2.4. Аппарат внешнего дыхания

Первый этап обмена кислорода и углекислого газа между внешней средой и внутренней средой организма (кровь) кислородом происходит в аппарате внешнего дыхания (стенки грудной полости, органы дыхательной системы: носовая полость, носоглотка, гортань, трахея, легкие), который можно рассматривать как самостоятельную биологическую систему (уровень – «система органов»).

Примечательно, что к системе обеспечения организма кислородом будут относиться и структуры грудной клетки (костный каркас – грудной отдел позвоночника, ребра грудины), их соединения и мышцы (межреберные, диафрагма и др.), которые в процессе своего сокращения вызывают изменения объема грудной полости, тем самым обеспечивают вентиляцию легких, что и является базовой основой для осуществления в них газообмена.

В то же время аппарат внешнего дыхания является частью более сложной суперсистемы (система кислородообеспечения организма), которая включает в себя подсистемы всех уровней организации («сквозная», «чрезиерархическая» система) и может также, вероятно, рассматриваться как типичная «функциональная система» (по Анохину П.К., 1968, 1975), включающая последовательно следующие основные («рабочие») элементы:

1. аппарат внешнего дыхания (стенки грудной полости, органы дыхательной системы: носовая полость, носоглотка, гортань, трахея, легкие);

2. сердечно-сосудистую систему (транспорт веществ и воды);

3. интерстициальный сектор органов;

4. внутреннюю среду клеток и субклеточных структур, где, в конечном итоге, и осуществляется утилизация кислорода и образование углекислого газа.

Эти четыре группы элементов отражают последовательность прохождения кислорода по коммуникационным системам организма к клеткам рабочих органов и в обратном направлении - углекислого газа.

Сама же система в себя включает нервную систему, эндокринные органы (элементы «регуляции»), сердечно-сосудистую систему (транспорт кислорода и углекислого газа) и опять аппарат внешнего дыхания (выведение углекислого газа) как элементы «обеспечения». В свою очередь, из аппарата внешнего дыхания кислород в кровь (сердечно-сосудистая система) поступает через аэрогематические барьеры, а из крови во внутреннюю среду органов (интерстиции) через гематотканевые барьеры (см. схему).

Следовательно, ведущим специфическим фактором внешней среды для аппарата внешнего дыхания будут являться характер и свойства воздуха. Комплекс избирательно вовлеченных элементов этой системы представлен структурами аппарата внешнего дыхания, сердечно-сосудистой, нервной систем, а ее конечным полезным результатом является эффективность ее функционирования по обеспечению организма кислородом.

В то же время, носовая полость, представляя собой его начальную часть, первая взаимодействует с фактором внешней среды (воздух) и поэтому первая приступает к доведению его свойств до характеристик, аналогичных параметрам внутренней среды организма (кровь). Этим она подготавливает эффективный газообмен в легких. Следовательно, системообразующим фактором (для аппарата внешнего дыхания) будет являться доведение свойств воздуха до характеристик (атомы), аналогичных параметрам внутренней среды организма (кровь), и эффективный газообмен в легких.

Таким образом, ведущим и специфическим фактором внешней среды, определяющий особенности строения не только структур носовой полости, но и всех остальных компонентов дыхательной трубки, является характер и свойства поступающего в нее воздуха. Взаимоприспособление (в процессе взаимосодействия) структур аппарата внешнего дыхания и свойств воздуха позволяет не только достигать полноценный газообмен в легких, но и вызывает адекватные приспособительные изменения и со стороны структур органов аппарата внешнего дыхания.

Остальные характеристики внешней среды - воздуха (биологической, экологической, социальной и др. природы), неспецифичные для структур носовой полости, всего аппарата внешнего дыхания, воздействуют на организм человека и через другие его подсистемы и могут вызывать глубокие адаптационные изменения его структур (обратимого и необратимого характера), включая перестройки и в элементах аппарата внешнего дыхания.

