Текст книги "Я познаю мир. Тайны человека"

Автор книги: Б. Сергеев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 17 страниц)

«Форточка» и насос нашего организма

Удивительная новость

Такие выражения, как легкое дыхание, тяжелое дыхание, нередко встречаются в нашей жизни. Слово дыхание входит в состав ряда терминов. Такие словосочетания, как частота дыхания, глубина дыхания, дыхательные движения, дыхательные мышцы, дыхательные органы вы найдете в своем школьном учебнике и в любой научной книге, где речь идет о дыхании. Между тем то, что мы по–русски и на всех европейских языках называем дыханием, на самом деле является начальным процессом транспортировки кислорода, необходимого клеткам нашего тела, и конечным этапом удаления из организма углекислого газа. А дыхание – это процесс окисления в клетках тела живого организма специально предназначенных для этого веществ и внутриклеточное высвобождение энергии, которая расходуется на нужды организма.

Наиболее знакомый нам вид окисления – это горение. В процессе горения кислород присоединяется к горючему веществу, то есть окисляет его. При этом выделяется тепловая энергия. Нечто похожее происходит и в клетках нашего тела, и там тоже выделяется тепловая энергия. Благодаря этому теплокровные животные – птицы, млекопитающие, а также человек способны поддерживать температуру своего тела на постоянном уровне, серьезно превышающие температуру окружающей среды.

Нет ничего удивительного в том, что с понятием о дыхании возникла такая неразбериха. Слово дыхание появилось в языках европейских народов несколько тысячелетий назад, а первое научное преставление о дыхании – не больше 150 лет. Теперь уже слишком поздно менять значение этого слова, да это делать и не нужно.

Говорят, например, что квашня – забродившее тесто – задышала, что дышит топкое болото. Ученые понимают, какой смысл в каждом конкретном случае вкладывается в слово дыхание. В научных же трудах настоящее дыхание называют тканевым, а транспортировку воздуха в легкие и все, что в них происходит, – внешним дыханием. Будем и здесь придерживаться этих понятий.

Сортировка

Как известно, дыхательные органы состоят из системы трубок, небольших полостей и особых парных органов – легких.

Дыхательная система начинается носовыми проходами, открывающимися в глотку, и с помощью гортани, соединяющейся с трахеей – трубкой, образованной хрящевыми полукольцами. В своей нижней части она делится на два бронха для правого и левого легкого. Эти крупные бронхи, войдя в легкие, делятся на более мелкие, а те, в свою очередь, еще на меньшие. Самые мелкие – бронхиолы – имеют микроскопические размеры и похожи на грозди винограда, так как облеплены такими же микроскопическими пузырьками – легочными альвеолами. При вдохе воздух, поступающий через нос по системе все уменьшающихся трубочек, добирается до бронхиол, заполняет легочные альвеолы, а при выходе выдавливается из альвеол и по той же системе, что поступил в легкие, выводится из организма.

Легочные альвеолы густо оплетены кровеносными капиллярами – микроскопически тонкими сосудиками. Стенки альвеол и стенки капилляров такие тоненькие, что кислород из воздуха легочных альвеол практические мгновенно переходит в кровь, а углекислый газ из крови переходит в воздух, заполняющий альвеолы. Выясним, почему это происходит. Почему в кровь переходит именно кислород, а не азот, которого в воздухе в четыре раза больше, чем кислорода? Почему углекислый газ из крови переходит в воздух альвеол, а не наоборот, ведь он входит и в состав атмосферного воздуха?

Все, наверное, видели, как расплывается в воде цветная капля чернил, а в воздухе – облачко табачного дыма. Как ни малы частички краски или дыма, ведь мы их по отдельности не видим, все–таки они достаточно крупные, значительно крупнее молекул газов или воды. Им трудно расталкивать молекулы воздуха. Вот почему облачко дыма расширяется медленно. Если мы выпустим в воздух облачко водорода, озона, гелия или другого газа, к сожалению, мы его простым глазом не увидим, такое облачко расширилось бы очень быстро и в конце концов исчезло, растворившись в воздухе. Этот самопроизвольный процесс проникновения друг в друга соприкасающихся между собою газов, жидкостей и твердых тел называется диффузией.

