Как происходит у человека вдох и выдох: Механизм вдоха и выдоха

Вдох-выдох

Наша дыхательная система — эволюционный шедевр: один из самых эффективных способов доставить воздух в организм, извлечь из него кислород и отдать обратно. Она позволяет нам расти большими, чему очень завидуют насекомые. Она тонко регулируется, подстраиваясь под состояние организма, самостоятельно очищается и защищается от разных напастей. А еще она устроена так, чтобы даже самые забывчивые из нас никогда не забывали дышать. Словом, чудо из чудес — и стоило бы получше заботиться о таком подарке природы. Но мы живем в городах, вдыхаем то, чего не следовало бы, и вообще толком не знаем, как с этой системой правильно обращаться.

Это продолжение проекта «Когда рассеется дым», посвященного концепции снижения вреда от табакокурения, никотину, этическим, биохимическим и антропологическим аспектам практик курения и многому другому. Проект подготовлен при поддержке аффилированных компаний «Филип Моррис Интернэшнл» в России.

Мнение авторов статей может не совпадать с позицией компании.

Социальные антропологи давно предупреждают: использовать для описания человеческого тела метафору машины не только не оригинально, но и опасно. Механистические описания органов и их систем были чем-то новым и могли удивить на заре эпохи Просвещения, но давно надоели и даже тормозят развитие медицины.

Но изобрести что-то новое сложно, а механицизм помогает, по крайней мере, усвоить азы анатомии и физиологии: сердце — насос, нервная система — проводка и центр управления, пищеварение — двигатель внутреннего сгорания, а дыхательная система — это система подачи окислителя. И пока философы борются с опасными концепциями, мы продолжаем их использовать — хотя бы потому, что к машинам бывают инструкции.

А кому не хочется получить инструкцию к собственному телу?

История изобретения

Наши легкие — часть системы подачи окислителя, очень современной и продвинутой. Первые ее варианты устроены проще и дают намного меньше возможностей.

Одноклеточные и простейшие организмы поглощают окислитель через всю поверхность тела за счет диффузии растворенного в воде кислорода. Это просто, но накладывает на организм ограничения.

Во-первых, проницаемые для окислителя мембраны нужно постоянно смачивать — а значит, жить можно только в воде. Во-вторых, диффузия не может перенести окислитель глубоко внутрь тела, поэтому тем, кто довольствуется этим вариантом подачи кислорода, сложно вырасти очень большими и сложными: все важное должно быть на поверхности.

Первое чудесное изобретение эволюции, которое позволило обойти эти ограничения, — это кровь. Она доставляет кислород к тканям и органам, расположенным в глубине тела. Из всех версий этого изобретения природы мы, млекопитающие, пользуемся передовой — кровью, в которой перенос кислорода осуществляется за счет дыхательного фермента на основе железа. Другая версия белка-транспортера, на медной основе, работает в крови моллюсков — например, крабов и осьминогов.

Но и тем, у кого, в отличие от одноклеточных и медуз, есть кровь, нужна большая поверхность контакта с внешней средой — разница только в том, что теперь поверхность должна сообщаться не со всеми тканями тела, а только с кровью. Рыбы решили эту проблему, отрастив тонкие пластинки, усеянные капиллярами — жабры. Сухопутные животные пошли дальше и спрятали обильно кровоснабжаемые поверхности внутри тела, защитив их от высыхания. Так появились легкие — уникальная система, позволяющая прекрасно жить вдали от воды.

Из последних эволюционных апгрейдов легких мы пользуемся:

• ячеистой структурой. Она многократно увеличивает площадь легких: до 100-140 м² у взрослого человека на глубоком вдохе. Это площадь хорошей трехкомнатной квартиры — для сравнения, кожа, которую традиционно называют самым большим органом, имеет площадь полутораспальной кровати.


• разветвленными бронхами. Легкие сообщаются с атмосферой через дыхательные пути, которые могут быть более или менее разветвленными — в зависимости от того, какая им доступна площадь. У змей, например, места мало, и ветвления бронхов нет — у некоторых из них весь газообмен вообще умещается в одном выросте трахеи. А у людей грудные клетки широкие, и бронхам есть где ветвиться.


• диафрагмой. Эта мышца есть у млекопитающих, и ни у кого больше. В отсутствие диафрагмы вдох получается за счет расслабления грудных мышц, а выдох — при их сжатии и сокращении объема грудной клетки. С диафрагмой все наоборот: мы сокращаем ее на вдохе и расслабляем на выдохе. Все животные, кроме млекопитающих, обходятся без диафрагмы, и у птиц дышать получается даже эффективнее. Но наличие диафрагмы дает некоторые преимущества, в частности, возможность эффективно очищать легкие за счет кашля (см. следующий пункт).


• протоколами очищения. Нежелательные вещества и частицы можно выгнать из легких. Для этого нужно создать в легких большое давление, на время закрыть выход, а потом резко отпустить — получится резкий и мощный выдох, который увлечет за собой все ненужное. Ключевую роль в этом играет диафрагма: она сокращается, объем грудной клетки увеличивается, происходит глубокий вдох. Затем гортанная щель закрывается, и голосовые связки перекрывают гортань. Затем диафрагма расслабляется, а вспомогательные мышцы сокращаются, усиливая выдох. При закрытой гортани все это создает большое давление, и когда гортань наконец открывается, воздух устремляется наружу быстрее обычного, унося с собой нежелательные элементы. Эта полезная фича позволяет избавляться от мокроты, пыли и ядовитых газов. У птиц и рептилий нет диафрагмы, кашляют они совсем иначе — и куда менее эффективно.

