Ваздухопловна медицина/Садржај/Основи физиологије дисања

Процес дисања и дисање

Сви познати живи организми врше размену гасова са њиховом околином. Ова размена је познат као дисање. За одржавање живота, кисеоник мора бити инхалиран у плућа, затим процесом дифузије преко алвеоло-капиларне мембране, хемоглобина и плазме крви пренет до ткива и потом пренет у ћелије ткива у којима се обавља аеробни метаболизам.

Процеси дисање су;

• дисање,
• спољашње дисање
• унутрашње дисање и
• регулација дисања

Дисање

Дисање се може описати као спонтани, ритмички механички процес. Контракцијом и релаксацијом мишића у току дисања настаје кретања гасова из спољне средине у плућа и обратно, чиме тело добија један гасовити медиј за размену гасова.

Спољашње дисање

Спољашње дисање

Спољашње дисање се одвија у алвеолама плућа. Ваздух, који садржи кисеоник, из спољне средине механичким процесом дисања улази у алвеоле плућа. Из удахнутог ваздух у алвеолама, кисеоник дифузијом прелази у крвоток. У исто време, угљен диоксид дифузијом из венске крви прелази у алвеоле одакле са издахнутим ваздухом напушта плућа.

фазе спољашњег дисања

Дисајни циклус је несвестан процес који се непрекидно понавља, осим ако je због порењећаја свести настане поремећај у његовој регулацији. Спољашње дисање одвија се у две фазе:

• Активна фаза-удисање

Кретање ваздуха према плућима је активна фаза спољњег дисања, или удисање. Оно је узроковано ширењем зида грудног коша и спуштањем дијафрагме наниже. Удaх повећава волумен плућа и у њима ствара подручје ниског притиска. Будући да је већи притисак споља, ваздух продире у плућа.

У току мирног дисања интраплеурални притисак, у односу на атмосферски на почетку удисања, је око (-2,5 mmHg) и смањује се на приближно (-6 mmHg) на крају инспиријума. За то време притисак у плућима варира у распону од 0 до -1,2 mmHg, тј. постаје благо негативан.

При максималном удаху пречник грудног коша повећава се за 20%. Нормална број дисајних циклуса је 12 удисаја у минути, а запремина удахнутог ваздуха при једном удаху је око 500 мл. Према томе, минутни волумен дисања ( или количина ваздуха која прође кроз плућа), просечно је око 6 литара у минути.

• Пасивна фаза- издисање

У пасивној фази спољњег дисање – издисање, дијафрагма се подиже навише а зид грудног коша се сужава, што доводи до повећања притиска унутар плућа. Након што се отвори глотис, притисак унутар плућа избацује ваздух, заједно са ослобођеним СО2 из крви, у атмосферу.

Унутрашње дисање

Унутрашње дисање је процес који се одвија на нивоу ткива и ћелија, које из кисеоником обогаћене крви користе кисеоник а у њу враћају угљен диоксид. Овај механизам, познат је и као метаболички процеса, производње енергије неопходне за живот. Унутрашње или ћелијско дисање је исти процес, који се одвија постепено, у неколико корака, а чији је резултат претварање енергије ускладиштене у молекулима глукозе у употребљиву хемијску енергију у облику АТП-а.

Регулација дисања

Нерни систем подешава величину алвеоларне вентилације потребама организма. Захваљујући томе, притисци кисеоника и угљен-диоксида у крви се минимално мењају и код тешких оптерећења респираторног система. Центар за дисање се налази у продуженој мождине и понсу, а регулација дисања се одвија континуираним емитовањем импулса.

Крајњи циљ дисања је одржавање повољних концентрација кисеоника, угљен-диоксида и водоникових јона у телесним течностима. Повећање угљен-диоксида или водоникових јона утиче на респирацију, тако што надражује центар за дисање и доводи до уклањања вишка гасова убрзањем респирације. Регулација угљен-диоксида се врши механизмом повратне спреге, тако да у току пнеумонија, емфизема и других плућних болести, овај систем може да повећа алвеоларну вентилацију-дисање 5-7 пута.

Анатомија органа за дисање

Респираторни систем човека

Дисајни систем се састоји од дисајних путева и органа који уносе атмосферски ваздух у организам.

Састав дисајног система;

• Усно-носни пролаз,
• Ждрело,
• Гркљан,
• Душник,
• Бронхије, бронхиоле, алвеоларни дуктуси и алвеоле.

