Vazduhoplovna medicina/Sadržaj/Osnovi fiziologije disanja

Proces disanja i disanje

Svi poznati živi organizmi vrše razmenu gasova sa njihovom okolinom. Ova razmena je poznat kao disanje. Za održavanje života, kiseonik mora biti inhaliran u pluća, zatim procesom difuzije preko alveolo-kapilarne membrane, hemoglobina i plazme krvi prenet do tkiva i potom prenet u ćelije tkiva u kojima se obavlja aerobni metabolizam.

Procesi disanje su;

disanje,
spoljašnje disanje
unutrašnje disanje i
regulacija disanja

Disanje

Disanje se može opisati kao spontani, ritmički mehanički proces. Kontrakcijom i relaksacijom mišića u toku disanja nastaje kretanja gasova iz spoljne sredine u pluća i obratno, čime telo dobija jedan gasoviti medij za razmenu gasova.

Spoljašnje disanje

Spoljašnje disanje se odvija u alveolama pluća. Vazduh, koji sadrži kiseonik, iz spoljne sredine mehaničkim procesom disanja ulazi u alveole pluća. Iz udahnutog vazduh u alveolama, kiseonik difuzijom prelazi u krvotok. U isto vreme, ugljen dioksid difuzijom iz venske krvi prelazi u alveole odakle sa izdahnutim vazduhom napušta pluća.

faze spoljašnjeg disanja

Disajni ciklus je nesvestan proces koji se neprekidno ponavlja, osim ako je zbog porenjećaja svesti nastane poremećaj u njegovoj regulaciji. Spoljašnje disanje odvija se u dve faze:

Aktivna faza-udisanje

Kretanje vazduha prema plućima je aktivna faza spoljnjeg disanja, ili udisanje. Ono je uzrokovano širenjem zida grudnog koša i spuštanjem dijafragme naniže. Udah povećava volumen pluća i u njima stvara područje niskog pritiska. Budući da je veći pritisak spolja, vazduh prodire u pluća.

U toku mirnog disanja intrapleuralni pritisak, u odnosu na atmosferski na početku udisanja, je oko (-2,5 mmHg) i smanjuje se na približno (-6 mmHg) na kraju inspirijuma. Za to vreme pritisak u plućima varira u rasponu od 0 do -1,2 mmHg, tj. postaje blago negativan.

Pri maksimalnom udahu prečnik grudnog koša povećava se za 20%. Normalna broj disajnih ciklusa je 12 udisaja u minuti, a zapremina udahnutog vazduha pri jednom udahu je oko 500 ml. Prema tome, minutni volumen disanja ( ili količina vazduha koja prođe kroz pluća), prosečno je oko 6 litara u minuti.

Pasivna faza- izdisanje

U pasivnoj fazi spoljnjeg disanje – izdisanje, dijafragma se podiže naviše a zid grudnog koša se sužava, što dovodi do povećanja pritiska unutar pluća. Nakon što se otvori glotis, pritisak unutar pluća izbacuje vazduh, zajedno sa oslobođenim SO2 iz krvi, u atmosferu.

Unutrašnje disanje

Unutrašnje disanje je proces koji se odvija na nivou tkiva i ćelija, koje iz kiseonikom obogaćene krvi koriste kiseonik a u nju vraćaju ugljen dioksid. Ovaj mehanizam, poznat je i kao metabolički procesa, proizvodnje energije neophodne za život. Unutrašnje ili ćelijsko disanje je isti proces, koji se odvija postepeno, u nekoliko koraka, a čiji je rezultat pretvaranje energije uskladištene u molekulima glukoze u upotrebljivu hemijsku energiju u obliku ATP-a.

Regulacija disanja

Nerni sistem podešava veličinu alveolarne ventilacije potrebama organizma. Zahvaljujući tome, pritisci kiseonika i ugljen-dioksida u krvi se minimalno menjaju i kod teških opterećenja respiratornog sistema. Centar za disanje se nalazi u produženoj moždine i ponsu, a regulacija disanja se odvija kontinuiranim emitovanjem impulsa.

