, и бронхам есть где ветвиться.


• диафрагмой. Эта мышца есть у млекопитающих, и ни у кого больше. В отсутствие диафрагмы вдох получается за счет расслабления грудных мышц, а выдох — при их сжатии и сокращении объема грудной клетки. С диафрагмой все наоборот: мы сокращаем ее на вдохе и расслабляем на выдохе. Все животные, кроме млекопитающих, обходятся без диафрагмы, и у птиц дышать получается даже эффективнее. Но наличие диафрагмы дает некоторые преимущества, в частности, возможность эффективно очищать легкие за счет кашля (см. следующий пункт).


• протоколами очищения. Нежелательные вещества и частицы можно выгнать из легких. Для этого нужно создать в легких большое давление, на время закрыть выход, а потом резко отпустить — получится резкий и мощный выдох, который увлечет за собой все ненужное. Ключевую роль в этом играет диафрагма: она сокращается, объем грудной клетки увеличивается, происходит глубокий вдох. Затем гортанная щель закрывается, и голосовые связки перекрывают гортань. Затем диафрагма расслабляется, а вспомогательные мышцы сокращаются, усиливая выдох. При закрытой гортани все это создает большое давление, и когда гортань наконец открывается, воздух устремляется наружу быстрее обычного, унося с собой нежелательные элементы. Эта полезная фича позволяет избавляться от мокроты, пыли и ядовитых газов. У птиц и рептилий нет диафрагмы, кашляют они совсем иначе — и куда менее эффективно.

Принцип работы и ТТХ

Итак, главный орган дыхательной системы человека — легкие. Их у нас два, правое чуть больше левого. Легкие взрослого человека весят около 1,3 килограмма, правое чуть тяжелее. Они расположены в грудной полости, между ребрами и позвоночником.

Теперь поговорим о строении легких.

Бронхи: воздуховоды, фильтры, встроенная система ремонта. Каркас легких составляют бронхи. У взрослого человека на протяжении легкого бронх делится больше двадцати раз. После каждого деления отростки бронха увеличиваются в числе, становятся меньше и уже. Крупные бронхи укреплены хрящами. Кроме того, в бронхах есть части иммунной системы — лимфоидные узелки. Они вырабатывают иммунные клетки и обеспечивают быструю реакцию на инфекции.

Бронхи состоят преимущественно из соединительной и эпителиальной ткани. Во внутренней слизистой оболочке бронхов много эластичных волокон, благодаря которым бронхи расширяются на вдохе и сужаются на выдохе. Сжатием и расширением управляют кольцевые мышцы бронхов.

Изнутри бронхи всегда влажные за счет секрета специальных желез, расположенных в стенке бронха. В этом секрете задерживаются частички пыли, бактерии и вирусы — и вместе с секретом же выводятся из дыхательных путей. Для того, чтобы секрет постоянно двигался вдоль бронхов и уносил пыль, работают специальные «дворники» — микроскопические реснички.

В норме реснички постоянно дрожат (230–260 колебательных движений в минуту) и перемешивают трахеобронхиальный секрет, направляя его в нужную сторону. Если из-за инфекции в бронхах секрет становится слишком густым, или реснички по каким-то причинам замедляются, к очищению подключается кашель.

Альвеолы: место, где происходит газообмен. Самые тонкие бронхи — бронхиолы — ведут к альвеолам. Альвеолы — это крошечные (120-140 мкм в диаметре) пузырьки. У взрослого человека 300-400 миллионов альвеол, а их общая площадь на вдохе может достигать 100-140 м². На самом деле площадь газообмена еще больше — за счет цитоплазматических выростов на внутренней поверхности клеток альвеол.

С клетками альвеол тесно сплетаются клетки эпителия капилляров; именно за счет этого сплетения происходит газообмен. Воздух и кровь не соприкасаются напрямую. Между ними существует очень тонкий аэрогематический барьер: в среднем всего полмикрометра. Состоит он из участков клеток альвеол и капилляров, а также из жидкости, которую выделяют специальные клетки альвеол.

