Sistem pernafasan: struktur dan operasi

Sistem pernafasan manusia terdiri daripada saluran pernafasan (atas dan bawah) dan paru-paru. Sistem pernafasan bertanggungjawab untuk pertukaran gas antara organisma dan persekitaran. Bagaimana sistem pernafasan dibina dan bagaimana ia berfungsi?

Sistem pernafasan manusia seharusnya memungkinkan pernafasan - proses pertukaran gas, iaitu oksigen dan karbon dioksida, antara organisma dan persekitaran. Setiap sel di dalam badan kita memerlukan oksigen untuk berfungsi dengan baik dan menjana tenaga. Proses pernafasan terbahagi kepada:

• pernafasan luaran - bekalan oksigen ke sel
• pernafasan dalaman - intraselular

Pernafasan luaran berlaku kerana penyegerakan sistem pernafasan dengan pusat saraf dan terbahagi kepada beberapa proses:

• pengudaraan paru-paru
• penyebaran gas antara udara dan darah alveolar
• pengangkutan gas melalui darah
• penyebaran gas antara darah dan sel

Untuk melihat video ini, sila aktifkan JavaScript, dan pertimbangkan untuk meningkatkan ke penyemak imbas web yang menyokong video HTML5

Struktur sistem pernafasan

Saluran pernafasan terdiri daripada:

• saluran pernafasan atas, iaitu rongga hidung (cavum kami) dan tekak (faring)
• saluran pernafasan bawah: laring (laring), trakea (trakea), bronkus (bronkus) - kanan dan kiri, yang seterusnya dibahagikan kepada cawangan yang lebih kecil, dan yang terkecil menjadi bronkiol (bronkioli)

Bahagian akhir saluran udara menuju ke alveoli (alveoli pulmonales). Udara yang dihirup yang melalui saluran pernafasan dibersihkan dari habuk, bakteria dan kotoran kecil lain, dilembapkan dan dihangatkan. Sebaliknya, struktur bronkus, melalui gabungan unsur-unsur tulang rawan, elastik dan otot licin, membolehkan anda menyesuaikan diameternya. Tekak adalah tempat sistem pernafasan dan pencernaan bersilang. Atas sebab ini, ketika menelan, pernafasan berhenti dan saluran udara ditutup melalui epiglotis.

• paru-paru - organ berpasangan yang terletak di dada.

Dari segi aspek anatomi dan fungsional, paru-paru dibahagikan kepada lobus (paru-paru kiri menjadi dua lobus dan yang kanan menjadi tiga), lobus dibahagikan lagi kepada segmen, segmen menjadi lobus, dan lobus menjadi kelompok.

Setiap paru-paru dikelilingi oleh dua lapisan tisu penghubung - pleura parietal (pleura parietalisdan pleura paru (pleura pulmonalis). Di antara mereka adalah rongga pleura (cavum pleurae), dan cairan di dalamnya membolehkan lekatan paru-paru ditutup dengan pleura paru ke pleura parietal yang menyatu dengan dinding dalaman dada.Di tempat di mana bronkus memasuki paru-paru, ada rongga paru, di mana, selain dari bronkus, juga arteri dan vena paru.
Di samping itu, otot-otot rangka, darah dan sistem kardiovaskular dan pusat saraf terlibat dalam proses pernafasan yang rumit.

Pengudaraan paru-paru

Inti pengudaraan adalah menarik udara atmosfera ke dalam alveoli. Oleh kerana udara selalu mengalir dari tekanan yang lebih tinggi ke tekanan yang lebih rendah, kumpulan otot yang sesuai mengambil bahagian dalam setiap penyedutan dan pernafasan, yang memungkinkan pergerakan penyedut dan tekanan dada.

Pada akhir pernafasan, tekanan di alveoli sama dengan tekanan atmosfera, tetapi semasa anda menarik udara, diafragma berkontraksi (diafragmadan otot interkostal luaran (musculi intercostales externi), berkat jumlah dada meningkat dan mewujudkan vakum yang menghisap udara.

Apabila permintaan untuk pengudaraan meningkat, otot inspirasi tambahan diaktifkan: otot sternocleidomastoid (musculi sternocleidomastoideiotot pectoral (musculi pectorales di bawah umur), otot bergigi anterior (musculi serrati anterioresotot trapezius (trapezia muskuliotot levator bilah bahu (musculi levatores scapulaeotot paralelogram utama dan kecil (musculi rhomboidei maiores et minoresdan otot serong (musculi bergabung).

