Andningsorganen: struktur och funktion

Det mänskliga andningssystemet består av andningsorganen (övre och nedre) och lungorna. Andningsorganen ansvarar för gasutbytet mellan organismen och miljön. Hur är andningssystemet uppbyggt och hur fungerar det?

Det mänskliga andningssystemet ska möjliggöra andning - processen för gasutbyte, nämligen syre och koldioxid, mellan kroppen och miljön. Varje cell i vår kropp behöver syre för att fungera ordentligt och generera energi. Andningsprocessen är uppdelad i:

• extern andning - syretillförsel till celler
• inre andning - intracellulär

Extern andning sker på grund av synkroniseringen av andningsorganen med nervcentralen och är uppdelad i ett antal processer:

• lungventilation
• gasdiffusion mellan alveolär luft och blod
• transport av gaser genom blodet
• gasdiffusion mellan blod och celler

För att se den här videon, aktivera JavaScript och överväga att uppgradera till en webbläsare som stöder -video

Andningsorganens struktur

Andningsvägarna består av:

• övre luftvägarna, dvs. näshålan (vår kavel) och hals (svalg)
• nedre luftvägar: struphuvud (struphuvud), luftstrupe (trakea), bronkus (bronker) - höger och vänster, som ytterligare delas in i mindre grenar, och de minsta blir bronkioler (bronkioli)

Den sista delen av luftvägarna leder till alveolerna (alveoli pulmonales). Den inandade luften passerar genom luftvägarna och rengörs från damm, bakterier och andra små föroreningar, återfuktas och värms upp. Å andra sidan tillåter strukturen i bronkierna, genom kombinationen av brosk, elastiska och släta muskelelement, att du kan justera deras diameter. Halsen är där andnings- och matsmältningssystemen skär varandra. Av denna anledning, när du sväljer, slutar andningen och luftvägarna stängs genom epiglottis.

• lungor - parade organ i bröstet.

När det gäller anatomiska och funktionella aspekter delas lungorna i lober (vänster lunga i två lober och den högra i tre), delarna delas vidare i segment, segment i lobules och lobules i kluster.

Varje lunga är omgiven av två lager bindväv - parietal pleura (pleura parietalis) och lung pleura (pleura pulmonalis). Mellan dem finns pleurahålan (cavum pleurae), och vätskan i den möjliggör vidhäftning av lungan täckt med lung pleura till parietal pleura smält med den inre väggen i bröstet.På den plats där bronkierna kommer in i lungorna finns lunghåligheter, i vilka, förutom bronkierna, också artärer och lungvener.
Dessutom är skelettstrimmiga muskler, blod- och kardiovaskulära system och nervcentra involverade i den komplicerade andningsprocessen.

Lungventilation

Kärnan i ventilation är att dra luft i luftvägarna. Eftersom luften alltid flyter från högre tryck till lägre tryck deltar lämpliga muskelgrupper i varje inandning och utandning, vilket möjliggör sug- och tryckrörelser i bröstet.

I slutet av utandningen är trycket i alveolerna lika med atmosfärstrycket, men när du drar in luft, blir membranet kontraherat (diafragma) och yttre interkostal muskler (musculi intercostales externi), tack vare vilken volymen på bröstet ökar och skapar ett vakuum som suger in luft.

När efterfrågan på ventilation ökar aktiveras ytterligare inspiratoriska muskler: sternocleidomastoid muskler (musculi sternocleidomastoidei), bröstmuskler (musculi pectorales minoresfrämre tandade muskler (musculi serrati anteriores), trapezius muskler (musculi trapezia), axelbladets lyftmuskler (musculi levatores scapulae), större och mindre parallellogrammuskler (musculi rhomboidei maiores et minores) och sneda muskler (musculi slogs samman).

Nästa steg är att andas ut. Det börjar när de inspirerande musklerna slappnar av vid inandningens topp. Vanligtvis är detta en passiv process, eftersom de krafter som genereras av de sträckta elastiska elementen i lungvävnaden är tillräckliga för att bröstet ska minska i volym. Trycket i alveolerna stiger över atmosfärstrycket och den resulterande tryckdifferensen tar bort luften till utsidan.

Situationen är något annorlunda vid stark utandning. Vi hanterar det när andningsrytmen är långsam, när utandningen kräver att man övervinner ökad andningsmotstånd, t.ex. i vissa lungsjukdomar, men också i fonatorisk aktivitet, särskilt när man sjunger eller spelar blåsinstrument. Motoneuronerna i expiratoriska muskler stimuleras, vilket inkluderar: interna interkostala muskler (musculi intercostales interni) och musklerna i den främre bukväggen, särskilt rektus buk (musculi recti abdominis).

Andningsfrekvens

Andningsfrekvensen är mycket varierande och beror på många olika faktorer. En vilande vuxen ska andas 7-20 gånger per minut. Faktorer som leder till en ökning av andningshastigheten, tekniskt känd som takypné, inkluderar träning, lungförhållanden och extrapulmonal andningsbesvär. Å andra sidan kan bradypné, dvs. en signifikant minskning av antalet andetag, bero på neurologiska sjukdomar eller centrala biverkningar av narkotiska läkemedel. Barn skiljer sig från vuxna i detta avseende: ju mindre barnet är, desto högre är den fysiologiska andningsfrekvensen.

