Hệ hô hấp: cấu trúc và hoạt động

Hệ thống hô hấp của con người bao gồm đường hô hấp (trên và dưới) và phổi. Hệ hô hấp có nhiệm vụ trao đổi khí giữa sinh vật và môi trường. Hệ hô hấp được cấu tạo như thế nào và hoạt động ra sao?

Hệ thống hô hấp của con người được coi là thực hiện quá trình hô hấp - quá trình trao đổi khí, cụ thể là oxy và carbon dioxide, giữa cơ thể và môi trường. Mỗi tế bào trong cơ thể chúng ta cần oxy để hoạt động tốt và tạo ra năng lượng. Quá trình thở được chia thành:

• hô hấp bên ngoài - cung cấp oxy cho tế bào
• hô hấp bên trong - nội bào

Hô hấp bên ngoài xảy ra do sự đồng bộ của hệ thống hô hấp với các trung tâm thần kinh và được chia thành một số quá trình:

• thông khí phổi
• sự khuếch tán khí giữa không khí phế nang và máu
• vận chuyển khí qua máu
• sự khuếch tán khí giữa máu và tế bào

Để xem video này, vui lòng bật JavaScript và xem xét nâng cấp lên trình duyệt web hỗ trợ video HTML5

Cấu trúc của hệ hô hấp

Đường hô hấp bao gồm:

• đường hô hấp trên, tức là khoang mũi (cavum của chúng tôi) và cổ họng (yết hầu)
• đường hô hấp dưới: thanh quản (thanh quản), khí quản (khí quản), phế quản (phế quản) - phải và trái, được chia thành nhiều nhánh nhỏ hơn, và những nhánh nhỏ nhất trở thành tiểu phế quản (phế quản)

Phần cuối cùng của đường thở dẫn đến các phế nang (các phế nang). Không khí hít vào đi qua đường hô hấp được làm sạch bụi, vi khuẩn và các tạp chất nhỏ khác, được giữ ẩm và làm ấm. Mặt khác, cấu trúc của phế quản, thông qua sự kết hợp của các yếu tố sụn, đàn hồi và cơ trơn, cho phép bạn điều chỉnh đường kính của chúng. Cổ họng là nơi giao nhau của hệ thống hô hấp và tiêu hóa. Vì lý do này, khi nuốt, hơi thở sẽ ngừng lại và đường thở đóng lại qua nắp thanh quản.

• phổi - các cơ quan ghép nối nằm trong lồng ngực.

Về mặt giải phẫu và chức năng, phổi được chia thành các thùy (phổi bên trái thành hai thùy và bên phải thành ba thùy), các thùy lại được chia thành nhiều đoạn, phân thành các tiểu thùy và các tiểu thùy thành từng cụm.

Mỗi lá phổi được bao quanh bởi hai lớp mô liên kết - màng phổi đỉnh (màng phổi parietalis) và màng phổi phổi (màng phổi pulmonalis). Giữa chúng là khoang màng phổi (màng phổi cavum), và chất lỏng trong đó cho phép sự kết dính của phổi được bao phủ bởi màng phổi phổi với màng phổi đỉnh hợp nhất với thành trong của lồng ngực.Ở nơi phế quản đi vào phổi có các khoang phổi, trong đó ngoài phế quản còn có các động mạch và tĩnh mạch phổi.
Ngoài ra, các cơ vân của xương, hệ thống máu và tim mạch và các trung tâm thần kinh có liên quan đến quá trình thở phức tạp.

Thông khí phổi

Thực chất của thông gió là hút không khí trong khí quyển vào phế nang. Vì không khí luôn đi từ áp suất cao hơn đến áp suất thấp hơn, các nhóm cơ thích hợp tham gia vào mỗi lần hít vào và thở ra, tạo điều kiện cho chuyển động hút và tạo áp lực của lồng ngực.

Vào cuối quá trình thở ra, áp suất trong phế nang bằng với áp suất khí quyển, nhưng khi bạn hút không khí vào, cơ hoành co lại (hoành phi) và cơ liên sườn bên ngoài (musculi intercostales externi), nhờ đó thể tích của lồng ngực tăng lên và tạo ra một chân không hút không khí vào.

Khi nhu cầu thông khí tăng lên, các cơ hô hấp bổ sung được kích hoạt: cơ sternocleidomastoid (musculi sternocleidomastoidei), cơ ngực (cơ ngực nhỏ), cơ răng trước (musculi serrati anteriores), cơ hình thang (musculi trapezii), cơ đòn bẩy của xương bả vai (musculi levatores scapulae), cơ hình bình hành lớn hơn và nhỏ hơn (musculi rhomboidei maiores et minores) và cơ xiên (musculi hợp nhất).