Эта жидкость называется сурфактантным комплексом; она не только проводит кислород и углекислый газ, но и помогает пузырьку не схлопнуться на выдохе. Кроме того, сурфактантный комплекс мешает крови проникнуть внутрь альвеолы, а микроорганизмам, залетевшим с воздухом — наоборот, не позволяет попасть в кровь.

Что происходит внутри: по дыхательным путям воздух попадает в альвеолы, где через аэрогематический барьер происходит обмен. Кровь отдает углекислый газ и забирает кислород. Однако детали требуют изучения: скажем, ученым хотелось бы точнее понимать, что происходит с тем, что мы вдыхаем, по пути к альвеолам.

Например, неплохо бы было знать, где и в каком количестве задерживаются в легких пылинки, частички сажи, микропластик, взвешенные в воздухе капельки жидкости и дым. Это может помочь оценить последствия курения, жизни в окутанном смогом городе или эффект лекарственных спреев. Раньше такие измерения вели на животных моделях, но сейчас этические принципы требуют замены подопытных животных моделями, физическими или цифровыми.

Некоторые из таких моделей — например, эта — учитывают даже такие нюансы, как температурный режим внутри дыхательных путей: ведь температура тоже может влиять на то, как далеко проникают в бронхи разные объекты. Температура в модели, напечатанной из полимерных чернил на 3D-принтере, на разных участках регулируется с помощью трубочек с водой различной температуры.

Другие модели позволяют наблюдать in vitro работу настоящих, живых клеток. Вырастить в лаборатории целое живое легкое пока невозможно, но существует технология орган-на-чипе (Organ-on-a-chip): небольшие клеточные культуры совмещаются с приборами так, чтобы исследователи могли измерять реакцию клеток на разные воздействия (подробнее читайте в материале «Чип спешит на помощь»).

Некоторые технологические платформы позволяют объединять в одном месте несколько клеточных культур, чтобы точнее моделировать поведение настоящих тканей и целых органов. В прошлом году компания Филип Моррис Интернэшнл и биотехнологическая компания TissUse приступили к разработке такой многокомпонентной системы для моделирования поведения тканей легких под воздействием вдыхаемых аэрозолей.

Система управления

От управления дыханием мозг не отдыхает никогда: мы не забываем дышать ни во сне, ни в обмороке. Пока вы не вспомнили о том, что надо дышать, вдох и выдох происходят как будто сами по себе. Как только что-то напоминает вам о неизбежной смерти от недостатка кислорода, все меняется: система переходит на ручное управление, которое составляет совсем другую часть центральной нервной системы. Сознательный контроль дыхания осуществляется за счет нейронов моторной и премоторной коры.

За бессознательный контроль отвечают несколько нервных ядер в стволе головного мозга. В отличие от импульсов, которые рождаются в моторной коре, сигнал из продолговатого мозга рождается автоматически: ему для этого не нужны никакие внешние стимулы. Ученые наблюдали его непрерывную работу даже в лабораторных препаратах. Не получая сигнала ни из мозга, ни от тела, группа особых нейронов продолговатого мозга продолжает работать, как метроном: сигнал-пауза, сигнал-пауза.

Важно отметить, что «дыхательные» группы нейронов продолговатого мозга передают сигнал в первую очередь по диафрагмальному нерву, связанному, как следует из названия, с диафрагмой. Поэтому обычное, спокойное дыхание — как во сне или в покое, когда мы не обращаем на это внимания — происходит именно за счет сокращения диафрагмы. Когда организм подвергается нагрузке, он нуждается в бо́льшем поступлении воздуха. В этом случае тот же участок продолговатого мозга отправляет сигнал через нервы, расположенные ниже и ведущие к межреберным мышцам, и те помогают диафрагме сильнее расширять грудную клетку.

Еще один способ увеличить потребление кислорода — учащение дыхания — запускается другими группами нейронов, расположенными в варолиевом мосту чуть выше продолговатого мозга. Его нейроны меняют активность нейронов дыхательных узлов продолговатого мозга, и человек начинает дышать чаще. На нейроны варолиевого моста приходят сигналы об эмоциональных переживаниях (от лимбической системы), от рецепторов кожи — о боли, жаре, холоде и других ощущениях. Все они влияют на частоту и длину вдохов и выдохов.