Теперь давайте вернемся в легкие. При вдохе легочные альвеолы наполняются воздухом, в котором много кислорода, а по оплетающим их капиллярам течет кровь, в которой кислорода почти не осталось. Поэтому молекулы кислорода, беспорядочно двигаясь, легко, в .больших количествах и в тысячи раз чаще переходят в кровь, чем возвращаются оттуда в воздух альвеол, и этот процесс происходит до тех пор, пока кровь полностью им не насытится.

А почему вслед за кислородом в кровь не устремляются другие газы? Дело в том, что с первым вдохом новорожденного ребенка его кровь насыщается не только кислородом, но и азотом, и хотя в легких огромное число молекул этого газа, но и в крови их достаточно, и поэтому они постоянно переходят из воздуха в кровь и обратно, но переходят примерно в одинаковых количествах.

Углекислый газ ведет себя иначе. Его в крови значительно больше, чем в воздухе альвеол, поэтому сюда его молекулы переходят в больших количествах, но очень скоро количество молекул углекислого газа в крови уменьшается, и число его молекул, переходящих в альвеолы, уравнивается с количеством молекул, переходящих из воздуха в кровь. А в тканях тела происходит обратный процесс. Кровь, которая добралась до тонюсеньких капилляров, содержит много кислорода, а в окружающих их тканях кислорода практически нет. Вот почему он туда выталкивается. Зато углекислого газа, который беспрерывно образуется в тканях тела в процессе их жизнедеятельности, гораздо больше, чем в крови, вот почему он переходит в кровь.

Итак, кто же занимается в альвеолах легких сортировкой молекул газов воздуха и выбирает из них молекулы кислорода для перехода их в кровь? Кто выбирает из газов, растворенных в крови, молекулы кислорода и заставляет их переходить в окружающие ткани?

Ответ ясен: никто. Этот процесс согласно законам физики осуществляется благодаря диффузии полностью автоматически.

В пустоте

Для того чтобы воздух поступал в легкие и заполнял альвеолы, а потом удалялся из них, нужен насос. И такой насос действительно существует. Присмотритесь к человеку, пробежавшему стометровку. У него вздымается грудь, работают мышцы живота. Это детали легочного насоса. Он имеет два рабочих элемента. Главным элементом этого насоса является диафрагма, большая плоская мышца, которая делит полость человеческого тела на две самостоятельные полости, отделяя органы грудной клетки от органов живота. Поэтому ее называют еще грудобрюшной преградой. В спокойном состоянии она имеет куполообразную форму вершиной вверх, а когда напрягается, становится плоской и оттесняет вниз органы живота. При этом объем грудной полости увеличивается.

Второй рабочий элемент легочного насоса – межрёберные мышцы. Напрягаясь, они подтягивают ребра вверх, что тоже приводит к небольшому увеличению объема грудной полости. Кажется, с насосом все ясно, но не спешите так думать. Здесь есть удивительный секрет.

По существу, грудная полость разделена на три самостоятельных отдела. В одном находится сердце, в каждом из остальных двух – по лёгкому. Если мы заглянем в полость, где находится легкое, то увидим, что ее стенки внутри выстланы гладкой, постоянно влажной, а поэтому скользкой оболочкой. Точно такой же оболочкой покрыто легкое. Эта оболочка названа греческим словом «плевра», означающим «стенка», а полость, в которой находится легкое, – плевральной полостью. В ней всегда поддерживается пониженное давление, пониженное по отношению к наружному воздуху.

Легкое заполняет всю отведенную ему полость, но нигде и ничем не соединено с его стенками ни с ребрами, ни с грудобрюшной преградой. Что же заставляет легкое расширяться при вдохе и изгонять находящийся в нем воздух при выдохе?

Секрет легочного насоса заключается в том, что каждая из полостей, где находятся легкие, полностью изолирована от внешнего мира. Ни с самим легким, ни с наружной средой они не сообщаются. Поэтому, когда диафрагма опускается, а межреберные мышцы поднимают ребра, легочные полости увеличиваются, и легкое оказывается висящим в пустоте, в безвоздушном пространстве, точнее, в полости, давление газов в котором резко понижено. В самом же легком, как и снаружи, воздух находится под определенным давлением. Оно возникает оттого, что воздух имеет определенный вес: 1 литр воздуха весит всего 1,3 грамма. Немного! Но слой воздуха над поверхностью Земли поднимается на много километров. Этот многокилометровый слой газов воздуха давит на каждый квадратный сантиметр поверхности нашего тела с силой в 1 килограмм. Приличная сила, но мы с вами этого давления не ощущаем, так как оно действует на тело равномерно с разных сторон, и под таким же давлением находятся жидкости в клетках нашего организма. Благодаря этой силе воздух и врывается, заталкивается в легкие, добирается до крошечных альвеол, заполняет их и растягивает их стенки, примерно так же, как мы надуваем резиновый воздушный шарик.