Принцип работы и ТТХ

Итак, главный орган дыхательной системы человека — легкие. Их у нас два, правое чуть больше левого. Легкие взрослого человека весят около 1,3 килограмма, правое чуть тяжелее. Они расположены в грудной полости, между ребрами и позвоночником.

Теперь поговорим о строении легких.

Бронхи: воздуховоды, фильтры, встроенная система ремонта. Каркас легких составляют бронхи. У взрослого человека на протяжении легкого бронх делится больше двадцати раз. После каждого деления отростки бронха увеличиваются в числе, становятся меньше и уже. Крупные бронхи укреплены хрящами. Кроме того, в бронхах есть части иммунной системы — лимфоидные узелки. Они вырабатывают иммунные клетки и обеспечивают быструю реакцию на инфекции.

Бронхи состоят преимущественно из соединительной и эпителиальной ткани. Во внутренней слизистой оболочке бронхов много эластичных волокон, благодаря которым бронхи расширяются на вдохе и сужаются на выдохе. Сжатием и расширением управляют кольцевые мышцы бронхов.

Изнутри бронхи всегда влажные за счет секрета специальных желез, расположенных в стенке бронха. В этом секрете задерживаются частички пыли, бактерии и вирусы — и вместе с секретом же выводятся из дыхательных путей. Для того, чтобы секрет постоянно двигался вдоль бронхов и уносил пыль, работают специальные «дворники» — микроскопические реснички.

В норме реснички постоянно дрожат (230–260 колебательных движений в минуту) и перемешивают трахеобронхиальный секрет, направляя его в нужную сторону. Если из-за инфекции в бронхах секрет становится слишком густым, или реснички по каким-то причинам замедляются, к очищению подключается кашель.

Альвеолы: место, где происходит газообмен. Самые тонкие бронхи — бронхиолы — ведут к альвеолам. Альвеолы — это крошечные (120-140 мкм в диаметре) пузырьки. У взрослого человека 300-400 миллионов альвеол, а их общая площадь на вдохе может достигать 100-140 м². На самом деле площадь газообмена еще больше — за счет цитоплазматических выростов на внутренней поверхности клеток альвеол.

С клетками альвеол тесно сплетаются клетки эпителия капилляров; именно за счет этого сплетения происходит газообмен. Воздух и кровь не соприкасаются напрямую. Между ними существует очень тонкий аэрогематический барьер: в среднем всего полмикрометра. Состоит он из участков клеток альвеол и капилляров, а также из жидкости, которую выделяют специальные клетки альвеол.

Эта жидкость называется сурфактантным комплексом; она не только проводит кислород и углекислый газ, но и помогает пузырьку не схлопнуться на выдохе. Кроме того, сурфактантный комплекс мешает крови проникнуть внутрь альвеолы, а микроорганизмам, залетевшим с воздухом — наоборот, не позволяет попасть в кровь.

Что происходит внутри: по дыхательным путям воздух попадает в альвеолы, где через аэрогематический барьер происходит обмен. Кровь отдает углекислый газ и забирает кислород. Однако детали требуют изучения: скажем, ученым хотелось бы точнее понимать, что происходит с тем, что мы вдыхаем, по пути к альвеолам.

Например, неплохо бы было знать, где и в каком количестве задерживаются в легких пылинки, частички сажи, микропластик, взвешенные в воздухе капельки жидкости и дым. Это может помочь оценить последствия курения, жизни в окутанном смогом городе или эффект лекарственных спреев. Раньше такие измерения вели на животных моделях, но сейчас этические принципы требуют замены подопытных животных моделями, физическими или цифровыми.

Некоторые из таких моделей — например, эта — учитывают даже такие нюансы, как температурный режим внутри дыхательных путей: ведь температура тоже может влиять на то, как далеко проникают в бронхи разные объекты. Температура в модели, напечатанной из полимерных чернил на 3D-принтере, на разных участках регулируется с помощью трубочек с водой различной температуры.

Описанная модель — это научный проект PMI Science, который используется в том числе в исследованиях бездымных продуктов и их влияния на здоровье совершеннолетних курильщиков. В отличие от сигарет, такие альтернативные продукты нагревают табак, не сжигая его. При их использовании образуется аэрозоль, содержащий никотин и гораздо более низкие уровни вредных химических веществ по сравнению с сигаретным дымом.

Другие модели позволяют наблюдать

in vitro работу настоящих, живых клеток. Вырастить в лаборатории целое живое легкое пока невозможно, но существует технология орган-на-чипе (Organ-on-a-chip): небольшие клеточные культуры совмещаются с приборами так, чтобы исследователи могли измерять реакцию клеток на разные воздействия (подробнее читайте в материале «Чип спешит на помощь»).

Некоторые технологические платформы позволяют объединять в одном месте несколько клеточных культур, чтобы точнее моделировать поведение настоящих тканей и целых органов. В прошлом году компания Филип Моррис Интернэшнл и биотехнологическая компания TissUse приступили к разработке такой многокомпонентной системы для моделирования поведения тканей легких под воздействием вдыхаемых аэрозолей.