Bước tiếp theo là thở ra. Nó bắt đầu khi các cơ truyền cảm hứng thư giãn ở đỉnh điểm của quá trình hít vào. Thông thường, đây là một quá trình thụ động, vì lực tạo ra bởi các phần tử đàn hồi kéo căng trong mô phổi đủ để lồng ngực giảm thể tích. Áp suất trong các phế nang tăng lên trên áp suất khí quyển và sự chênh lệch áp suất dẫn đến loại bỏ không khí ra bên ngoài.

Tình hình hơi khác khi thở ra mạnh. Chúng ta đang đối phó với nó khi nhịp thở chậm, khi thở ra cần khắc phục sự gia tăng sức cản của hô hấp, ví dụ như trong một số bệnh phổi, nhưng cũng trong hoạt động phát âm, đặc biệt là khi hát hoặc chơi nhạc cụ hơi. Các motoneurons của cơ thở ra được kích thích, bao gồm: cơ liên sườn bên trong (musculi intercostales interni) và các cơ của thành bụng trước, đặc biệt là vùng bụng trực tràng (musculi recti abdominis).

Tốc độ hô hấp

Tốc độ hô hấp rất thay đổi và phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Người lớn đang nghỉ ngơi nên thở 7-20 lần mỗi phút. Các yếu tố dẫn đến tăng nhịp thở, về mặt kỹ thuật được gọi là thở nhanh, bao gồm tập thể dục, tình trạng phổi và suy hô hấp ngoài phổi. Mặt khác, bradypnoea, tức là số lần thở giảm đáng kể, có thể do các bệnh thần kinh hoặc tác dụng phụ trung ương của thuốc gây mê. Trẻ em khác người lớn ở điểm này: trẻ càng nhỏ, nhịp hô hấp sinh lý càng cao.

Thể tích và dung tích phổi

• TLC (tổng dung tích phổi) - thể tích trong phổi sau nhịp thở sâu nhất
• IC - công suất thở - được kéo vào phổi trong quá trình hít vào sâu nhất sau khi thở ra bình tĩnh
• IRV (thể tích dự trữ truyền cảm hứng) - thể tích dự trữ truyền cảm hứng - được kéo vào phổi trong quá trình hít thở tối đa ở đỉnh cảm hứng tự do
• TV (thể tích thủy triều) - thể tích thủy triều - hít vào và thở ra trong khi hít vào và thở ra tự do
• FRC - khả năng tồn dư chức năng - vẫn còn trong phổi sau khi thở ra chậm
• ERV (thể tích dự trữ thở ra) - thể tích dự trữ thở ra - được loại bỏ khỏi phổi trong quá trình thở ra tối đa sau khi hít vào tự do
• RV (thể tích còn lại) - thể tích còn lại - luôn tồn tại trong phổi khi thở ra tối đa
• VC (dung tích sống) - dung tích sống - được loại bỏ khỏi phổi sau khi hít vào tối đa tại thời điểm thở ra tối đa
• IVC (dung tích quan trọng của cơ thể hít vào) - dung tích sống được hít vào - được kéo vào phổi sau khi thở ra sâu nhất ở mức hít vào tối đa; có thể cao hơn một chút so với VC vì khi thở ra tối đa sau khi hít vào tối đa, các dây dẫn phế nang đóng lại trước khi không khí lấp đầy bong bóng bị loại bỏ

Với cảm hứng tự do, thể tích thủy triều là 500 mL. Tuy nhiên, không phải tất cả thể tích này đều đến được phế nang. Khoảng 150 mL lấp đầy đường hô hấp, nơi không có điều kiện trao đổi khí giữa không khí và máu, tức là khoang mũi, hầu, thanh quản, khí quản, phế quản và tiểu phế quản. Đây được gọi là giải phẫu hô hấp không gian chết. 350 mL còn lại được trộn với không khí tạo thành dung tích chức năng còn lại, đồng thời được làm nóng và bão hòa với hơi nước. Trong phế nang không phải toàn bộ khí lại ở dạng khí. Trong mao mạch ở thành của một số phế nang không có máu hoặc lượng máu lưu thông không đủ để sử dụng hết không khí cho quá trình trao đổi khí. Đây là khoảng chết sinh lý về hô hấp và ít gặp ở người khỏe mạnh. Thật không may, nó có thể tăng lên đáng kể trong các trạng thái bệnh.