• Усно носни пролаз

Устно носни пролаз се састоји из усница, усне шупљине,ноздрва и носне шупљине-назални пролаз. Овај пролаза облаже слузокожа која је прекривена цилијарним епителом, чија је основна улога филтрирање и влажење ваздуха. Механичке нечистоће, из удахнутог ваздуха, са задржавају у усној и носној шупљини на овлаженом епителу одакле се механичким путем одсрањују из носа и устију (кашљањем, кијањем, пљувачком слином) или гутањем.Слуз са ухваћеним честицама се покреће један сантиметар у минути до коначног избацивања или гутања. У носу и устима ваздух се загреје и зашити воденом паром, пре него стигне у плућа. Када би човек удисао ваздух кроз обичну цев, сув и хладан ваздух који допире у доње делове плућа погодовао би инфекцији. Ваздух који улази кроз носне шупљине је боље филтриран ваздух од онога који улази кроз уста. Зато се саветује да се дисање кад год је то могуће обавља преко носа.

• Гркљан

Гркљан је орган дисајног система који је смештен у предњем делу врата. Орган је цевастог обилика и почиње отвором у доњем делу ждрела (хипофаринксу), а наставља се у душник (трахеу). Главна функција гркљана је дисање, док је кроз еволуцију прилагођен и фонацији (говору). Посебну улогу у заштити сиања има гркљански поклопац (лат. epiglotis), који спречава да храна заврши у гркљану и даље у душник,тј спрећава аспирацију и евентуално гушење.

• Жрело

Ждрело је телесна шупљина која је са једне стране спаја усну и носну шупљина а са друге гркљан. Главна улога ждрела у процесу дисања је да прими ваздух из носне и усне шупљине и загреје га на температуру тела пре његовог уласка у респираторни систем.

• Душник

Душник или трахеја, је цев кроз коју ваздух доспева у бронхије.

Размена гасова се одвија на нивоау алвеола и плућних капилара

• Бронхије, бронхиоле, алвеоларни дуктуси и алвеоле

Ваздух из душника наставља кретање наниже кроз бронхије и бронхиоле, ка све мањим пролазима, или дуктусима, док не доспе у алвеоле плућног ткива. Главна душница, по уласку у плућа, силази косо надоле и образује бронхијално стабло. Плућни режњић,је основна јединица грађе плућа, има облик пирамиде, величине око 1 см² Кроз његов врх улази бронхиола која се грана дајући ситне алвеоле, полулоптаста проширења њених зидова. Бронхиола формира структуре које личе на гроздове а свака бобица представља алвеолу

Алвеола је најважнији део плућа, облик мехурића пречника 0,3 мм и у просеку их има око 150 милиона. Алвеоле су творевине врло танких зидова, којих у плућима има око 300 милиона, са укупном површином која је у контакту са капиларима од око 70 м². Свака мала алвеола окружена је мрежом капилара којима се придружују артерије и вене. На микроскопском прегледу капилара се види, да промер његовог зид чини само једна ћелија. Плућни капилари су толико уски да црвена крвна зрнца могу да се крећу кроз њих само у једном низу. Размена гасова СО2 и О2 се одвија на нивоу алвеола.

функције дисања

Схема размене гасова у плућима

Дисање има неколико функција;

• Унос кисеоника у тело,
• Уклањање угљен диоксида из тела,
• Регулација телесне температуре,
• Регулација ацидо-базне равнотеже у телу.

Унос кисеоника у тело

Примарна функција дисања је унос кисеоника. Кисеоник улази у тело путем дисајног система, а затим се у телу кроз циркулаторни систем доставља до свих његових делова. Све ћелије у телу за потребе метаболизма хране имају потребу за кисеоником.

Уклањање угљен-диоксида из тела

Угљен диоксид је један од нуспроизвода у метаболичким процесима. Угљен диоксид се раствара у плазми крви, која га затим преноси из ткива до плућа одакле се он избацује из тела.

Када угљен диоксид уђе у капиларе, он реагује са водом, те настаје угљена киселина. Та реакција се убрзава ферментима до 5000 пута. Већ у следећем тренутку ова киселина дисоцира на бикарбонатне јоне и у овом безопасном стању се преноси до плућа. Овим процесом је омогућено да се угљен диоксид 15-20 пута лакше транспортује.

Регулација телесне температуре

Телесна температуре се обично одржава у распону од (36.1 до 37,0 °С). Испарње телесних течност (као што је знојење) је једна од метода која помаже уклањању топлоте и одржавау топлотне равнотеже тела. Влажан ваздух током издисање такође помаже у процесу елиминације топлоте. Негативан ефекат може бити губитак велике количине топлоте због велике површине плућа.