Как мы вдыхаем

Вопреки распространенному заблуждению, легкие не расширяются и не сжимаются сами по себе. На самом деле они ведут себя примерно так же, как вода или коты: заполняют все предложенное им пространство. Их объем увеличивается, когда увеличивается объем грудной клетки — то есть когда ребра расходятся в стороны. и наоборот: объем легких уменьшается, когда ребра сходятся и грудная клетка становится меньше. Движением ребер управляют мышцы.

Мы уже говорили о диафрагме — главной мышце, регулирующей вдох и выдох у млекопитающих. Она подпирает легкие снизу и, сокращаясь, расширяет объем грудной клетки. При интенсивном дыхании ей помогают межреберные мышцы: сокращаясь, они прижимают ребра друг к другу и помогают нам выдыхать. Эти мышцы особенно интенсивно работают при аэробных нагрузках — например, при беге.

Разница между дыханием «животом» и «грудью» заключается только в способе расширения грудной клетки. Диафрагму мы сознательно сокращаем при дыхании «животом»; межреберные мышцы работают при дыхании «грудью». Разница между этими двумя типами дыхания существует, однако она касается скорее воздействия дыхания на нервную систему; путь воздуха не меняется — даже при дыхании «животом» он поступает в легкие, а не в желудок.

Вокруг того, какой тип дыхания полезнее, сломано много копий. Ряд исследований (1, 2, 3) указывают на возможную пользу диафрагмального дыхания в терапии астмы и других заболеваний с респираторной симптоматикой, а также кислотного рефлюкса, язвы желудка и тревожности. Однако последние мета-исследования показывают, что значительного терапевтического эффекта оно не имеет.

Система управления

От управления дыханием мозг не отдыхает никогда: мы не забываем дышать ни во сне, ни в обмороке. Пока вы не вспомнили о том, что надо дышать, вдох и выдох происходят как будто сами по себе. Как только что-то напоминает вам о неизбежной смерти от недостатка кислорода, все меняется: система переходит на ручное управление, которое составляет совсем другую часть центральной нервной системы. Сознательный контроль дыхания осуществляется за счет нейронов моторной и премоторной коры.

За бессознательный контроль отвечают несколько нервных ядер в стволе головного мозга. В отличие от импульсов, которые рождаются в моторной коре, сигнал из продолговатого мозга рождается автоматически: ему для этого не нужны никакие внешние стимулы. Ученые наблюдали его непрерывную работу даже в лабораторных препаратах. Не получая сигнала ни из мозга, ни от тела, группа особых нейронов продолговатого мозга продолжает работать, как метроном: сигнал-пауза, сигнал-пауза.

Важно отметить, что «дыхательные» группы нейронов продолговатого мозга передают сигнал в первую очередь по диафрагмальному нерву, связанному, как следует из названия, с диафрагмой. Поэтому обычное, спокойное дыхание — как во сне или в покое, когда мы не обращаем на это внимания — происходит именно за счет сокращения диафрагмы. Когда организм подвергается нагрузке, он нуждается в бо́льшем поступлении воздуха. В этом случае тот же участок продолговатого мозга отправляет сигнал через нервы, расположенные ниже и ведущие к межреберным мышцам, и те помогают диафрагме сильнее расширять грудную клетку.

Еще один способ увеличить потребление кислорода — учащение дыхания — запускается другими группами нейронов, расположенными в варолиевом мосту чуть выше продолговатого мозга. Его нейроны меняют активность нейронов дыхательных узлов продолговатого мозга, и человек начинает дышать чаще. На нейроны варолиевого моста приходят сигналы об эмоциональных переживаниях (от лимбической системы), от рецепторов кожи — о боли, жаре, холоде и других ощущениях. Все они влияют на частоту и длину вдохов и выдохов.

Дыхание зависит не только от физической нагрузки, но и от химического состава крови. Существует механизм, который заставляет нас дышать чаще при повышенной концентрации углекислого газа или сниженной концентрации кислорода в крови, а также при повышенной кислотности крови. За распознавание этих сигналов отвечают рецепторы аорты; при повышении концентрации CO₂ они передают нервный импульс в продолговатый мозг. Именно эти рецепторы не позволяют нам слишком долго сознательно задерживать дыхание; они же заставляют новорожденного сделать первый вдох.

Эксплуатация и техническое обслуживание

Человеческие легкие — отличный, чутко реагирующий на состояние всего организма механизм со сложной системой управления. Но, как и с любой машиной, чтобы он работал хорошо, нужно соблюдать условия эксплуатации. Главные факторы среды, которые влияют на состояние легких — это состав атмосферы, давление, а также режим эксплуатации (насколько часто легкие подвергаются дополнительным нагрузкам).

Состав атмосферы

Это один из самых консервативных параметров: мы рассчитаны на жизнь в современной земной атмосфере с 20 процентами кислорода. Если в легкие поступает меньше кислорода, начинается гипоксия.

Если кислорода слишком много, это может не быть проблемой — по крайней мере при нормальном давлении. Однако человек, несколько суток дышащий газовой смесью, содержание кислорода в которой превышает нормальное в три раза, может почувствовать симптомы отравления кислородом: конвульсии, нарушения дыхания и слепоту.

Но чаще мы сталкиваемся не с избытком, а с недостатком кислорода или с присутствием в воздухе веществ и частиц, которых в нем быть не должно. Все они действуют на организм по-разному. Большая часть эффектов связана с появлением «неправильных» газов в крови. Особняком стоит углекислый газ, повышение концентрации которого в крови заставляет активнее работать мышцы, отвечающие за вдох и выдох.