Tốc độ hô hấp trung bình khi nghỉ ngơi là 16 mỗi phút, và thể tích thủy triều là 500 mL, nhân hai giá trị này, ta được thông khí phổi. Từ đó, khoảng 8 lít không khí được hít vào và thở ra mỗi phút. Trong khi thở nhanh và sâu, giá trị có thể tăng lên đáng kể, thậm chí từ một chục đến hai mươi lần.

Tất cả những thông số phức tạp này: dung lượng và thể tích được giới thiệu không chỉ khiến chúng ta bối rối mà còn có một ứng dụng đáng kể trong chẩn đoán các bệnh phổi. Có một bài kiểm tra - đo phế dung, đo: VC, FEV1, FEV1 / VC, FVC, IC, TV, ERV và IRV. Nó rất cần thiết cho việc chẩn đoán và theo dõi các bệnh như hen suyễn và COPD.

Sự khuếch tán khí giữa không khí phế nang và máu

Các phế nang là cấu trúc cơ bản tạo nên phổi. Có khoảng 300-500 triệu con trong số chúng, mỗi con có đường kính từ 0,15 đến 0,6 mm, và tổng diện tích của chúng là từ 50 đến 90 m².

Thành của các nang được xây dựng bởi một biểu mô mỏng, phẳng, một lớp. Ngoài các tế bào tạo nên biểu mô, các nang chứa hai loại tế bào khác: đại thực bào (tế bào ruột) và các tế bào nang loại II sản xuất chất hoạt động bề mặt. Nó là một hỗn hợp của protein, phospholipid và carbohydrate được tạo ra từ các axit béo trong máu. Chất hoạt động bề mặt, bằng cách giảm sức căng bề mặt, ngăn không cho các phế nang dính vào nhau và giảm lực cần thiết để kéo căng phổi. Nhìn từ bên ngoài, các bong bóng được bao phủ bởi một mạng lưới mao mạch. Các mao mạch đi vào phế nang mang máu giàu carbon dioxide, nước, nhưng với một lượng nhỏ oxy. Ngược lại, trong không khí phế nang, áp suất riêng phần của ôxy cao và của khí cacbonic thấp. Sự khuếch tán khí tuân theo một gradient của áp suất hạt khí, vì vậy các hồng cầu mao mạch giữ oxy từ không khí và loại bỏ carbon dioxide. Các hạt khí phải đi qua thành phế nang và thành mao mạch, cụ thể là đi qua: lớp dịch phủ bề mặt phế nang, biểu mô phế nang, màng đáy, nội mô mao mạch.

Vận chuyển khí qua máu

• vận chuyển oxy

Đầu tiên, oxy hòa tan vật lý trong huyết tương, nhưng sau đó khuếch tán qua lớp vỏ vào các tế bào hồng cầu, nơi nó liên kết với hemoglobin để tạo thành oxyhemoglobin (hemoglobin được oxy hóa). Hemoglobin đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình vận chuyển oxy, vì mỗi phân tử của nó kết hợp với 4 phân tử oxy nên làm tăng khả năng vận chuyển oxy của máu lên 70 lần. Lượng oxy được vận chuyển hòa tan trong huyết tương quá nhỏ nên không liên quan đến quá trình hô hấp. Nhờ hệ thống tuần hoàn, máu bão hòa với oxy đến mọi tế bào của cơ thể.

• vận chuyển carbon dioxide

Carbon dioxide từ các mô đi vào mao mạch và được vận chuyển đến phổi:

• Khoảng 6% hòa tan vật lý trong huyết tương và trong tế bào chất của hồng cầu
• khoảng 6% liên kết với các nhóm amin tự do của protein huyết tương và hemoglobin (dưới dạng carbamat)
• phần lớn, tức là khoảng 88%, là ion HCO3 - được liên kết bởi hệ thống đệm bicarbonat của huyết tương và hồng cầu

Sự khuếch tán khí giữa máu và tế bào

Một lần nữa, các phân tử khí trong các mô lại truyền theo gradient áp suất: oxy giải phóng từ hemoglobin khuếch tán đến các mô, trong khi carbon dioxide khuếch tán theo hướng ngược lại - từ tế bào sang huyết tương. Do sự khác nhau về nhu cầu oxy của các mô khác nhau nên sức căng oxy cũng có sự khác biệt. Trong các mô có sự trao đổi chất mạnh, sức căng oxy thấp, vì vậy chúng tiêu thụ nhiều oxy hơn, trong khi máu tĩnh mạch thoát ra chứa ít oxy hơn và nhiều carbon dioxide hơn. Sự khác biệt trong động mạch về hàm lượng oxy là một thông số xác định mức độ tiêu thụ oxy của các mô. Mỗi mô được cung cấp máu động mạch với cùng hàm lượng oxy, trong khi máu tĩnh mạch có thể chứa nhiều hơn hoặc ít hơn.