Lungvolymer och kapacitet

• TLC (total lungkapacitet) - den volym som finns i lungan efter det djupaste andetaget
• IC - inandningskapacitet - dras in i lungorna under den djupaste inandningen efter en lugn andning
• IRV (inspiratorisk reservvolym) - inspiratorisk reservvolym - dras in i lungorna under maximal inandning utförd på toppen av fri inspiration
• TV (tidvattenvolym) - tidvattenvolym - inandas och andas ut under fritt inandning och andning
• FRC - funktionell restkapacitet - förblir i lungorna efter långsam utandning
• ERV (expiratory reserve volume) - expiratory reserve volume - avlägsnas från lungorna vid maximal utandning efter fri inandning
• RV (restvolym) - restvolym - förblir i lungorna alltid under maximal utandning
• VC (vital kapacitet) - vital kapacitet - avlägsnas från lungorna efter maximal inandning vid maximal utandning
• IVC (inspiratorisk vital kapacitet) - inhalerad vital kapacitet - dras in i lungorna efter den djupaste utandningen med maximal inandning; kan vara något högre än VC eftersom vid maximal utandning följt av maximal inandning stängs de alveolära ledarna innan luften som fyller bubblorna avlägsnas

Med fri inspiration är tidvattenvolymen 500 ml. Men inte hela denna volym når alveolerna. Cirka 150 ml fyller luftvägarna, som inte har förutsättningar för gasutbyte mellan luft och blod, dvs. näshålan, struphuvudet, struphuvudet, luftstrupen, bronkierna och bronkiolerna. Det här kallas anatomiskt andningsdödutrymme. De återstående 350 ml blandas med luft som utgör den återstående funktionella kapaciteten, samtidigt uppvärmd och mättad med vattenånga. I alveolerna är återigen inte all luft gasformig. I kapillärerna på väggarna i några av alveolerna finns det inget blod eller otillräckligt blodflöde för att använda all luft för gasutbyte. Detta är det fysiologiska andningsdödutrymmet och är litet hos friska människor. Tyvärr kan det öka avsevärt i sjukdomstillstånd.

Den genomsnittliga andningsfrekvensen vid vila är 16 per minut och tidvattenvolymen är 500 ml, multiplicerar vi dessa två värden får vi lungventilation. Av detta följer att cirka 8 liter luft inandas och andas ut per minut. När du utför snabba och djupa andetag kan värdet öka betydligt, även från ett dussin till tjugo gånger.

Alla dessa komplicerade parametrar: kapacitet och volym introducerades inte bara för att förvirra oss utan har en viktig tillämpning vid diagnos av lungsjukdomar. Det finns ett test - spirometri som mäter: VC, FEV1, FEV1 / VC, FVC, IC, TV, ERV och IRV. Det är viktigt för diagnos och övervakning av sjukdomar som astma och KOL.

Gasdiffusion mellan alveolär luft och blod

Alveoler är den grundläggande strukturen som utgör lungorna. Det finns cirka 300-500 miljoner av dem, var och en med en diameter på 0,15 till 0,6 mm, och deras totala yta är från 50 till 90 m².

Folliklarnas väggar är byggda av ett tunt, platt, enda lager epitel. Förutom cellerna som utgör epitelet innehåller folliklarna två andra typer av celler: makrofager (tarmceller) och även typ II follikulära celler som producerar det ytaktiva medlet. Det är en blandning av proteiner, fosfolipider och kolhydrater producerade av blodfettsyror. Genom att minska ytspänningen förhindrar det ytaktiva medlet att alveolerna fastnar ihop och minskar de krafter som behövs för att sträcka lungorna. Från utsidan täcks bubblorna av ett nätverk av kapillärer. Kapillärer som kommer in i alveolerna bär blod rik på koldioxid, vatten, men med en liten mängd syre. Däremot, i alveolär luft, är syrgasens partiella tryck högt och det för koldioxid lågt. Gasdiffusion följer en gradient av gasmolekylärt tryck, så kapillära erytrocyter fångar syre från luften och blir av med koldioxid. Gaspartiklar måste passera genom den alveolära väggen och kapillärväggen, och närmare bestämt genom: vätskeskiktet som täcker den alveolära ytan, alveolärt epitel, källarmembran och kapillärt endotel.

Transport av gaser genom blodet

• syretransport

Först löses syre fysiskt i plasma, men sedan diffunderar det genom höljet i de röda blodkropparna, där det binder till hemoglobin för att bilda oxihemoglobin (syresatt hemoglobin). Hemoglobin spelar en mycket viktig roll vid transport av syre, eftersom var och en av dess molekyler kombineras med fyra syremolekyler, vilket ökar blodets förmåga att transportera syre upp till 70 gånger. Mängden transporterat syre upplöst i plasma är så liten att det är irrelevant för andning. Tack vare cirkulationssystemet når blod som är mättat med syre i varje cell i kroppen.