При выдохе происходит обратный процесс: ребра опускаются, диафрагма расслабляется, а мышцы живота возвращают оттесненные диафрагмой органы брюшной полости в обычное положение, и объем плевральных полостей, где находятся легкие, уменьшается. Пониженное давление в них несколько выравнивается, эластичные стенки легочных альвеол сжимаются, выталкивая находящийся там воздух, а стенки полостей слегка сдавливают легкие, помогая быстрее выдавить из них воздух. К сожалению, полностью удалить воздух не удается.

Об этом механизме дыхания следует помнить и при несчастных случаях уметь оказать пострадавшему первую помощь. Иногда дыхание у человека может нарушиться, несмотря на то, что сам легочный насос, казалось бы, работает исправно и само легкое находится в отличной форме. Представьте себе такую картину: человек налетел на какой–то острый предмет, который впился в его грудную клетку и пропорол кожу и мышцу. Предмет вошел в тело неглубоко, его легко удалили, кровотечение оказалось несерьезным и было быстро остановлено, мышцы грудной клетки и диафрагма продолжают нормально работать, а человек неизвестно почему начинает задыхаться. Догадались, почему? Оказывается, небольшая и не очень серьезная рана полностью нарушила работу легочного насоса одного из легких. Если полость, где находится легкое, получила сообщение с внешним миром, то при ее расширении в ней не происходит уменьшения давления, так как воздух легко проникает через рану, и теперь ничто не заставляет его врываться в легкие через трахею и заполнять альвеолы.

При оказании пострадавшему первой помощи в этом случае необходимо попытаться прекратить движение воздуха через рану, проникновение его в плевральную полость при вдохе и выдавливание из нее наружу при выдохе. Для этого на рану накладывают не совсем обычную повязку. Для нее необходимо иметь кусочек клеенки, полиэтиленовый пакет или другой материал, не пропускающий воздух. Рану накрывают чистой тканью, а поверх кладут клеенку и крепко ее прибинтовывают. Такая повязка вряд ли полностью восстановит изоляцию легочной полости. При вдохе через рану воздух будет туда засасываться, а при выдохе удаляться из нее наружу, но если повязка уменьшит количество проникающего в легочную полость воздуха, то работа легочного насоса частично восстановится. Конечно, срочная медицинская помощь все равно будет необходима. Ну а если дыхание восстановить не удается, нужно поддерживать жизнь пострадавшего искусственным дыханием рот в рот.

Четверорукий растяпа

– Почему в легких кислород вступает в связь с гемоглобином, а в тканях тела эта связь нарушается? – задал я вопрос шестикласснице Марине.

Маринка задумалась, но на другой день она явилась ко мне с рисунком. На нем был изображен небольшой, пузатый" одетый в красные штаны и красную рубашку уродец с коротенькими ножками и с четырьмя длинными растопыренными руками. В каждой из них он своими короткими толстыми пальцами удерживал по большому шарику. Масса таких же шариков кружилась в воздухе вокруг человечка.

– Это, – Маринка ткнула пальчиком в живот уродцу, – молекула гемоглобина. А эти шарики – молекулы кислорода. В легких молекул кислорода много. Человечек своими длинными руками может дотянуться до любой из них и схватить ее. Но разве такими коротенькими пальцами их удержишь? – Маринка показала мне по очереди все четыре руки своего человечка.

– Растяпа–гемоглобин, – девочка продолжала развивать начатую тему, – постоянно теряет кислородные молекулы, но здесь в легких их так много, что ему не составляет никакого труда сразу же схватить новую. Другое дело – в тканях тела. Там молекул кислорода мало. Когда растяпа в очередной раз теряет здесь одну из них, найти и схватить взамен ей новую ему удается редко.

Девочка закончила свой рассказ и теперь смотрела на меня с видом победительницы.

– Ну как, я правильно объяснила?