Прочие обычные загрязнители — составляющие промышленных выхлопов, сигаретного дыма, микроскопические частички сажи — действуют и на сами легкие, но эффекты проявляются не мгновенно. Постоянное воздействие табачного дыма, например, увеличивает объем альвеол и истончает их стенки. Некоторые продукты горения разрушительно действуют и на сурфактант альвеол, а его разрушение, в свою очередь, приводит к снижению эластичности альвеол и повышает риск их схлопывания.

Погружения

При глубоководных погружениях человек переживает эффекты, связанные с увеличением давления снаружи. Небольшое повышение давления не слишком влияет на доставку кислорода. Для вдоха дайверу (человеку, который ныряет с баллонами со сжатым воздухом) необходимо небольшое усилие, а для выдоха — наоборот, приходится прикладывать больше сил.

На глубине около 10 метров начинает проявляться сжатие тканей организма, включая легкие. Сжимается и воздух, который человек вдыхает, поэтому на глубине он занимает меньший объем.

Эффект сжатия фридайвер (человек, совершающий погружения на одном вдохе) начинает чувствовать на глубине около 10 метров и давлении в 2 атмосферы: к этому моменту заполненные воздухом легкие занимают примерно половину своего объема на поверхности. Еще через десять метров объем уменьшится до трети. Дальнейшее погружение зависит от соотношения объема легких после выдоха и общего дыхательного объема легких спортсмена; неподготовленные люди достигают его на глубине около 40 метров, лучшие в мире фридайверы — на глубине более ста метров.

Увеличение давления окружающей среды и уменьшение объема легких запускает множество адаптационных эффектов, направленных на защиту жизненно важных органов: мозга, легких и сердца.

Например, для компенсации давления, которое постепенно становится ниже, в крупные кровеносные сосуды легких устремляется кровь из периферических сосудов организма; происходит «кровяной сдвиг». Этот механизм предотвращает баротравму легких и сохраняет определенную концентрацию кислорода в крови, поступающей в мозг. Нарушение протоколов погружения может провоцировать баротравмы легких и разрушение сосудов и альвеол, которые перестают функционировать, когда кровь попадет внутрь. Эти эффекты и определяют нижнюю границу возможного погружения для фридайвера.

Другая часть эффектов, переживаемых при погружениях, связана не с функцией легких, а с поведением растворенных в крови газов.

В начале погружения в крови растворены кислород, углекислый газ и азот. Их концентрация изменяется незначительно: длительность погружения невелика (не больше 5 минут у чемпионов мира), и дополнительных вдохов спортсмен не делает.

Однако на глубине газы ведут себя не так, как в нормальных условиях. Меняется, в частности, их растворимость. Растворимость кислорода при повышенном давлении увеличивается, а вместе с ней растет и его концентрация в тканях мозга . Это может привести к повреждению нейронов: кислород — сильный окислитель.

Кроме того, ученые не исключают вероятности азотного наркоза: растворенный в нормальных условиях, при повышении давления азот формирует пузырьки. В мозге газообразный азот может оказывать психотропное воздействие. Этот эффект наблюдается при глубоких погружениях или при нескольких погружениях подряд на среднюю глубину. Само по себе это состояние не опасно, но может приводить к дезориентации и потере сознания.

Космос и его окрестности

При больших ускорениях человек переживает эффекты, схожие с теми, что возникают на глубине. Вдохнуть становится тяжело уже при двукратной перегрузке; для расширения грудной клетки требуется большее усилие, чем обычно. При перегрузке в 5-6-7-8-9 g для вдоха требуется уже очень много сил. Если перегрузка будет короткой, рекомендуется на ее время освободить легкие от воздуха. Так, инструкция для американских гражданских пилотов рекомендует перед пиковой перегрузкой сделать глубокий выдох и закрыть голосовую щель, чтобы заходить на вираж или в пике с пустыми легкими, не сообщающимися с окружающей средой.

Космонавты во время перегрузок после старта и при посадке тоже осваивают специальную технику дыхания животом: так легче расширить грудную клетку и впустить в легкие немного воздуха. Глубокие вдохи при больших ускорениях не удаются. Зато на орбите космонавтам не приходится переживать о дыхании. В отличие от других тканей и органов, лёгкие работают в невесомости почти так же, как на Земле, разве что воздухом заполняются не так равномерно.

Разреженный воздух на большой высоте

Без привычки к жизни высоко над уровнем моря человеку угрожают разной степени тяжести проявления гипоксии: от легкой рассеянности и утомляемости до потери сознания, судорог и смерти. Это обусловлено и разреженностью атмосферы, и низким атмосферным давлением, при котором даже при максимальном расширении грудной клетки приток внутрь воздуха меньше, чем на равнине.

Долгое проживание на большой высоте запускает множество физиологических изменений. Дыхание меньше сбивается от понижения давления, меняется состав крови: становится больше эритроцитов, а в них — больше переносящего кислород гемоглобина. Подготовленные люди легче переносят восхождения на высоту до 8 километров. Но ближе к отметке в 9 километров не работают и эти адаптации: без дополнительного поступления кислорода человеку выше не подняться.

Физические нагрузки и их отсутствие

Человеку, который давно не занимался физкультурой, может быть трудно подняться по лестнице: у него появится одышка. Человеку, который готовится бежать марафон, та же лестница покажется пустяком. Но различия в работе их легких — при условии, что оба человека здоровы, — могут быть совсем невелики.