Krajnji cilj disanja je održavanje povoljnih koncentracija kiseonika, ugljen-dioksida i vodonikovih jona u telesnim tečnostima. Povećanje ugljen-dioksida ili vodonikovih jona utiče na respiraciju, tako što nadražuje centar za disanje i dovodi do uklanjanja viška gasova ubrzanjem respiracije. Regulacija ugljen-dioksida se vrši mehanizmom povratne sprege, tako da u toku pneumonija, emfizema i drugih plućnih bolesti, ovaj sistem može da poveća alveolarnu ventilaciju-disanje 5-7 puta.

Anatomija organa za disanje

Disajni sistem se sastoji od disajnih puteva i organa koji unose atmosferski vazduh u organizam.

Sastav disajnog sistema;

Usno-nosni prolaz,
Ždrelo,
Grkljan,
Dušnik,
Bronhije, bronhiole, alveolarni duktusi i alveole.

Usno nosni prolaz

Ustno nosni prolaz se sastoji iz usnica, usne šupljine,nozdrva i nosne šupljine-nazalni prolaz. Ovaj prolaza oblaže sluzokoža koja je prekrivena cilijarnim epitelom, čija je osnovna uloga filtriranje i vlaženje vazduha. Mehaničke nečistoće, iz udahnutog vazduha, sa zadržavaju u usnoj i nosnoj šupljini na ovlaženom epitelu odakle se mehaničkim putem odsranjuju iz nosa i ustiju (kašljanjem, kijanjem, pljuvačkom slinom) ili gutanjem.Sluz sa uhvaćenim česticama se pokreće jedan santimetar u minuti do konačnog izbacivanja ili gutanja. U nosu i ustima vazduh se zagreje i zašiti vodenom parom, pre nego stigne u pluća. Kada bi čovek udisao vazduh kroz običnu cev, suv i hladan vazduh koji dopire u donje delove pluća pogodovao bi infekciji. Vazduh koji ulazi kroz nosne šupljine je bolje filtriran vazduh od onoga koji ulazi kroz usta. Zato se savetuje da se disanje kad god je to moguće obavlja preko nosa.

Grkljan

Grkljan je organ disajnog sistema koji je smešten u prednjem delu vrata. Organ je cevastog obilika i počinje otvorom u donjem delu ždrela (hipofarinksu), a nastavlja se u dušnik (traheu). Glavna funkcija grkljana je disanje, dok je kroz evoluciju prilagođen i fonaciji (govoru). Posebnu ulogu u zaštiti sianja ima grkljanski poklopac (lat. epiglotis), koji sprečava da hrana završi u grkljanu i dalje u dušnik,tj sprećava aspiraciju i eventualno gušenje.

Žrelo

Ždrelo je telesna šupljina koja je sa jedne strane spaja usnu i nosnu šupljina a sa druge grkljan. Glavna uloga ždrela u procesu disanja je da primi vazduh iz nosne i usne šupljine i zagreje ga na temperaturu tela pre njegovog ulaska u respiratorni sistem.

Dušnik

Dušnik ili traheja, je cev kroz koju vazduh dospeva u bronhije.

Bronhije, bronhiole, alveolarni duktusi i alveole

Vazduh iz dušnika nastavlja kretanje naniže kroz bronhije i bronhiole, ka sve manjim prolazima, ili duktusima, dok ne dospe u alveole plućnog tkiva. Glavna dušnica, po ulasku u pluća, silazi koso nadole i obrazuje bronhijalno stablo. Plućni režnjić,je osnovna jedinica građe pluća, ima oblik piramide, veličine oko 1 sm² Kroz njegov vrh ulazi bronhiola koja se grana dajući sitne alveole, poluloptasta proširenja njenih zidova. Bronhiola formira strukture koje liče na grozdove a svaka bobica predstavlja alveolu

Alveola je najvažniji deo pluća, oblik mehurića prečnika 0,3 mm i u proseku ih ima oko 150 miliona. Alveole su tvorevine vrlo tankih zidova, kojih u plućima ima oko 300 miliona, sa ukupnom površinom koja je u kontaktu sa kapilarima od oko 70 m². Svaka mala alveola okružena je mrežom kapilara kojima se pridružuju arterije i vene. Na mikroskopskom pregledu kapilara se vidi, da promer njegovog zid čini samo jedna ćelija. Plućni kapilari su toliko uski da crvena krvna zrnca mogu da se kreću kroz njih samo u jednom nizu. Razmena gasova SO2 i O2 se odvija na nivou alveola.

funkcije disanja

Disanje ima nekoliko funkcija;

Unos kiseonika u telo,
Uklanjanje ugljen dioksida iz tela,
Regulacija telesne temperature,
Regulacija acido-bazne ravnoteže u telu.