Я вынужден был признать, что ее аллегория довольно верно отображает процессы поглощения кислорода гемоглобином в легких и последующую его передачу тканям тела. К тому, что придумала Маринка, я мог бы только добавить, что при недостатке кислорода в тканях тела там образуются вещества, которые, переходя в кровь, действуют на гемоглобин, как вино. Растяпа пьянеет, становится еще растяпистее, у него нарушается координация движений, поэтому он теряет способность удерживать молекулы кислорода.

Если перейти на более строгий язык, это явление объясняется тем, что сродство гемоглобина с кислородом, то есть его способность вступать с кислородом в прочную связь, существенно снижается, и молекулы кислорода теряют с ним связь, обретая самостоятельность.

Насос

Сердце – это мышечный насос. Мышечный потому, что стенки его состоят из мышечной ткани. Размером оно с кулак взрослого человека и весит от 180 до 300 граммов, причем у женщин сердце, как правило, меньше, чем у мужчин. По своему устройству это полый орган, разделенный на.четыре попарно сгруппированных полости. Две из них названы правым и левым предсердиями.

Именно в них поступает кровь. В левое предсердие сливается кровь, пропущенная через легкие и обогащенная кислородом. В правое предсердие поступает кровь, вернувшаяся из остальных частей тела, отдавшая по пути все свои запасы кислорода и вобравшая в себя максимум углекислого газа.

Каждое из предсердий через специально предназначенное для этого отверстие соединяется с одноименным желудочком. Эти отверстия снабжены клапанами, которые позволяют крови течь лишь в одном направлении из предсердий в желудочки. Правый клапан – трехстворчатый, а левый – двухстворчатый. Он назван полулунным, так как состоит из двух створок, в расслабленном состоянии имеющих форму месяца.

Рабочий цикл нашего живого насоса начинается со сжатия (систолы) предсердий, при этом кровь проталкивается в желудочки через открывшиеся под ее напором клапаны. Когда кровь наполнит желудочки, они сокращаются. При этом кровь открывает клапаны в артерии и нагнетается в них. Вслед за сокращением мышц, окружающих внутрисердечные камеры, возникает их расслабление, сначала предсердий, а затем желудочков. Как только мышцы предсердий расслабятся, начинается их заполнение кровью, которая поступает из соответствующих вен. После короткого отдыха наполнившиеся кровью предсердия сокращаются. Начинается очередной сердечный цикл.

У человека на осуществление полного сердечного цикла требуется меньше секунды. За минуту в покое сердце совершает в среднем 75 сокращений, то есть осуществляется 75 сердечных циклов. Частота сердечных сокращений зависит от размера животного и от того, находится оно в покое или занято физически тяжелой деятельностью. Чем крупнее животное, тем медленнее бьется его сердце: у китов оно совершает 15–16 сокращений в 1 минуту, у слонов 22–28, у льва – 40, а у человека 60–80, и каждый раз выбрасывает 70–80 миллилитров крови. За минуту живой насос человека перекачивает 5,5 литров крови, а при сильных нагрузках частота сердечных сокращений увеличивается до 100–130 сокращений в минуту, и за это время оно перекачивает до 11–15 литров крови. Это 6–10 тонн крови в сутки и не меньше 150 000–250 000 тонн за человеческую жизнь.

Такая напряженная работа сердца человека далека от рекорда. У крохотной синички московки, весящей всего каких–то 8 граммов, сердце в сравнении с человеческим перекачивает совсем немного крови, зато сокращается со скоростью 1200 раз в минуту. Просто невероятно, ведь это 100–150 млн. сокращений за ее короткую семилетнюю жизнь.

Как же крохотное синичье сердечко справляется с такой колоссальной работой? Если детально разобраться в работе сердца, станет ясно, что ничего необычного в его напряженной работе нет. Несмотря на постоянную напряженность (1200 сокращений синичье сердце делает в покое, а это нешуточная работа!), оно умеет регулярно отдыхать и делает это не хуже человеческого сердца.

Давайте сравним, чье сердце отдыхает лучше, птичье или человечье. У человека предсердия тратят на каждое свое сокращение 0,11–0,14 секунды и после каждого сокращения отдыхает в течение 0,66 секунды, что составляет в сутки всего 3,5–4 часа работы и около 20 часов отдыха. Сокращение желудочков продолжается несколько дольше, около 0,27–0,35 секунды. Следовательно, в сутки желудочки сердца работают 8,5–10,5 и отдыхают 13,5–15,5 часов.