Langkah seterusnya adalah menghembus nafas. Ia bermula apabila otot-otot inspirasi berehat di puncak penyedutan. Biasanya, ini adalah proses pasif, kerana daya yang dihasilkan oleh unsur elastik yang diregangkan dalam tisu paru-paru cukup untuk dada menurun dalam jumlah. Tekanan di alveoli meningkat di atas tekanan atmosfera dan perbezaan tekanan yang dihasilkan mengeluarkan udara ke luar.

Keadaannya sedikit berbeza ketika menghembus nafas dengan kuat. Kami menghadapinya ketika irama pernafasan lambat, ketika nafas memerlukan peningkatan daya tahan pernafasan, misalnya pada beberapa penyakit paru-paru, tetapi juga dalam aktiviti fonasi, terutama ketika menyanyi atau bermain alat angin. Motoneuron otot ekspirasi dirangsang, yang merangkumi: otot interkostal dalaman (musculi intercostales internidan otot dinding perut anterior, terutamanya abdominal rektus (musculi recti abdominis).

Kadar respirasi

Kadar pernafasan sangat berubah-ubah dan bergantung kepada pelbagai faktor. Orang dewasa yang sedang berehat mesti bernafas 7-20 kali seminit. Faktor-faktor yang menyebabkan peningkatan kadar pernafasan, yang secara teknis dikenal sebagai tachypnoea, termasuk senaman, keadaan paru-paru, dan gangguan pernafasan ekstrapulmonari. Sebaliknya, bradypnoea, iaitu penurunan jumlah nafas yang ketara, mungkin disebabkan oleh penyakit neurologi atau kesan sampingan ubat narkotik. Kanak-kanak berbeza dengan orang dewasa dalam hal ini: semakin kecil balita, semakin tinggi kadar pernafasan fisiologi.

Isipadu dan kapasiti paru-paru

• TLC (jumlah kapasiti paru-paru) - isipadu yang ada di paru-paru setelah nafas terdalam
• IC - kapasiti inspirasi - ditarik ke paru-paru semasa penyedutan terdalam setelah pernafasan yang tenang
• IRV (jumlah simpanan inspirasi) - jumlah simpanan inspirasi - ditarik ke paru-paru semasa penyedutan maksimum dilakukan di bahagian atas inspirasi percuma
• TV (volume pasang surut) - kelantangan pasang surut - dihirup dan dihembuskan semasa menghirup dan menghembus nafas secara bebas
• FRC - kapasiti sisa berfungsi - kekal di paru-paru setelah menghembus nafas perlahan
• ERV (jumlah simpanan ekspirasi) - jumlah simpanan ekspirasi - dikeluarkan dari paru-paru semasa menghembus nafas maksimum selepas penyedutan percuma
• RV (residu volume) - residu volume - sentiasa berada di paru-paru semasa menghembus nafas maksimum
• VC (kapasiti vital) - kapasiti vital - dikeluarkan dari paru-paru setelah mendapat inspirasi maksimum pada jangka masa maksimum
• IVC (kapasiti vital inspirasi) - kapasiti vital yang dihirup - ditarik ke paru-paru setelah menghembus nafas paling dalam pada penyedutan maksimum; mungkin sedikit lebih besar daripada VC, kerana pada saat pernafasan maksimum diikuti dengan penyedutan maksimum, konduktor alveolar ditutup sebelum udara mengisi gelembung dikeluarkan

Dengan inspirasi percuma, jumlah pasang surut adalah 500 mL. Walau bagaimanapun, tidak semua kelantangan ini mencapai alveoli. Kira-kira 150 mL mengisi saluran pernafasan, yang tidak mempunyai syarat pertukaran gas antara udara dan darah, iaitu rongga hidung, faring, laring, trakea, bronkus dan bronkiol. Ini dipanggil ruang mati pernafasan anatomi. Selebihnya 350 mL dicampurkan dengan udara yang membentuk kapasiti fungsi sisa, dipanaskan dan tepu serentak dengan wap air. Di alveoli, sekali lagi, tidak semua udara menjadi gas. Di dinding kapilari beberapa folikel, tidak ada atau terlalu sedikit darah yang mengalir untuk menggunakan semua udara untuk pertukaran gas. Ini adalah ruang mati pernafasan fisiologi dan kecil pada orang yang sihat. Malangnya, ia boleh meningkat dengan ketara pada keadaan penyakit.