Регулација ацидо-базне равнотеже у телу

Процес дифузије О2 и СО2 одвија се кроз семипермеабилну мембрану на основу разлике притиска (рО2 и рСО2)

У телу постоји сложена равнотежа између количине кисеоника и угљен-диоксида. Кретање угљен диоксида и кисеоника одвија се кроз бројне хемијске промене у хемоглобину и крвној плазми. Поремећај у раду ових хемијских путеве мења хемијску равнотежу тела. Под нормалним условима, релативни ниво ацидо-базне равнотеже (pН ниво) у телу је у распону од 7,35 до 7,45. Током дисања раста парцијални притиска угљен-диоксида, повећава се ниво киселости, и РН вредност се снижава на мање од 7,3. Исто тако, превише мало угљен диоксида изазива пораст базне реакције крви и пораст РН вредности. Будући да људско тело одржава ацидо-базну равнотежу унутар уских граница, дисајни центар мозга реагује при свакој промени РН и парцијалног притиска угљен диоксида (pСО2) у крви. Када дође до промена ацидо-базне равнотеже и pН, хемијски рецептори активирају дисајни процес како би се рСО2 и РН ниво нормализовали. Распон од 7,2 до 7,6 је критична граница неопходне за кретање кисеоника кроз крв и улазак кисеоника у ткива.

Размена гасова у плућима и ткивима

Размена гасова у плућима заснива се на разлици рО2 и рСО2 у алволама и крвној плазми капилара плућа

• Кисеоник је заступљен са око 20,9%, (21%) у гасној смеши наше атмосфере, а његов делимични притисак је 160 mmHg у сувом ваздуху на нивоу мора, на температури од око 15°С.
• Далтонов закон; наводи да су делимични (парцијални) притисци гаса у гасној смеши једнаки притиску гаса који би он остварио ако би сам заузимао тај простор. Свака гасна компонента у гасној мешавини врши притисак који је пропорционални уделу који она има у мешавини.
• Међутим ове вредности се мењају када удахнути ваздух доспе у плућа. Сув атмосферски ваздух изложен је засићеној воденој пари, на телесној температури од (37 ° C), и делимичном притиску водене паре од 47 mmHg. У душнику дакле делимични притиска кисеоника износи (760 - 47) или око 150 mmHg.
• Пролазећи кроз трахеју ка алвеолама, кисеоник се меша и са угљен диоксидом. Тако да када дође до алвеола где се одвија процес дифузије делимични притисак кисеоника постаје још мањи.
• Делимични притисак угљен-диоксида у алвеолама износи око 40 mmHg , па делимични притиска кисеоника у најнижој тачки респираторног система достиже коначну вредност која представља респираторни коефицијент и износи 103 mmHg .
• Дифузија кисеоника (и угљен-диоксида у супротном смеру) одвија се на нивоу почев од респираторних бронхиола наниже. Ипак већина дифузије одвија се у алвеолама, које су практично окружене крвним капиларима. Површина алвеоларно-капиларане мреже је задивљујуће велике, између 90 и 100 m2. Ако би раширили алвеоле, добили би површину која покрива два тениска терена. Плућне мембрана је изузетно комплексан систем који се састоји од 6 слојева. Упркос великом броју слојева и изузетној сложености, укупна дебљина плућне мембране износи од 0,2-0,5 микрометра. Укупна количина крви у плућним капиларима износи у просеку 60-140 мл. Дифузија у алвеолама одвија се уз помоћ разлике притиска кисеоника између алвеола и крви.
• Кисеоник доспео у алвеоле, има парцијални притисак око 100 mmHg.
• У венској крви која се враћа у плућа делимични (рО2) кисеоника крви је око 40 mmHg.
• Ова разлика притиска омогућава да кисеоник из алвеола, тј из области вишег притиска прелази у капиларе у којима је нижа вредност парцијалног притиска кисеоника.