Сердце умудряется отдохнуть и у маленьких птичек. У них оно сокращается гораздо чаще, зато чаще и отдыхает. У синичек–лазоревок при частоте сердца 1000 раз в минуту время сокращения предсердий равняется 0,014 и последующего отдыха 0,046 секунды. Сокращение желудочков осуществляется за 0,024, а их отдых длится 0,036 секунды. Таким образом, предсердия работают всего 5 часов 40 минут и отдыхают 18 часов 20 минут, а работа желудочков длится 9 часов 36 минут и отдых – 14 часов 24 минуты. Ничуть не хуже, чему человека.

Чтобы справляться с такой колоссальной нагрузкой, какая выпала на долю сердца, одного отдыха мало. Нужно еще хорошо питаться и получать достаточно кислорода. Поэтому у высших животных и человека сердце имеет очень мощную кровеносную систему и наряду с мозгом снабжается всем необходимым, причем снабжается в первоочередном порядке, частенько даже в ущерб другим важным органам нашего тела.

Кто его заставляет?

Сердце работает всю нашу жизнь, сокращение за сокращением, днем и ночью, в жару и мороз. Работает без отпусков, без перерывов па обед, не приостанавливая свою деятельность ни на минуту. В крохотном комочке клеток у 29–часового зародыша цыпленка уже что–то пульсирует, уже гонит куда–то жидкость, которую кровью считать еще нельзя. Кто заставляет сердце сокращаться? Кто приказал сердцу куриного эмбриона начать работу? У него ведь еще нет даже и намека па мозг, который позже берет бразды правления над организмом.

Оказывается, даже у взрослых животных сердце хотя и подчиняется командам мозга об изменении характера работы, замедляя, или, наоборот, ускоряя свой ритм, но может вполне обходиться и без них. Говоря фигурально, наше сердце работает по собственной инициативе, особенность, которую мы как–то не ценим.

Сердце такой труженик, что просто не может не работать. Волокна сердечной мышцы, как и клетки любого органа или ткани, можно выращивать в искусственных условиях на специальных питательных средах. При этом волокна сердечной мышцы эмбриона, даже находясь в пробирке, ритмически сокращаются, не ожидая ничьих указаний, и просто не в состоянии жить, не сокращаясь. Так же будет себя вести и взрослое сердце животного, вынутое из грудной клетки и лишенное всех связей с нервной системой.

Без верховного командования слаженной работы все же идти не может. Если бы каждое мышечное волокно сокращалось, когда ему заблагорассудится, общее сокращение могло бы произойти лишь случайно. Так в действительности и бывает в самые ранние периоды жизни зародышей, пока у них еще не сформировался командный пункт. Пока этого не произойдет, у крысиного эмбриона отдельные участки сердца сокращаются независимо друг от друга. У человека командный пункт находится в правом предсердии, недалеко от впадения в него вены. Он состоит из специализированных мышечных клеток, обладающих способностью работать автоматически. Они и задают ритм работе сердца, заставляют мышцы предсердий сокращаться и передавать свое возбуждение вторичному узлу, находящемуся в межпредсердной перегородке. От него возбуждение бежит по двум пучкам особых мышечных волокон, вызывая сокращения мышц желудочков. Благодаря большой скорости распространения возбуждения, которая достигает 5 сантиметров в секунду, все мышечные волокна желудочков сокращаются практически одновременно.

Не следует думать, что ритмоводители сердца работают как им Бог на душу положит. Они постоянно меняют свой ритм в соответствии с нагрузкой, с растяжением мышечных стенок сердца поступающей туда кровью, при изменении температуры крови.

Когда она повышается, а это означает, что организм включился в какую–то работу и обмен веществ усилился, сердечный ритм возрастает, чтобы обеспечить всем необходимым работающие мышцы. При снижении температуры крови частота сердечного ритма уменьшается.

Хотя сердце способно так регулировать свою работу, чтобы полностью обеспечивать потребности организма, оно охотно подчиняется командам нервных центров продолговатого и спинного мозга, поступающим по специальным нервам. Команды на ускорение и увеличение силы сердечных сокращений передают одни нервы, а о снижении частоты и силы сердечных сокращений – другие. Сердцу могут поступать и химические команды. Одни вещества тормозят работу сердца, другие ее усиливают. Эти вещества давно используются в медицинской практике, позволяя нормализовать нарушенную работу сердца.