Purata kadar pernafasan pada waktu rehat adalah 16 per minit, dan isipadu pasang surut adalah 500 mL, menggandakan kedua nilai ini, kita mendapat ventilasi paru. Dari sinilah, kira-kira 8 liter udara disedut dan dihembuskan setiap minit. Semasa melakukan pernafasan yang cepat dan dalam, nilainya dapat meningkat dengan ketara, bahkan dari belasan hingga dua puluh kali.

Semua parameter rumit ini: kapasiti dan jumlah diperkenalkan bukan hanya untuk membingungkan kita, tetapi memiliki aplikasi yang signifikan dalam diagnosis penyakit paru-paru. Terdapat ujian - spirometri, yang mengukur: VC, FEV1, FEV1 / VC, FVC, IC, TV, ERV dan IRV. Penting untuk diagnosis dan pemantauan penyakit seperti asma dan COPD.

Penyebaran gas antara udara dan darah alveolar

Alveoli adalah struktur asas yang membentuk paru-paru. Terdapat kira-kira 300-500 juta daripadanya, masing-masing dengan diameter 0.15 hingga 0.6 mm, dan luas keseluruhannya adalah dari 50 hingga 90 m².

Dinding folikel dibina oleh epitel lapisan tunggal yang nipis, rata. Sebagai tambahan kepada sel yang membentuk epitel, folikel mengandungi dua jenis sel lain: makrofag (sel usus) dan juga sel folikel jenis II yang menghasilkan surfaktan. Ini adalah campuran protein, fosfolipid dan karbohidrat yang dihasilkan dari asid lemak darah. Surfaktan, dengan mengurangkan ketegangan permukaan, mencegah alveoli melekat bersama dan mengurangkan daya yang diperlukan untuk meregangkan paru-paru. Dari luar, gelembung ditutup dengan rangkaian kapilari. Kapilari masuk ke alveoli membawa darah yang kaya dengan karbon dioksida, air, tetapi dengan sedikit oksigen. Sebaliknya, di udara alveolar, tekanan separa oksigen tinggi dan karbon dioksida rendah. Penyebaran gas mengikuti kecerunan tekanan molekul gas, sehingga eritrosit kapilari menangkap oksigen dari udara dan menyingkirkan karbon dioksida. Zarah-zarah gas mesti melalui dinding alveolar dan dinding kapilari, dan lebih tepat melalui: lapisan cecair yang meliputi permukaan alveolar, epitelium alveolar, membran bawah tanah, dan endotel kapilari.

Pengangkutan gas melalui darah

• pengangkutan oksigen

Pertama, oksigen larut secara fizikal dalam plasma, tetapi kemudian ia menyebar melalui sampul ke sel darah merah, di mana ia mengikat dengan hemoglobin untuk membentuk oxyhemoglobin (hemoglobin beroksigen). Hemoglobin memainkan peranan yang sangat penting dalam pengangkutan oksigen, kerana setiap molekulnya bergabung dengan 4 molekul oksigen, sehingga meningkatkan kemampuan darah untuk mengangkut oksigen hingga 70 kali. Jumlah oksigen yang diangkut terlarut dalam plasma sangat kecil sehingga tidak berkaitan dengan pernafasan. Berkat sistem peredaran darah, darah yang tepu dengan oksigen menjangkau setiap sel badan.

• pengangkutan karbon dioksida

Karbon dioksida dari tisu memasuki kapilari dan diangkut ke paru-paru:

• kira-kira 6% dilarutkan secara fizikal dalam plasma dan sitoplasma eritrosit
• kira-kira 6% terikat kepada kumpulan amino protein protein dan hemoglobin bebas (sebagai karbamat)
• majoriti, iaitu sekitar 88%, sebagai ion HCO3 - terikat oleh sistem penyangga bikarbonat plasma dan eritrosit

Penyebaran gas antara darah dan sel

Sekali lagi, molekul gas di dalam tisu melepasi kecerunan tekanan: oksigen yang dikeluarkan dari hemoglobin meresap ke tisu, sementara karbon dioksida menyebar ke arah yang berlawanan - dari sel ke plasma. Oleh kerana perbezaan permintaan oksigen dari tisu yang berlainan, terdapat juga perbezaan ketegangan oksigen. Pada tisu dengan metabolisme intensif, ketegangan oksigen rendah, sehingga mereka mengambil lebih banyak oksigen, sementara darah vena yang mengalir mengandung lebih sedikit oksigen dan lebih banyak karbon dioksida. Perbezaan arteriovenous dalam kandungan oksigen adalah parameter yang menentukan tahap penggunaan oksigen oleh tisu. Setiap tisu dibekalkan dengan darah arteri dengan kandungan oksigen yang sama, sementara darah vena mungkin mengandungi lebih kurang.