Unos kiseonika u telo

Primarna funkcija disanja je unos kiseonika. Kiseonik ulazi u telo putem disajnog sistema, a zatim se u telu kroz cirkulatorni sistem dostavlja do svih njegovih delova. Sve ćelije u telu za potrebe metabolizma hrane imaju potrebu za kiseonikom.

Uklanjanje ugljen-dioksida iz tela

Ugljen dioksid je jedan od nusproizvoda u metaboličkim procesima. Ugljen dioksid se rastvara u plazmi krvi, koja ga zatim prenosi iz tkiva do pluća odakle se on izbacuje iz tela.

Kada ugljen dioksid uđe u kapilare, on reaguje sa vodom, te nastaje ugljena kiselina. Ta reakcija se ubrzava fermentima do 5000 puta. Već u sledećem trenutku ova kiselina disocira na bikarbonatne jone i u ovom bezopasnom stanju se prenosi do pluća. Ovim procesom je omogućeno da se ugljen dioksid 15-20 puta lakše transportuje.

Regulacija telesne temperature

Telesna temperature se obično održava u rasponu od (36.1 do 37,0 °S). Isparnje telesnih tečnost (kao što je znojenje) je jedna od metoda koja pomaže uklanjanju toplote i održavau toplotne ravnoteže tela. Vlažan vazduh tokom izdisanje takođe pomaže u procesu eliminacije toplote. Negativan efekat može biti gubitak velike količine toplote zbog velike površine pluća.

Regulacija acido-bazne ravnoteže u telu

Proces difuzije O2 i SO2 odvija se kroz semipermeabilnu membranu na osnovu razlike pritiska (rO2 i rSO2)

U telu postoji složena ravnoteža između količine kiseonika i ugljen-dioksida. Kretanje ugljen dioksida i kiseonika odvija se kroz brojne hemijske promene u hemoglobinu i krvnoj plazmi. Poremećaj u radu ovih hemijskih puteve menja hemijsku ravnotežu tela. Pod normalnim uslovima, relativni nivo acido-bazne ravnoteže (pN nivo) u telu je u rasponu od 7,35 do 7,45. Tokom disanja rasta parcijalni pritiska ugljen-dioksida, povećava se nivo kiselosti, i RN vrednost se snižava na manje od 7,3. Isto tako, previše malo ugljen dioksida izaziva porast bazne reakcije krvi i porast RN vrednosti. Budući da ljudsko telo održava acido-baznu ravnotežu unutar uskih granica, disajni centar mozga reaguje pri svakoj promeni RN i parcijalnog pritiska ugljen dioksida (pSO2) u krvi. Kada dođe do promena acido-bazne ravnoteže i pN, hemijski receptori aktiviraju disajni proces kako bi se rSO2 i RN nivo normalizovali. Raspon od 7,2 do 7,6 je kritična granica neophodne za kretanje kiseonika kroz krv i ulazak kiseonika u tkiva.