Результатом этого является то, что носовая полость, представляя собой начальный отдел дыхательной трубки - аппарата внешнего дыхания (как подсистема обеспечения организма кислородом), первая контактирует с воздухом как фактором внешней среды. Следовательно, особенности строения ее морфологических конструкций в наибольшей степени будут определяться и зависеть от взаимодействия с природными свойствами последней.

Рис. 8. Свойства воздуха.

Вследствие этого, в характеристике воздуха (как фактора внешней среды) можно выделить несколько групп ее основных специфических и неспецифических свойств, взаимодействие с которыми и вызывает формирование определенных структур - подсистем (элементов) физической, химической, биологической и информационной (периферический отдел вкусового и другие анализаторы) обработки воздуха:

При анализе формообразовательных процессов в структурах аппарата внешнего дыхания на первый план выступает взаимодействие его структур с физическими свойствами потребляемого воздуха, которое и приводит, в первую очередь, к формированию органов дыхательной системы.

Следовательно, подсистема физической обработки воздуха, состоит из совокупности различных взаимосодействующих на получение конечного полезного результата (вентиляция воздуха в легких, освобождение его от пылевых частиц, доведение температуры воздуха до температуры тела, регуляция влажности и др.), которые в процессе взаимодействия будут специализироваться и подразделяться на три основные группы:

1. «рабочие» элементы – структуры стенки грудной полости (вентиляция легких), слизистая (регуляция влажности, осаждение пыли и др.), мерцательный эпителий в слизистой носовой полости (выведение осевшей на слизь пыли во внешнюю среду), сосудистые сплетения в подслизистой основе (терморегуляция);

2. элементы «обеспечения» - кровеносные и лимфатические сосуды;

3. элементы «регуляции» - чувствительные, двигательные и вегетативные нервы, их ветви, центры в спинном и головном мозге.

Каждый из этих элементов, в свою очередь, будет являться самостоятельной биологической системой органного уровня организации.

Подсистема химической обработки воздуха включает в себя слизистую оболочку дыхательной трубки и ее железы. Она в основном разделяет внешнюю и внутреннюю среду организма, являясь пространственной контактно-разграничительной структурой. Слизь обеспечивает защиту самой слизистой оболочки от непосредственного повреждающего воздействия агрессивных свойств воздуха. Серозный секрет обеспечивает не только увлажнение (участие в физической его обработке) поступающего в носовую полость воздуха, но и нейтрализацию его химических свойств.

Подсистема биологической обработки воздуха. Действие на структуры аппарата внешнего дыхания биологических компонентов воздуха инициирует в ее слизистой оболочке формирование специфических структур и неспецифических механизмов биологической защиты, которые обеспечивают не только местные защитные реакции, но и защиту всего организма от бактериального и вирусного заражения путем образования и функционирования структур из лимфоидной ткани (лимфоэпителиальное глоточное кольцо - миндалины); использование ферментативной активности.

Подсистема информационной обработки свойств воздуха осуществляется структурами вегетативной и соматической нервной системы, которые обеспечивают не только получение информации из внешней среды о его характеристиках (обонятельный анализатор, температура), но и обработку этой информации, принятие управленческих решений и регуляцию ответных реакций рабочих элементов и элементов обеспечения (моторика, секреция, трофика и др.) в процессе вентиляции и газообмена. Наиболее обширное рецепторное поле сконцентрировано и более выражено в верхнем носовом ходу (обонятельный анализатор), вследствие прямого и интенсивного контакта его слизистой с воздухом, как с фактором внешней среды.

Таким образом, воздействие всей совокупности физических, химических, биологических и информационных свойств воздуха вызывает формирование в структурах дыхательной трубки не только пространственных контактно-разграничительных структур (кожа, слизистая оболочка), но и вскрывает принцип строения ее стенки, который обеспечивает оптимальное функционирование аппарата внешнего дыхания и достижение им конечного полезного результата – эффективный газообмен.