Дыхание зависит не только от физической нагрузки, но и от химического состава крови. Существует механизм, который заставляет нас дышать чаще при повышенной концентрации углекислого газа или сниженной концентрации кислорода в крови, а также при повышенной кислотности крови. За распознавание этих сигналов отвечают рецепторы аорты; при повышении концентрации CO₂ они передают нервный импульс в продолговатый мозг. Именно эти рецепторы не позволяют нам слишком долго сознательно задерживать дыхание; они же заставляют новорожденного сделать первый вдох.

Эксплуатация и техническое обслуживание

Человеческие легкие — отличный, чутко реагирующий на состояние всего организма механизм со сложной системой управления. Но, как и с любой машиной, чтобы он работал хорошо, нужно соблюдать условия эксплуатации. Главные факторы среды, которые влияют на состояние легких — это состав атмосферы, давление, а также режим эксплуатации (насколько часто легкие подвергаются дополнительным нагрузкам).

Состав атмосферы

Это один из самых консервативных параметров: мы рассчитаны на жизнь в современной земной атмосфере с 20 процентами кислорода. Если в легкие поступает меньше кислорода, начинается гипоксия.

Если кислорода слишком много, это может не быть проблемой — по крайней мере при нормальном давлении. Однако человек, несколько суток дышащий газовой смесью, содержание кислорода в которой превышает нормальное в три раза, может почувствовать симптомы отравления кислородом: конвульсии, нарушения дыхания и слепоту.

Но чаще мы сталкиваемся не с избытком, а с недостатком кислорода или с присутствием в воздухе веществ и частиц, которых в нем быть не должно. Все они действуют на организм по-разному. Большая часть эффектов связана с появлением «неправильных» газов в крови. Особняком стоит углекислый газ, повышение концентрации которого в крови заставляет активнее работать мышцы, отвечающие за вдох и выдох.

Прочие обычные загрязнители — составляющие промышленных выхлопов, сигаретного дыма, микроскопические частички сажи — действуют и на сами легкие, но эффекты проявляются не мгновенно. Постоянное воздействие табачного дыма, например, увеличивает объем альвеол и истончает их стенки. Некоторые продукты горения разрушительно действуют и на сурфактант альвеол, а его разрушение, в свою очередь, приводит к снижению эластичности альвеол и повышает риск их схлопывания.

Погружения

При глубоководных погружениях человек переживает эффекты, связанные с увеличением давления снаружи. Небольшое повышение давления не слишком влияет на доставку кислорода. Для вдоха дайверу (человеку, который ныряет с баллонами со сжатым воздухом) необходимо небольшое усилие, а для выдоха — наоборот, приходится прикладывать больше сил.

На глубине около 10 метров начинает проявляться сжатие тканей организма, включая легкие. Сжимается и воздух, который человек вдыхает, поэтому на глубине он занимает меньший объем.

Эффект сжатия фридайвер (человек, совершающий погружения на одном вдохе) начинает чувствовать на глубине около 10 метров и давлении в 2 атмосферы: к этому моменту заполненные воздухом легкие занимают примерно половину своего объема на поверхности. Еще через десять метров объем уменьшится до трети. Дальнейшее погружение зависит от соотношения объема легких после выдоха и общего дыхательного объема легких спортсмена; неподготовленные люди достигают его на глубине около 40 метров, лучшие в мире фридайверы — на глубине более ста метров.

Увеличение давления окружающей среды и уменьшение объема легких запускает множество адаптационных эффектов, направленных на защиту жизненно важных органов: мозга, легких и сердца.

Например, для компенсации давления, которое постепенно становится ниже, в крупные кровеносные сосуды легких устремляется кровь из периферических сосудов организма; происходит «кровяной сдвиг». Этот механизм предотвращает баротравму легких и сохраняет определенную концентрацию кислорода в крови, поступающей в мозг. Нарушение протоколов погружения может провоцировать баротравмы легких и разрушение сосудов и альвеол, которые перестают функционировать, когда кровь попадет внутрь. Эти эффекты и определяют нижнюю границу возможного погружения для фридайвера.