Razmena gasova u plućima i tkivima

Razmena gasova u plućima zasniva se na razlici rO2 i rSO2 u alvolama i krvnoj plazmi kapilara pluća

Kiseonik je zastupljen sa oko 20,9%, (21%) u gasnoj smeši naše atmosfere, a njegov delimični pritisak je 160 mmHg u suvom vazduhu na nivou mora, na temperaturi od oko 15°S.
Daltonov zakon; navodi da su delimični (parcijalni) pritisci gasa u gasnoj smeši jednaki pritisku gasa koji bi on ostvario ako bi sam zauzimao taj prostor. Svaka gasna komponenta u gasnoj mešavini vrši pritisak koji je proporcionalni udelu koji ona ima u mešavini.
Međutim ove vrednosti se menjaju kada udahnuti vazduh dospe u pluća. Suv atmosferski vazduh izložen je zasićenoj vodenoj pari, na telesnoj temperaturi od (37 ° C), i delimičnom pritisku vodene pare od 47 mmHg. U dušniku dakle delimični pritiska kiseonika iznosi (760 - 47) ili oko 150 mmHg.
Prolazeći kroz traheju ka alveolama, kiseonik se meša i sa ugljen dioksidom. Tako da kada dođe do alveola gde se odvija proces difuzije delimični pritisak kiseonika postaje još manji.
Delimični pritisak ugljen-dioksida u alveolama iznosi oko 40 mmHg , pa delimični pritiska kiseonika u najnižoj tački respiratornog sistema dostiže konačnu vrednost koja predstavlja respiratorni koeficijent i iznosi 103 mmHg .
Difuzija kiseonika (i ugljen-dioksida u suprotnom smeru) odvija se na nivou počev od respiratornih bronhiola naniže. Ipak većina difuzije odvija se u alveolama, koje su praktično okružene krvnim kapilarima. Površina alveolarno-kapilarane mreže je zadivljujuće velike, između 90 i 100 m2. Ako bi raširili alveole, dobili bi površinu koja pokriva dva teniska terena. Plućne membrana je izuzetno kompleksan sistem koji se sastoji od 6 slojeva. Uprkos velikom broju slojeva i izuzetnoj složenosti, ukupna debljina plućne membrane iznosi od 0,2-0,5 mikrometra. Ukupna količina krvi u plućnim kapilarima iznosi u proseku 60-140 ml. Difuzija u alveolama odvija se uz pomoć razlike pritiska kiseonika između alveola i krvi.
Kiseonik dospeo u alveole, ima parcijalni pritisak oko 100 mmHg.
U venskoj krvi koja se vraća u pluća delimični (rO2) kiseonika krvi je oko 40 mmHg.
Ova razlika pritiska omogućava da kiseonik iz alveola, tj iz oblasti višeg pritiska prelazi u kapilare u kojima je niža vrednost parcijalnog pritiska kiseonika.

Na razmenu gasova kroz plućne membrane utiču sledeći faktori;

Debljina površina alveolarne membrane. Promena debljine i redukcija površine membrane znatno umanjuje difuzijski kapacitet pluća, što smanjuje količinu kiseonika i zasićenje hemoglobina u krvi i utiče na pojavu hipoksije. Ove promene nastaju kada se u alveolama često nakuplja tečnost, tj. kad postoji otok pluća (edem), nadutost pluća (emfizem) zatim fibroza pluća, ali i mnoge druge bolesti pluća mogu dovesti do ovih poremećaja. Zadebljanje membrane može nastati i kao odbrambena reakcija organizam na povećane vrednosti kiseonika u vazduhu npr, kod veštačkog disanja i inhalacije 100% kiseonika preko maske ili u respiratorima i hiperbaričnim komorama.
Difuzijski kapacitet gasova. Difuzijski kapacitet gasova zavisi od stope difuzije nekog gasa koja je srazmerana njegovoj rastvorljivosta i gradijentu pritiska (ugljen dioksid, koji je više rastvorljiv nego kiseonik, ima bržu stopu difuzije).
Razlike u delimičnom (parcijalnom) pritisku gasova

Uloga eritrocita i hemoglobina u procesu disanja

Kada kiseonik dospe u alveole pluća, ona prolazi tanku ćelijsku barijeru alveola i kreće sa prema plućnim kapilarima gde se u krvi vezuje u labavu vezu sa hemoglobinom. Dakle, dolazi do zasićenja hemoglobina u eritrocitima krvi kiseonikom.