Аэробные упражнения — бег, плавание, ходьба и другие продолжительные нагрузки, во время которых мы часто дышим, — влияют на работу легких, в том числе увеличивают их объем. Но абсолютные значения этих улучшений невелики: в конце концов, легкие нельзя увеличить в размере, можно только заставить человека дышать глубже.

В гораздо большей степени нагрузки влияют на кровеносную систему — на работу сердца и при большом стаже тренировок на состав крови. Ученые пока не понимают, почему так, но точно знают, что у спортсменов больше красных кровяных клеток, чем у людей, ведущих малоподвижный образ жизни. Впрочем, доставка окислителя — совместная задача кровеносной и дыхательной систем, поэтому улучшение функции одной обязательно поможет и другой.

Дыхательные движения 8 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Вступление

Воздух поступает в легкие, потому что, благодаря эластичности альвеол, они могут менять свой объем. Но сами легкие не имеют мышц, то есть самостоятельно они не способны растягиваться и сжиматься. Они пассивно следуют за грудной клеткой.

Дыхательные  мышцы

Полость грудной клетки расширяется за счет дыхательных мышц: диафрагмы и межреберных мышц (см. Рис. 1).

Диафрагма – это мышечная перегородка, которая разделяет грудную и брюшную полость. При вдохе она опускается на 3 – 4 см, увеличивая объем грудной клетки на 1000 – 1200 мл. Также происходит сокращение межреберных мышц, которые приподнимают легкие, увеличивая их объем.

Рис. 1.

В растянутых легких давление ниже атмосферного, в результате чего наружный воздух поступает в дыхательные пути – происходит вдох.

За вдохом следует выдох. Растягиваются межреберные мышцы (ребра опускаются), поднимается диафрагма – объем легких уменьшается. В результате этого давление в легких становится выше атмосферного, и воздух выходит наружу.

В более глубоком дыхании принимают участие мышцы брюшного пресса.

Моделирование дыхания

Процесс дыхания можно пронаблюдать на модели Дондерса (см. Рис. 2). Необходимо взять стеклянную воронку, внутрь которой поместить шарик. Его клапан натянуть на наружную сторону воронки и зафиксировать.

Рис. 2. Модель Дондерса

Натянуть второй шарик на широкий конец воронки так, чтобы образовалось резиновое дно, зафиксировать.

Таким образом, мы имеем следующую модель (см. Рис. 3):

Рис. 3. Модель Дондерса

При оттягивании резинового дна атмосферное давление в воронке и в шарике падает, и наружный воздух входит внутрь шарика. Когда отпускают модель диафрагмы, воздух из шарика выходит – происходит выход.

Помимо легких, в дыхании принимает участие кожа. Особенно интенсивно она дышит на груди, животе и спине.

Параметры емкости легких

Легкие человека занимают около 6% объема тела. Но меняется объем самих легких.

Дыхательный объем – объем воздуха, вдыхаемый при обычном вдохе и выдыхаемый при обычном выдохе.

Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) – объем максимального выдоха после предшествующего максимального вдоха.

Резервный объем вдоха – количество воздуха, которое человек может дополнительно вдохнуть после спокойного вдоха.

Ре­зерв­ный объем вы­до­ха – ко­ли­че­ство воз­ду­ха, который человек может выдохнуть после обычного выдоха

Остаточный объем – объем, который остается после интенсивного выдоха.

ЖЕЛ складывается из дыхательного объема легких, резервного объема вдоха, резервного объема выдоха. Она зависит от возраста, пола и степени тренированности человека.

Спирометр – прибор для измерения ЖЕЛ (см. Рис. 4).

Рис. 4. Спирометр

Спорт и физические нагрузки способствуют развитию дыхательных мышц, следовательно, увеличивают ЖЕЛ (см. Рис. 5).

Рис. 5.

 

Список литературы

1. Колесов Д.В., Маш Р.Д., Беляев И.Н. Биология. 8. – М.: Дрофа.

2. Пасечник В.В., Каменский А.А., Швецов Г.Г. / Под ред. Пасечника В.В. Биология. 8. –  М.: Дрофа.

3. Драгомилов А.Г., Маш Р.Д. Биология. 8. – М.: Вентана-Граф.

 

Рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Medical-enc.ru (Источник).

2. Libma (Источник).

3. Fiziologija.vse-zabolevaniya.ru (Источник).

 

Домашнее задание

1. Колесов Д.В., Маш Р.Д., Беляев И.Н. Биология. 8. – М.: Дрофа. – С. 146, задания и вопрос 1.

2. Что такое ЖЕЛ? Из чего он состоит?

3. Как происходит вдох? Опишите работу мышц и происходящее с легкими.

4. Самостоятельно проведите опыт по моделированию дыхания: постройте модель Дондерса.

Как мы дышим? — Scientific American

• Share на Facebook

• Share в Twitter

• Share на Reddit

• Share на LinkedIn

• по электронной почте

• и Out Email

9
• 777 в Email

9
949
• 777 в. Узнайте, как физика влияет на каждый ваш вдох. Авторы и права: Джордж Рецек

  Ключевые понятия
  Биология
  Кузов
  Легкие
  Физика
  Давление воздуха

  Введение
  Мы много дышим — примерно 10 раз в минуту! Вы когда-нибудь задумывались, как процесс дыхания работает так гладко? Наши легкие позволяют нам вдыхать кислород, в котором нуждается наше тело, но они делают гораздо больше. Они также позволяют нам избавиться от углекислого газа, продуктов жизнедеятельности, образующихся в организме, и играют жизненно важную роль в пении, крике и даже хихикании. В этом упражнении вы создадите модель легкого и с ее помощью узнаете, как воздух легко входит и выходит из легких.