Pernafasan dalaman

Nafas pada tahap sel adalah proses biokimia bertingkat yang melibatkan pengoksidaan sebatian organik di mana tenaga berguna secara biologi dihasilkan. Ini adalah proses asas yang berlaku walaupun proses metabolik lain dihentikan (proses alternatif anaerob tidak cekap dan kepentingannya terhad).

Peranan utamanya dimainkan oleh mitokondria - organel selular, yang menerima molekul oksigen yang meresap di dalam sel. Pada membran luar mitokondria terdapat semua enzim Kitaran Krebs (atau kitaran asid tricarboxylic), sementara pada membran dalam terdapat enzim rantai pernafasan.

Dalam kitaran Krebs, metabolit gula, protein dan lemak dioksidakan menjadi karbon dioksida dan air dengan pembebasan atom hidrogen bebas atau elektron bebas. Lebih jauh dalam rantai pernafasan - tahap terakhir pernafasan intraselular - dengan memindahkan elektron dan proton ke penghantar berikutnya, sebatian fosforus tenaga tinggi disintesis. Yang paling penting daripadanya adalah ATP, iaitu adenosine-5′-triphosphate, pembawa tenaga kimia sejagat yang digunakan dalam metabolisme sel. Ia dimakan oleh banyak enzim dalam proses seperti biosintesis, pergerakan dan pembelahan sel. Pemprosesan ATP pada organisma hidup berterusan dan dianggarkan bahawa setiap hari manusia menukar jumlah ATP yang setanding dengan berat badannya.

Peraturan pernafasan

Di bahagian teras yang panjang terdapat pusat pernafasan yang mengatur frekuensi dan kedalaman pernafasan. Ia terdiri daripada dua pusat dengan fungsi yang berlawanan, yang dibina oleh dua jenis neuron. Kedua-duanya terletak dalam formasi retikular. Di nukleus bersendirian dan di bahagian anterior saraf vagus posterior-ambigu adalah pusat inspirasi, yang menghantar impuls saraf ke saraf tunjang, ke neuron motor otot-otot inspirasi. Sebaliknya, di nukleus ambien saraf vagus dan di bahagian belakang saraf vagus posterior-ambigu, terdapat pusat pernafasan, yang merangsang neuron motorik otot ekspirasi.

Neuron pusat inspirasi menghantar impuls saraf voli beberapa kali seminit, yang mengalir ke cawangan yang turun ke neuron motor di saraf tunjang dan pada masa yang sama dengan cabang akson naik ke neuron pembentukan retikular jambatan. Terdapat pusat pneumotoksik yang menghalang pusat inspirasi selama 1-2 saat dan kemudian pusat inspirasi merangsang lagi. Kerana rangsangan dan penghambatan pusat inspirasi berturut-turut, irama nafas dapat dipastikan.
Pusat inspirasi diatur oleh impuls saraf yang timbul dalam:

• chemoreceptors glomerulus serviks dan aorta, yang bertindak balas terhadap peningkatan kepekatan karbon dioksida, kepekatan ion hidrogen atau penurunan kepekatan oksigen arteri yang ketara; impuls dari gumpalan aorta bergerak melalui saraf glossopharyngeal dan vagus. dan kesannya adalah untuk mempercepat dan memperdalam penyedutan
• interoreceptor tisu paru-paru dan proprioreceptor toraks;
• terdapat mekanik reseptor inflasi antara otot licin bronkus, mereka dirangsang oleh peregangan tisu paru-paru, yang mencetuskan pernafasan; kemudian mengurangkan peregangan tisu paru-paru semasa menghembus nafas, mengaktifkan reseptor mekanik lain, kali ini deflasi, yang mencetuskan inspirasi; Fenomena ini disebut refleks Hering-Breuer;
• Kedudukan inspirasi atau pernafasan dada menjengkelkan proprioreceptor masing-masing dan mengubah frekuensi dan kedalaman nafas: semakin dalam menghirup, semakin mendalam pernafasan mengikutinya;
• pusat otak atas: korteks, sistem limbik, pusat termoregulasi hipotalamus