• transport av koldioxid

Koldioxid från vävnaderna kommer in i kapillärerna och transporteras till lungorna:

• cirka 6% löst fysiskt i plasma och i cytoplasman hos erytrocyter
• cirka 6% bundet till fria aminogrupper av plasmaproteiner och hemoglobin (som karbamater)
• majoriteten, dvs. cirka 88%, som HCO3-joner - bundna av bikarbonatbuffersystemet av plasma och erytrocyter

Gasdiffusion mellan blod och celler

Återigen passerar gasmolekyler i vävnaderna längs tryckgradienten: syre som frigörs från hemoglobin diffunderar in i vävnaderna, medan koldioxid diffunderar i motsatt riktning - från celler till plasma. På grund av skillnaderna i syrebehov hos olika vävnader finns det också skillnader i syrespänningen. I vävnader med intensiv ämnesomsättning är syrespänningen låg, så de konsumerar mer syre, medan det dränerande venösa blodet innehåller mindre syre och mer koldioxid. Den arteriovenösa skillnaden i syreinnehåll är en parameter som bestämmer graden av syreförbrukning av vävnader. Varje vävnad förses med arteriellt blod med samma syreinnehåll, medan venöst blod kan innehålla mer eller mindre av det.

Intern andning

Andning på mobilnivå är en flerstegs biokemisk process som involverar oxidation av organiska föreningar där biologiskt användbar energi produceras. Det är en grundläggande process som inträffar även när andra metaboliska processer stoppas (anaeroba alternativa processer är ineffektiva och av begränsad betydelse).

Nyckelrollen spelas av mitokondrier - cellulära organeller, som tar emot syremolekyler diffunderar inuti cellen. På mitokondriernas yttre membran finns alla enzymer i Krebs-cykeln (eller cykeln av trikarboxylsyror), medan det på det inre membranet finns enzymer i andningskedjan.

I Krebs-cykeln oxideras socker-, protein- och fettmetaboliter till koldioxid och vatten med frisättning av fria väteatomer eller fria elektroner. Vidare i andningskedjan - det sista steget i intracellulär andning - genom överföring av elektroner och protoner till successiva bärare syntetiseras högenergifosforföreningar. Den viktigaste av dem är ATP, dvs adenosin-5'-trifosfat, en universell bärare av kemisk energi som används vid cellmetabolism. Det konsumeras av många enzymer i processer som biosyntes, rörelse och celldelning. Bearbetningen av ATP i levande organismer är kontinuerlig och det uppskattas att varje dag omvandlar mängden ATP som är jämförbar med sin kroppsvikt.

Andningsreglering

I den förlängda kärnan finns ett andningscenter som reglerar andningens frekvens och djup. Den består av två centra med motsatta funktioner, byggda av två typer av nervceller. Båda är belägna i retikulärformationen. I den ensamma kärnan och i den främre delen av den bakre-tvetydiga vagusnerven är det inspiratoriska centrumet, som skickar nervimpulser till ryggmärgen, till motorneuronerna i de inspiratoriska musklerna. Å andra sidan finns det i den tvetydiga kärnan i vagusnerven och i den bakre delen av den bakre-tvetydiga vagusnerven utandningscentret, vilket stimulerar de motoriska nervcellerna i expiratoriska musklerna.

Neuronerna i inspirationscentret skickar en volley av nervimpulser flera gånger per minut, som rinner nerför grenen och går ner till motorneuronerna i ryggmärgen och samtidigt som axongrenen stiger upp till nervcellerna i broens retikulära bildning. Det finns ett pneumotaxiskt centrum som hämmar inspirationscentret i 1-2 sekunder och sedan stimulerar inspirationscentret igen. Tack vare successiva perioder av stimulering och inhibering av inspirationscentret säkerställs andningsrytmen.
Inspirationscentret regleras av nervimpulser som uppstår i:

• cervikal och aorta glomerulus kemoreceptorer, som svarar på en ökning av koldioxidkoncentrationen, koncentrationen av vätejoner eller en signifikant minskning av arteriell syrekoncentration; impulser från aortaklumparna färdas genom glans- och svåra nerverna. och effekten är att påskynda och fördjupa inandningarna
• interceptorer i lungvävnad och proprioreceptorer i bröstkorgen;
• Det finns uppblåsningsmekanorreceptorer mellan de släta bronkialmusklerna, de stimuleras genom sträckning av lungvävnaden, vilket utlöser utandning; reducerar sedan sträckan av lungvävnad under utandning, aktiverar andra mekanoreceptorer, den här gången deflationära, som utlöser inspiration; Detta fenomen kallas Hering-Breuer-reflexer;
• Bröstkorgens inandnings- eller utandningsposition irriterar respektive proprioreceptorer och ändrar andningsfrekvensen och djupet: ju djupare andas in, desto djupare andas ut efter det;
• centrum för de övre nivåerna av hjärnan: hjärnbarken, det limbiska systemet, värmeregleringscentret i hypotalamus