Так, дыхательная система, начиная с носовой полости и заканчивая бронхиальным альвеолярным деревом в легких, представляет собой полое образование, стенка которого состоит из трех основных слоев:

1. слизистая оболочка – она не только контактно-разграничительная структура органов этой системы, но и принимает участие в физической, химической, биологической и информационной обработке воздуха, как фактора внешней среды и в газообмене;

2. средняя оболочка – является реакцией ее структур на физические свойства воздуха;

3. наружная соединительно-тканная оболочка - следствие межорганных взаимоотношений, а степень ее выраженности и особенности строения зависят от характера и интенсивности смещения органов дыхательной системы относительно окружающих структур.

В то же время, в структурах дыхательной трубки (дыхательная система) можно выделить три функционально различных отдела, при формировании структур которых выявляются их существенные различия:

1. транспортный (полость носа, носоглотка, гортань, трахея, главные бронхи);

2. транспортно-распределительный (бронхиальное дерево);

3. газообмена (альвеолярное дерево, ацинусы, стенка которых принимает участие в образовании аэрогематического барьера).

В первом отделе (транспортный) стенка дыхательной трубки имеет наибольшую толщину и в нем отсутствует (полость носа) третья оболочка. Средняя оболочка представлена или костными структурами, или хрящом, что является, вероятно, следствием давления воздушного потока на ее стенку. Просвет дыхательной трубки в этом месте, за исключением гортани (голосообразование), практически не изменяется. Наиболее сложно устроена слизистая оболочка, которая имеет не только подслизистую основу, с расположенными там сосудистыми сплетениями и малыми железами. В носовой полости она покрыта мерцательным эпителием, обеспечивающим эвакуацию слизи, с осевшими на нее пылевыми частицами, во внешнюю среду.

Во втором отделе (транспортно-распределительном) значительно увеличивается не только суммарный просвет дыхательной трубки, уменьшается толщина ее стенки, но и изменяются характеристики ее структур. Так, наружная оболочка сформирована из рыхлой соединительной ткани, особенности строения которой определяются взаимоотношениями с окружающими структурами. Средняя оболочка представлена совокупностью хрящевых (фрагменты) структур и гладкомышечных элементов, сокращение которых обеспечивает распределение воздушных потоков и вентиляцию в легких. Толщина стенки бронхов, количество хрящевой ткани в них убывает от центра (главные бронхи) к периферии бронхиального дерева. Также в этом направлении сокращается и количество слизистых желез во внутренней (слизистая) оболочке дыхательной трубки, уменьшается толщина ее стенки.

В третьем отделе (газообмена) многократно увеличивается суммарный просвет альвеолярного дерева, уменьшается толщина стенки альвеол, что определяется минимальным давлением потока воздуха на нее. Изменение особенностей строения стенки альвеолярного дерева характеризуется снижением количества в ней гладкомышечных клеток (за счет чего уменьшается его транспортно-распределительная функция) по направлению от его начала (терминальные бронхиолы) к ацинусам. В то же время, альвеолы со стенками кровеносных капилляров образуют аэрогематический барьер, через который и осуществляется газообмен. Он представляет собой простейшую конструкцию, состоящую из пяти слоев: однослойный эпителий альвеолы, его базальная мембрана, тонкий слой рыхлой соединительной ткани (между альвеолой и кровеносным сосудом), базальная мембрана стенки капилляра и однослойный эндотелий, выстилающий его просвет.

Однако, при анализе функционирования аппарата внешнего дыхания, следует отметить, что эффективность газообмена (конечный полезный результат) в легких достигается при соответствии уровня кровотока в капиллярном русле состоянию вентиляции воздуха в ацинусе, и он определяется и зависит от разницы порциальных давлений кислорода и углекислого газа в крови и в воздухе (полости альвеол), а также от толщины стенки аэрогематического барьера.