Регуляция дыхания

Регуляция дыхания поддерживает постоянство газового состава крови: организм получает необходимое количество кислорода и удаляет углекислый газ. Частота и глубина дыхательных движений изменяются благодаря совместной работе нервных импульсов и химических сигналов крови.

Значение регуляции дыхания

Дыхание должно соответствовать потребностям организма. В покое мышцы получают сравнительно мало кислорода, поэтому дыхание спокойное. При физической нагрузке клетки интенсивнее расходуют кислород и образуют больше углекислого газа. Дыхание становится более частым и глубоким, увеличивается вентиляция лёгких.

Главная задача регуляции — сохранить относительно постоянный состав внутренней среды. Особенно важна концентрация углекислого газа. Его избыток приводит к образованию угольной кислоты, снижает pH крови и возбуждает дыхательный центр. Недостаток кислорода также способен усиливать дыхание, но в обычных условиях ведущим сигналом считается повышение содержания углекислого газа и связанное с ним изменение кислотности.

Нервная регуляция дыхания

Дыхательные движения имеют автоматический характер: человек обычно не думает о каждом вдохе и выдохе. Ритмическая активность возникает в нейронах дыхательного центра. Импульсы от него по двигательным нервам поступают к дыхательным мышцам — диафрагме и наружным межрёберным мышцам. Их сокращение вызывает вдох. Затем импульсы прекращаются, мышцы расслабляются, и при спокойном дыхании происходит пассивный выдох. Подробное строение и последовательность этих движений разобраны на странице дыхательные движения.

Работа дыхательного центра зависит от сигналов рецепторов. Хеморецепторы воспринимают изменение содержания углекислого газа, кислорода и кислотности крови. Центральные хеморецепторы находятся в области продолговатого мозга и особенно чувствительны к изменениям, связанным с углекислым газом. Периферические хеморецепторы расположены в стенках дуги аорты и сонных артерий; они реагируют также на заметное снижение содержания кислорода.

В дыхательный центр поступают и механические сигналы от рецепторов растяжения лёгких. При чрезмерном растяжении лёгочной ткани они тормозят вдох и защищают лёгкие от перерастяжения. Сигналы могут приходить также от рецепторов дыхательных мышц, суставов и кожи. Поэтому начало физической работы, изменение температуры или боль способны быстро изменить дыхание.

На дыхание влияют высшие отделы мозга. Кора больших полушарий позволяет временно произвольно задерживать дыхание, менять его глубину, говорить и петь. Однако произвольный контроль ограничен: при значительном накоплении углекислого газа автоматические сигналы снова возбуждают дыхательный центр. Эмоции, страх и стресс изменяют дыхание через структуры мозга и вегетативную нервную систему.

Гуморальная регуляция

Гуморальная регуляция осуществляется веществами, которые переносятся кровью. Для дыхания особенно важны углекислый газ, кислород и ионы водорода, связанные с кислотностью крови. Увеличение концентрации углекислого газа вызывает усиление работы дыхательного центра. Это приводит к увеличению минутного объёма дыхания и ускоренному выведению углекислого газа.

Здесь \(V_{мин}\) — минутный объём дыхания, \(V_{д}\) — дыхательный объём, то есть объём воздуха за один спокойный вдох или выдох, а \(f\) — частота дыхания за минуту. Значит, минутная вентиляция может увеличиться за счёт учащения дыхания, углубления дыхания или одновременного изменения обоих показателей.

При физической нагрузке сначала дыхание усиливается не только из-за изменения состава крови. Движение конечностей и работа мышц активируют рецепторы, а сигналы от них заранее возбуждают дыхательный центр. Затем к нервному механизму присоединяется гуморальный: в крови возрастает образование углекислого газа и кислотных продуктов обмена.

Как формируется ответ организма

Регуляцию можно представить как цепь: изменение состава крови — восприятие сигнала рецепторами — передача информации в дыхательный центр — импульсы к дыхательным мышцам — изменение вентиляции лёгких — восстановление состава крови. Это пример отрицательной обратной связи: результат действия уменьшает причину, которая его вызвала.

Связь с газообменом и кровообращением

Регуляция дыхания связана с дыхательной системой и малым кругом кровообращения. В альвеолах кислород переходит в кровь, а углекислый газ — из крови в воздух. Затем кровь доставляет газы к тканям через капилляры. Если вентиляция лёгких или кровоток нарушены, обычная обратная связь может оказаться недостаточной.

При вдохе в лёгкие поступает свежий воздух, а при выдохе удаляется воздух с повышенным содержанием углекислого газа. Поэтому глубина дыхания важна не меньше частоты: слишком частое поверхностное дыхание может хуже обновлять воздух в альвеолах, чем более редкое, но глубокое.