Glavnu ulogu u ovom procesu obavljaju eritrociti, kojih u organizmu ima 25 000 milijardi. Pošto se kiseonik prenosi slobodnom difuzijom, potrebno je da eritrocit upije molekule kiseonika. Prisustvo hemoglobina u eritrocitima omogućava krvi da prenese 30-100 puta više kiseonika, nego što bi mogla preneti da je kiseonik rastvoren u plazmi (svega 0,3%). U svakom molekul hemoglobina ima 4 atoma gvožđa, a svaki atom gvožđa vezuje jedan molekul kiseonika. Molekul hemoglobina u toku disanja menja svoj oblik, a to je najmanja molekularna struktura koja diše. Kada hemoglobin veže kiseonika - skuplja se, a kada otpušta kiseonika - širi se. To je paradoksalan proces u odnosu na onaj koji se dešava u plućima. Hemoglobin pokazuje izuzetnu kompleksnost i fleksibilnost da bi odigrao ulogu stalnog kordinatora količine kiseonika i ugljen-dioksida.

Ugljen dioksid difuzijom iz krvi prelazi u alveole na isti način. Delimični pritiska ugljen-dioksida (rSO2) u venskoj krvi u kapilarima je oko 46 mmHg, u odnosu na rSO2 od 40 mmHg u alveoli. Pri prolasku kroz krvne kapilare pluća, SO2 se kreće iz područja višeg rSO2 u kapilaru u područje niže vrednosti rSO2 u alveoli. Nakon ovoga SO2 tokom pasivna faze – izdisanja napušta telo.

Razmena kiseonika i ugljen dioksida između tkiva i kapilara se odvija na isti način kao i između alveola i kapilara. U tkivima pritisak kiseonika pada sa povećanjem udaljenosti od kapilara i najniži nivo se nalazi na sredini između dva kapilara.

Ako delimični pritisak kiseonika padne ispod 3 mmHg , u tkivima se razvija anaerobni metabolizam. Pod normalnim uslovima pritisak ugljen dioksida (pC02) raste u tkivima i nastaje mlečna kiselina koja uzrokuje proširenje kapilara. U mišićima kapilari se mogu povećati i do 200 puta , a većina je kapilara proširena i za vreme mirovanja, za razliku od mozga čiji se kapilari mogu povećati samo 4 puta. To je razlog zašto se hipoksija prvo javlja u mozgu a tek na kraju u mišićima, kao i zašto reverzibilne (trajne) posledice u mozku nastaju već nakom 5-10 minuta a u mišićima nakon 2 i više časova.

**Parcijalni pritisak gasova u različitim delovima respiratornog i cirkulacionog sistema (mmHg)**
Lokacija	pO2(mmHg)	pCO2(mmHg)	pH2O(mmHg)	pN2 (mmHg)
Udahnuti vazduh	158,0,	0,3	5,7	596,0
Alveolarni vazduh	100,0	40,0	47,0	573,0
Izdahnuti vazduh	116,0	32,0	47,0	565,0
Desno srce	40,0	46,0	47,0	573,0
Levo srce	95,0	40,0	47,0	573,0
Tkiva	-40,0	+46,0	47,0	573,0

Funkcija disanja sa promenom visine

Količina kiseonika i ugljen dioksida razmenjena preko alveolo-kapilarne membrane i krvi zavisi pre svega od razlike parcijalnog pritiska kiseonika i ugljen dioksida u alveolarnom vazduhu i njihovog parcijalnog pritiska u venskom delu kapilara.

Taj pritisak, i njegova diferencijalna razlika bitna je za pravilnu saturaciju kiseonikom krvi, posada vazduhoplova, jer sa visinom pada zasićenje krvi kiseonikom, zbog snižavanja atmosferskog pritiska vazduha. Ovaj pad u zasićenju krvi kiseonikom može da dovede do hipoksije, koja je posledica smanjene količine kiseonika u tkivima tela.

**Korelacija visine i zasićenja krvi kiseonikom**
Visina(m)	Atmosferski pritisak (mmHg)	pAO2(mmHg)	pVO2(mmHg)	Razlika pritiska(mmHg)	Zasićenje krvi kiseonikom(%)
na nivou mora	760 (664-803)	100	40	60	98
3.000	523	61	31	29	87
5.500	380	38	26	12	72
7.000	282	7	4	3	9
11.000	179	0	0	0	0