На размену гасова кроз плућне мембране утичу следећи фактори;

• Дебљина површина алвеоларне мембране. Промена дебљине и редукција површине мембране знатно умањује дифузијски капацитет плућа, што смањује количину кисеоника и засићење хемоглобина у крви и утиче на појаву хипоксије. Ове промене настају када се у алвеолама често накупља течност, тј. кад постоји оток плућа (едем), надутост плућа (емфизем) затим фиброза плућа, али и многе друге болести плућа могу довести до ових поремећаја. Задебљање мембране може настати и као одбрамбена реакција организам на повећане вредности кисеоника у ваздуху нпр, код вештачког дисања и инхалације 100% кисеоника преко маске или у респираторима и хипербаричним коморама.
• Дифузијски капацитет гасова. Дифузијски капацитет гасова зависи од стопе дифузије неког гаса која је сразмерана његовој растворљивоста и градијенту притиска (угљен диоксид, који је више растворљив него кисеоник, има бржу стопу дифузије).
• Разлике у делимичном (парцијалном) притиску гасова

Улога еритроцита и хемоглобина у процесу дисања

Крива засићења хемоглобина кисеоником

Када кисеоник доспе у алвеоле плућа, она пролази танку ћелијску баријеру алвеола и креће са према плућним капиларима где се у крви везује у лабаву везу са хемоглобином. Дакле, долази до засићења хемоглобина у еритроцитима крви кисеоником.

Главну улогу у овом процесу обављају еритроцити, којих у организму има 25 000 милијарди. Пошто се кисеоник преноси слободном дифузијом, потребно је да еритроцит упије молекуле кисеоника. Присуство хемоглобина у еритроцитима омогућава крви да пренесе 30-100 пута више кисеоника, него што би могла пренети да је кисеоник растворен у плазми (свега 0,3%). У сваком молекул хемоглобина има 4 атома гвожђа, а сваки атом гвожђа везује један молекул кисеоника. Молекул хемоглобина у току дисања мења свој облик, а то је најмања молекуларна структура која дише. Када хемоглобин веже кисеоника - скупља се, а када отпушта кисеоника - шири се. То је парадоксалан процес у односу на онај који се дешава у плућима. Хемоглобин показује изузетну комплексност и флексибилност да би одиграо улогу сталног кординатора количине кисеоника и угљен-диоксида.

• Угљен диоксид дифузијом из крви прелази у алвеоле на исти начин. Делимични притиска угљен-диоксида (рСО2) у венској крви у капиларима је око 46 mmHg, у односу на рСО2 од 40 mmHg у алвеоли. При проласку кроз крвне капиларе плућа, СО2 се креће из подручја вишег рСО2 у капилару у подручје ниже вредности рСО2 у алвеоли. Након овога СО2 током пасивна фазе – издисања напушта тело.

• Размена кисеоника и угљен диоксида између ткива и капилара се одвија на исти начин као и између алвеола и капилара. У ткивима притисак кисеоника пада са повећањем удаљености од капилара и најнижи ниво се налази на средини између два капилара.

• Ако делимични притисак кисеоника падне испод 3 mmHg , у ткивима се развија анаеробни метаболизам. Под нормалним условима притисак угљен диоксида (pC02) расте у ткивима и настаје млечна киселина која узрокује проширење капилара. У мишићима капилари се могу повећати и до 200 пута , а већина је капилара проширена и за време мировања, за разлику од мозга чији се капилари могу повећати само 4 пута. То је разлог зашто се хипоксија прво јавља у мозгу а тек на крају у мишићима, као и зашто реверзибилне (трајне) последице у мозку настају већ наком 5-10 минута а у мишићима након 2 и више часова.

Парцијални притисак гасова у различитим деловима респираторног и циркулационог система (mmHg)

Локација	pO2(mmHg)	pCO2(mmHg)	pH2O(mmHg)	pN2 (mmHg)
Удахнути ваздух	158,0,	0,3	5,7	596,0
Алвеоларни ваздух	100,0	40,0	47,0	573,0
Издахнути ваздух	116,0	32,0	47,0	565,0
Десно срце	40,0	46,0	47,0	573,0
Лево срце	95,0	40,0	47,0	573,0
Ткива	-40,0	+46,0	47,0	573,0

Функција дисања са променом висине

Количина кисеоника и угљен диоксида размењена преко алвеоло-капиларне мембране и крви зависи пре свега од разлике парцијалног притиска кисеоника и угљен диоксида у алвеоларном ваздуху и њиховог парцијалног притиска у венском делу капилара.

Тај притисак, и његова диференцијална разлика битна је за правилну сатурацију кисеоником крви, посада ваздухоплова, јер са висином пада засићење крви кисеоником, због снижавања атмосферског притиска ваздуха. Овај пад у засићењу крви кисеоником може да доведе до хипоксије, која је последица смањене количине кисеоника у ткивима тела.

Корелација висине и засићења крви кисеоником

Висина(m)	Атмосферски притисак (mmHg)	pАО2(mmHg)	pVO2(mmHg)	Разлика притиска(mmHg)	Засићење крви кисеоником(%)
на нивоу мора	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