Thở bên trong

Hít thở ở cấp độ tế bào là một quá trình sinh hóa đa tầng bao gồm quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ trong đó năng lượng sinh học có ích được tạo ra. Đây là một quá trình cơ bản xảy ra ngay cả khi các quá trình trao đổi chất khác bị dừng lại (các quá trình thay thế kỵ khí không hiệu quả và có tầm quan trọng hạn chế).

Vai trò quan trọng được thực hiện bởi ty thể - bào quan của tế bào, nhận các phân tử oxy khuếch tán bên trong tế bào. Trên màng ngoài của ti thể có tất cả các enzym của chu trình Krebs (hay chu trình của các axit tricacboxylic), còn ở màng trong có các enzym của chuỗi hô hấp.

Trong chu trình Krebs, các chất chuyển hóa của đường, protein và chất béo bị oxy hóa thành carbon dioxide và nước với sự giải phóng các nguyên tử hydro tự do hoặc các điện tử tự do. Xa hơn nữa trong chuỗi hô hấp - giai đoạn cuối cùng của quá trình hô hấp nội bào - bằng cách chuyển các electron và proton đến các dây chuyền tiếp theo, các hợp chất photpho năng lượng cao được tổng hợp. Quan trọng nhất trong số đó là ATP, tức là adenosine-5′-triphosphate, một chất mang năng lượng hóa học phổ quát được sử dụng trong quá trình trao đổi chất của tế bào. Nó được tiêu thụ bởi nhiều enzym trong các quá trình như sinh tổng hợp, di chuyển và phân chia tế bào. Quá trình xử lý ATP trong cơ thể sống diễn ra liên tục và người ta ước tính rằng mỗi ngày con người chuyển đổi lượng ATP tương đương với trọng lượng cơ thể của mình.

Điều hòa nhịp thở

Trong lõi mở rộng có một trung tâm thở điều chỉnh tần số và độ sâu của nhịp thở. Nó bao gồm hai trung tâm có chức năng trái ngược nhau, được xây dựng bởi hai loại tế bào thần kinh. Cả hai đều nằm trong hệ thống lưới. Trong nhân đơn độc và ở phần trước của dây thần kinh phế vị mơ hồ sau là trung tâm truyền cảm hứng, truyền các xung thần kinh đến tủy sống, đến các nơ-ron vận động của cơ hô hấp. Ngược lại, trong nhân mơ hồ của dây thần kinh phế vị và ở phần sau của dây thần kinh phế vị sau có trung tâm thở ra, kích thích các nơron vận động của cơ thở ra.

Các tế bào thần kinh của trung tâm cảm hứng gửi một loạt các xung thần kinh nhiều lần trong một phút, các xung thần kinh này chạy dọc theo nhánh đi xuống các tế bào thần kinh vận động trong tủy sống và cùng lúc với các nhánh sợi trục đi lên các tế bào thần kinh của sự hình thành lưới của cầu. Có trung tâm tràn khí ức chế trung tâm hô hấp trong 1-2 giây rồi lại kích thích trung tâm hô hấp. Nhờ các giai đoạn kích thích và ức chế liên tiếp của trung tâm hô hấp, nhịp thở được đảm bảo.
Trung tâm hô hấp được điều chỉnh bởi các xung thần kinh phát sinh trong:

• các thụ thể hóa học cầu thận cổ tử cung và động mạch chủ, đáp ứng với sự gia tăng nồng độ carbon dioxide, nồng độ các ion hydro hoặc giảm đáng kể nồng độ oxy trong động mạch; xung động từ các khối động mạch chủ đi qua các dây thần kinh hầu họng và phế vị. và tác dụng là đẩy nhanh và làm sâu các nhịp hít vào
• các thụ thể tương tác mô phổi và thụ thể lồng ngực;
• giữa các cơ trơn phế quản có các cơ quan thụ cảm lạm phát, chúng bị kích thích bằng cách kéo căng nhu mô phổi, gây ra hiện tượng thở ra; sau đó giảm độ căng của mô phổi trong quá trình thở ra, kích hoạt các cơ quan thụ cảm cơ học khác, lần này là giảm phát, kích hoạt cảm hứng; Hiện tượng này được gọi là phản xạ Hering-Breuer;
• Vị trí thở ra hoặc thở ra của lồng ngực kích thích các cơ quan thụ cảm tương ứng và điều chỉnh tần số và độ sâu của hơi thở: hít vào càng sâu, thở ra càng sâu;
• trung tâm của các cấp trên của não: vỏ não, hệ limbic, trung tâm điều nhiệt ở vùng dưới đồi