  Фон
  Все клетки нашего тела нуждаются в кислороде для эффективного производства энергии. Однако, когда клетки производят энергию, они производят углекислый газ. Мы получаем кислород, вдыхая свежий воздух, и удаляем углекислый газ из организма, выдыхая спертый воздух. Но как работает дыхательный механизм?

  Воздух поступает через рот или нос. Затем воздух следует по дыхательному горлу, которое сначала разделяется на два бронха: по одному на каждое легкое. Затем бронхи разделяются на все более мелкие трубки, на концах которых есть крошечные воздушные мешочки, называемые альвеолами. В наших легких миллионы альвеол! Эти мешочки имеют тонкие стенки — настолько тонкие, что кислород и углекислый газ могут проходить через них и попадать в нашу кровь или выходить из нее. Кровь переносит кислород практически ко всем частям тела. Кровь также возвращает углекислый газ обратно в легкие.

  Легкие занимают большую часть грудной клетки. 12 пар ребер в нашей грудной клетке защищают легкие и другие органы в грудной полости, такие как наше сердце.

  Расслабленное дыхание является рефлекторным; нам не нужно думать, чтобы дышать. Во время этого непринужденного вдоха наша диафрагма — куполообразная мышца между грудной клеткой и брюшной полостью — уплощается. Это расширяет грудную полость и в результате втягивается воздух. Во время выдоха диафрагма расслабляется, и легкие естественным образом втягиваются, и воздух мягко выталкивается наружу.

  Мы также можем дышать с большей силой. Когда мы тренируемся, громко поем или иным образом нуждаемся или хотим больше воздуха или кислорода, мы можем приложить усилия, чтобы дышать глубже. Мы используем различные мышцы, чтобы более резко увеличить объем груди. Так же, как и при расслабленном дыхании, расширение грудной клетки втягивает воздух, так что легкие наполняются. Расслабление грудной клетки выталкивает воздух наружу. Мышцы также могут заставить грудную полость сокращаться еще больше, выталкивая еще больше воздуха. Поскольку расширения и сокращения в этом случае больше, больший объем воздуха поступает в легкие и выходит из них, и наше тело получает больший запас кислорода, или у нас больше воздуха для создания звука.

  Материалы

  • Одноразовая пустая прозрачная бутылка (10–16 жидких унций) из твердого пластика (например, бутылка из-под спортивного напитка)
  • Линейка
  • Два баллона (хорошо подойдут 8-дюймовые шары)
  • Универсальный нож (при использовании ножа используйте помощь взрослых и соблюдайте осторожность)
  • Помощник для взрослых
  • Ножницы
  • Соломинка для питья (дополнительно)
  • Пластилин для лепки (по желанию)
  • Лента (дополнительно)
  • Дополнительный баллон (дополнительно)

  
  Подготовка

  • Попросите взрослого разрезать пластиковую бутылку. Отрежьте дно бутылки так, чтобы, когда воздушный шар свисает внутри бутылки с носика, под ним оставалось пустое пространство примерно на 1/3–3/4 дюйма.
  • Поместите обрезанную бутылку на широкое отверстие. Опустите воздушный шар в бутылку, пока не будет торчать только часть горлышка воздушного шара. Сложите горлышко воздушного шара поверх бутылки. Баллон представляет собой легкое.
  • Переверните бутылку (оставив шарик внутри) так, чтобы горлышко бутылки легло на стол. На следующих шагах вы создадите и добавите диафрагму к своей модели.
  • Завяжите узел на горлышке второго шарика. На противоположной стороне этого воздушного шара отрежьте около трети воздушного шара, чтобы у вас осталось широкое отверстие.
  • Натяните широкое отверстие разрезанного баллона на широкое отверстие бутылки. Потяните края воздушного шара достаточно далеко вверх по бутылке, чтобы поверхность воздушного шара слегка растянулась. Убедитесь, что узел находится снаружи и расположен ближе к середине горлышка бутылки.
  • Наши легкие, как надутый воздушный шарик, наполнены воздухом. У нас есть два легких, заключенных в грудную клетку и защищенных 24 ребрами. Когда вы вдыхаете, воздух поступает в ваши легкие. Когда вы выдыхаете, воздух выходит из легких. Воздушный шар внутри бутылки похож на одно из ваших легких. Бутылка как твоя грудная клетка.