Другая часть эффектов, переживаемых при погружениях, связана не с функцией легких, а с поведением растворенных в крови газов.

В начале погружения в крови растворены кислород, углекислый газ и азот. Их концентрация изменяется незначительно: длительность погружения невелика (не больше 5 минут у чемпионов мира), и дополнительных вдохов спортсмен не делает.

Однако на глубине газы ведут себя не так, как в нормальных условиях. Меняется, в частности, их растворимость. Растворимость кислорода при повышенном давлении увеличивается, а вместе с ней растет и его концентрация в тканях мозга . Это может привести к повреждению нейронов: кислород — сильный окислитель.

Кроме того, ученые не исключают вероятности азотного наркоза: растворенный в нормальных условиях, при повышении давления азот формирует пузырьки. В мозге газообразный азот может оказывать психотропное воздействие. Этот эффект наблюдается при глубоких погружениях или при нескольких погружениях подряд на среднюю глубину. Само по себе это состояние не опасно, но может приводить к дезориентации и потере сознания.

Космос и его окрестности

При больших ускорениях человек переживает эффекты, схожие с теми, что возникают на глубине. Вдохнуть становится тяжело уже при двукратной перегрузке; для расширения грудной клетки требуется большее усилие, чем обычно. При перегрузке в 5-6-7-8-9 g для вдоха требуется уже очень много сил. Если перегрузка будет короткой, рекомендуется на ее время освободить легкие от воздуха. Так, инструкция для американских гражданских пилотов рекомендует перед пиковой перегрузкой сделать глубокий выдох и закрыть голосовую щель, чтобы заходить на вираж или в пике с пустыми легкими, не сообщающимися с окружающей средой.

Космонавты во время перегрузок после старта и при посадке тоже осваивают специальную технику дыхания животом: так легче расширить грудную клетку и впустить в легкие немного воздуха. Глубокие вдохи при больших ускорениях не удаются. Зато на орбите космонавтам не приходится переживать о дыхании. В отличие от других тканей и органов, лёгкие работают в невесомости почти так же, как на Земле, разве что воздухом заполняются не так равномерно.

Разреженный воздух на большой высоте

Без привычки к жизни высоко над уровнем моря человеку угрожают разной степени тяжести проявления гипоксии: от легкой рассеянности и утомляемости до потери сознания, судорог и смерти. Это обусловлено и разреженностью атмосферы, и низким атмосферным давлением, при котором даже при максимальном расширении грудной клетки приток внутрь воздуха меньше, чем на равнине.

Долгое проживание на большой высоте запускает множество физиологических изменений. Дыхание меньше сбивается от понижения давления, меняется состав крови: становится больше эритроцитов, а в них — больше переносящего кислород гемоглобина. Подготовленные люди легче переносят восхождения на высоту до 8 километров. Но ближе к отметке в 9 километров не работают и эти адаптации: без дополнительного поступления кислорода человеку выше не подняться.

Физические нагрузки и их отсутствие

Человеку, который давно не занимался физкультурой, может быть трудно подняться по лестнице: у него появится одышка. Человеку, который готовится бежать марафон, та же лестница покажется пустяком. Но различия в работе их легких — при условии, что оба человека здоровы, — могут быть совсем невелики.

Аэробные упражнения — бег, плавание, ходьба и другие продолжительные нагрузки, во время которых мы часто дышим, — влияют на работу легких, в том числе увеличивают их объем. Но абсолютные значения этих улучшений невелики: в конце концов, легкие нельзя увеличить в размере, можно только заставить человека дышать глубже.

В гораздо большей степени нагрузки влияют на кровеносную систему — на работу сердца и при большом стаже тренировок на состав крови. Ученые пока не понимают, почему так, но точно знают, что у спортсменов больше красных кровяных клеток, чем у людей, ведущих малоподвижный образ жизни. Впрочем, доставка окислителя — совместная задача кровеносной и дыхательной систем, поэтому улучшение функции одной обязательно поможет и другой.