  
  Процедура

  • Держите бутылку так, чтобы вы могли видеть баллон внутри (представляющий легкое). Аккуратно потяните узел. Что происходит с шариком внутри бутылки ?
  • Дайте узлу вернуться в нейтральное положение, а затем осторожно втолкните его внутрь. Что теперь происходит с шариком внутри бутылки?
  • Повторите эти шаги несколько раз. Это похоже на дыхание? Почему?
  • Какая часть напоминает вдох, а какая — выдох?
  • Если ваша модель работает хорошо, воздух будет поступать в воздушный шар, когда вы вытягиваете узел наружу, и вытекать, когда вы нажимаете узел внутрь . Как вы думаете, почему это происходит?
  • Когда мы дышим расслабленно, наша диафрагма — мышца, отделяющая грудную полость от брюшной — движется, расширяя и сжимая грудную полость. Как это похоже на то, что вы делаете со своей моделью?
  • Потяните и потяните узел еще несколько раз. Сможете ли вы, используя модель, определить, какое движение диафрагмы создает вдох, а какое — выдох?
  • Почувствуйте свои ребра и глубоко вдохните, а затем выдохните. Вы чувствуете, как расширяется и опускается грудная клетка?
  • Центр нашей диафрагмы перемещается больше, когда мы делаем глубокие вдохи: до четырех дюймов! В модели, которую вы сделали, грудная клетка (пластиковая бутылка) зафиксирована, но вы можете больше сдвинуть «диафрагму», потянув узел дальше и вдавливая его сильнее. Попробуйте. Как это меняет объем воздуха, входящего и выходящего из легочного баллона?
  • Extra : Добавьте трахею к вашей модели. Для этого выньте шарик из бутылки и наденьте его горлышко на соломинку; прикрепите воздушный шар к соломинке скотчем. Подвесьте воздушный шарик и короткий отрезок соломинки к горлышку бутылки и закрепите его глиной. Убедитесь, что глина плотно прилегает к соломинке и горлышку бутылки. Никаких изменений не требуется для второго баллона, закрывающего дно бутылки. Вы видите, какая часть моделирует дыхательное горло?
  • Extra : Кашель — это когда тело принудительно выталкивает воздух, чтобы избавиться от чего-то, что вызвало раздражение. Во время кашля вы вдыхаете относительно глубоко, но вместо того, чтобы воздух выходил наружу, а грудная полость сжималась, горло закрывалось, и воздух скапливался в легких. Когда горло открывается, грудная клетка сжимается еще больше, и воздух с силой выходит наружу. Можете ли вы имитировать кашель своей моделью?
  • Extra : Найдите способ создать модель, включающую трахею, которая разделяется на два бронха, к каждому из которых прикреплено легкое. Модель с трахеей и одним легким — хорошее начало. Как добавить второе легкое? Можете ли вы найти причину, по которой наличие двух легких полезно для нас?

  Наблюдения и результаты
  Когда вы потянули узел, пространство внутри бутылки увеличилось, и ваш воздушный шар, вероятно, наполнился воздухом. Точно так же, когда диафрагма в нашем теле оттягивается назад, грудная клетка увеличивается, и воздух поступает в наши легкие, и мы вдыхаем.

  Когда вы затягивали узел, пространство внутри бутылки уменьшалось, и воздушный шар, вероятно, сдувался. Точно так же при расслаблении диафрагмы грудная полость уменьшается, и воздух выталкивается из легких, и мы выдыхаем.

  Когда вы тянули и толкали узел дальше, шар надувался и сдувался сильнее. Это отражает то, что происходит, когда больший объем воздуха вытесняется, когда мы дышим глубже.

  Эта динамика работает из-за давления воздуха, меры того, как сильно воздух давит на объекты. Давление воздуха увеличивается, когда вы уменьшаете объем воздуха, и уменьшается, когда вы даете воздуху больше пространства. Закройте хрупкую пустую пластиковую бутылку и попробуйте ее сжать. Это трудно! Воздух внутри отталкивает. Откройте бутылку и попробуйте снова сжать бутылку. Это намного проще. Воздух давит обратно с гораздо меньшей силой. Если что-то не блокирует движение, воздух будет перемещаться из областей с высоким давлением в области с более низким давлением, и это то, что происходит, когда воздух устремляется в легкие или из них. Когда грудная полость расширяется, вокруг легких становится больше места. В этом состоянии легкие могут расширяться, превращая их в область низкого давления, и воздух устремляется внутрь, чтобы сбалансировать разницу в давлении. Затем при выдохе грудная полость и легкие сокращаются. Это повышает давление воздуха в легких, и воздух устремляется обратно.

  Еще для изучения
  Ваши легкие и дыхательная система, от KidsHealth
  Емкость легких и возраст, от Science Buddies
  Сборка автомобиля на воздушном шаре, от Scientific American
  Под давлением: запуск ракеты-шара, от Scientific American
  STEM-занятия для детей от Science Buddies

  Это задание разработано совместно с Science Buddies

  ОБ АВТОРЕ(АХ)

  Ваши легкие и дыхательная система (для детей)

  Ваши легкие работают с дыхательной системой, чтобы вы могли вдыхать свежий воздух, избавляться от спертого воздуха и даже разговаривать. Давайте совершим экскурсию по легким!

  Найдите эти легкие

  Ваши легкие находятся в груди и настолько велики, что занимают там большую часть места. У вас есть два легких, но они не такого размера, как ваши глаза или ноздри. Вместо этого легкое на левой стороне вашего тела немного меньше, чем легкое справа. Это дополнительное место слева оставляет место для вашего сердца.

  Ваши легкие защищены грудной клеткой, состоящей из 12 пар ребер. Эти ребра соединены с позвоночником в спине и огибают легкие, чтобы обеспечить их безопасность. Под легкими находится диафрагма (скажем: DY-uh-fram), куполообразная мышца, которая работает с вашими легкими, позволяя вам вдыхать (вдыхать) и выдыхать (выдыхать) воздух.

  Вы не можете видеть свои легкие, но их легко почувствовать в действии: положите руки на грудь и очень глубоко вдохните. Вы почувствуете, как ваша грудь становится немного больше. Теперь выдохните воздух и почувствуйте, как ваша грудь возвращается к своему обычному размеру. Вы только что почувствовали силу своих легких!

  Взгляд внутрь легких

  Снаружи легкие розовые и немного мягкие, как губка. Но внутри содержится настоящая подноготная легких! На дне трахеи (скажем: TRAY-kee-uh), или дыхательного горла, есть две большие трубки. Эти трубки называются главным стволом бронхов (скажем: БРОНГ-ке), и одна направляется налево в левое легкое, а другая направляется прямо в правое легкое.

  Каждый главный стволовой бронх (скажем: BRONG-kuss) — название только одного из бронхов — затем разветвляется на трубки или бронхи, которые становятся все меньше и меньше, как ветви на большом дереве. Самые маленькие трубки называются бронхиол (скажем: БРОНГ-ки-олес), а в каждом легком их около 30000. Каждая бронхиола примерно такой же толщины, как волос.

  В конце каждой бронхиолы находится особая область, которая ведет к скоплениям крошечных воздушных мешочков, называемых альвеолами (скажем: аль-ВЭЭ-о-ли). В ваших легких около 600 миллионов альвеол, и если их растянуть, они покроют весь теннисный корт. Вот это куча альвеол! Каждая альвеола (скажем: al-VEE-oh-luss) — то, что мы называем просто одной из альвеол — ​​имеет сетчатое покрытие из очень маленьких кровеносных сосудов, называемых капилляров (скажем: KAP-ill-er-ees). Эти капилляры настолько крошечные, что клеткам вашей крови нужно выстроиться в один ряд, чтобы пройти через них.

  Каждый раз, когда вы вдыхаете воздух, десятки частей тела работают вместе, помогая вдыхать этот воздух, даже не задумываясь об этом.

  Когда вы вдыхаете, ваша диафрагма сокращается и уплощается. Это позволяет ему двигаться вниз, поэтому ваши легкие имеют больше места для увеличения по мере заполнения воздухом. И диафрагма — не единственная часть, которая дает вашим легким необходимое пространство. Ваши реберные мышцы также поднимают ребра вверх и наружу, чтобы дать легким больше места.

  В то же время вы вдыхаете воздух через рот и нос, и воздух направляется в трахею или дыхательное горло. На пути вниз по дыхательному горлу крошечные волоски, называемые ресничками (скажем: SILL-ee-uh), мягко двигаются, чтобы не допустить попадания слизи и грязи в легкие. Затем воздух проходит через серию ветвей в ваших легких, через бронхи и бронхиолы.

  Спасибо, Альвеоли!

  Воздух наконец попадает в 600 миллионов альвеол. Когда эти миллионы альвеол наполняются воздухом, легкие становятся больше.

  Это альвеолы, через которые кислород из воздуха попадает в кровь. Все клетки в организме нуждаются в кислороде каждую минуту дня. Кислород проходит через стенки каждой альвеолы ​​в окружающие ее крошечные капилляры. Кислород поступает в кровь через крошечные капилляры, цепляясь за эритроциты и путешествуя по слоям кровеносных сосудов к сердцу. Затем сердце посылает обогащенную кислородом (наполненную кислородом) кровь ко всем клеткам тела.

  В ожидании выдоха

  Когда приходит время выдохнуть (выдохнуть), все происходит в обратном порядке: теперь очередь диафрагмы сказать: «Двигай!» Диафрагма расслабляется и движется вверх, выталкивая воздух из легких. Ваши реберные мышцы расслабляются, и ребра снова смещаются, создавая меньше места в груди.

  К настоящему времени ваши клетки уже использовали необходимый им кислород, а ваша кровь переносит углекислый газ и другие отходы, которые должны покинуть ваше тело. Кровь возвращается обратно по капиллярам, ​​а отходы попадают в альвеолы. Затем вы выдыхаете их в обратном порядке: воздух проходит через бронхиолы, выходит из бронхов, выходит из трахеи и, наконец, выходит через рот и нос.

  Воздух, который вы выдыхаете, содержит не только отходы и углекислый газ, но и тепло! Когда воздух проходит через ваше тело, он набирает тепло по пути. Вы можете почувствовать это тепло, поднеся руку ко рту или носу во время выдоха. Какова температура воздуха, выходящего изо рта или носа?

  Со всеми этими движениями вы можете задаться вопросом, почему вещи не застревают, когда легкие наполняются и опорожняются! К счастью, ваши легкие покрыты двумя действительно гладкими специальными слоями, называемыми 9. 0029 плевральная (скажем: PLOO-ral) перепонки . Эти мембраны разделены жидкостью, которая позволяет им легко скользить во время вдоха и выдоха.

  Время поговорить

  Ваши легкие важны для дыхания. . . а также для разговоров! Над трахеей (дыхательным горлом) находится гортань (говорят: ЛАИР-чернила), которую иногда называют голосовым ящиком. Через голосовой ящик проходят два крошечных выступа, называемых голосовыми связками, которые открываются и закрываются, чтобы издавать звуки. Когда вы выдыхаете воздух из легких, он проходит через трахею и гортань и достигает голосовых связок. Если голосовые связки замкнуты и между ними проходит воздух, голосовые связки вибрируют и возникает звук.

  Количество воздуха, которое вы выдыхаете из легких, определяет, насколько громким будет звук и как долго вы сможете его издавать. Попробуйте очень глубоко вдохнуть и назвать имена всех детей в вашем классе — как далеко вы сможете продвинуться, не делая следующего вдоха? В следующий раз, когда вы окажетесь на улице, попробуйте покричать и посмотреть, что произойдет — для крика требуется много воздуха, поэтому вам придется вдыхать чаще, чем если бы вы только произносили слова.