الجهاز التنفسي: الهيكل والتشغيل

يتكون الجهاز التنفسي البشري من الجهاز التنفسي (العلوي والسفلي) والرئتين. الجهاز التنفسي مسؤول عن تبادل الغازات بين الكائن الحي والبيئة. كيف يتم بناء الجهاز التنفسي وكيف يعمل؟

من المفترض أن يمكّن الجهاز التنفسي البشري التنفس - عملية تبادل الغازات ، أي الأكسجين وثاني أكسيد الكربون ، بين الجسم والبيئة. تحتاج كل خلية في أجسامنا إلى الأكسجين لتعمل بشكل صحيح وتولد الطاقة. تنقسم عملية التنفس إلى:

• التنفس الخارجي - إمداد الخلايا بالأكسجين
• التنفس الداخلي - داخل الخلايا

يحدث التنفس الخارجي بسبب تزامن الجهاز التنفسي مع المراكز العصبية وينقسم إلى عدد من العمليات:

• تهوية الرئة
• انتشار الغاز بين الهواء السنخي والدم
• نقل الغازات عبر الدم
• انتشار الغازات بين الدم والخلايا

لعرض هذا الفيديو ، يرجى تمكين JavaScript ، والنظر في الترقية إلى متصفح ويب يدعم فيديو

هيكل الجهاز التنفسي

يتكون الجهاز التنفسي من:

• الجهاز التنفسي العلوي ، أي التجويف الأنفي (حذرنا) والحلق (البلعوم)
• الجهاز التنفسي السفلي: الحنجرة (الحنجرة)، ةقصبة الهوائية (ةقصبة الهوائية)، القصبات الهوائية (شعبتان) - اليمين واليسار ، والتي تنقسم إلى فروع أصغر ، وتتحول أصغرها إلى قصيبات (القصبات الهوائية)

الجزء الأخير من الشعب الهوائية يؤدي إلى الحويصلات الهوائية (الحويصلات الرئوية). يمر الهواء المستنشق عبر الجهاز التنفسي ويتم تطهيره من الغبار والبكتيريا والشوائب الصغيرة الأخرى ، ويتم ترطيبه وتدفئته. من ناحية أخرى ، فإن هيكل القصبات ، من خلال مزيج من الغضروف وعناصر العضلات المرنة والملساء ، يسمح لك بضبط قطرها. الحلق هو المكان الذي يتقاطع فيه الجهاز التنفسي والجهاز الهضمي. لهذا السبب ، عند البلع ، يتوقف التنفس ويغلق مجرى الهواء من خلال لسان المزمار.

• الرئتان - أعضاء مقترنة موجودة في الصدر.

من حيث الجوانب التشريحية والوظيفية ، تنقسم الرئتان إلى فصين (الرئة اليسرى إلى فصين والأيمن إلى ثلاثة) ، وتنقسم الفصوص أيضًا إلى شرائح ، وشرائح إلى فصيصات ، وفصيصات إلى مجموعات.

كل رئة محاطة بطبقتين من النسيج الضام - غشاء الجنب الجداري (غشاء الجنب الجداري) وغشاء الجنب الرئوي (غشاء الجنب الرئوي). بينهما التجويف الجنبي (التجويف الجنبي) ، ويسمح السائل الموجود فيه بالتصاق الرئة المغطاة بالجنبة الرئوية بالجنبة الجدارية الملتصقة بالجدار الداخلي للصدر.في المكان الذي تدخل فيه القصبات إلى الرئتين ، توجد تجاويف رئوية ، وبصرف النظر عن القصبات ، توجد أيضًا الشرايين والأوردة الرئوية.
بالإضافة إلى ذلك ، تشارك العضلات الهيكلية المخططة والدم ونظام القلب والأوعية الدموية والمراكز العصبية في عملية التنفس المعقدة.

تهوية الرئة

يتمثل جوهر التهوية في سحب الهواء الجوي إلى الحويصلات الهوائية. نظرًا لأن الهواء يتدفق دائمًا من ضغط مرتفع إلى ضغط منخفض ، فإن مجموعات العضلات المناسبة تشارك في كل شهيق وزفير ، مما يتيح حركات الشفط والضغط في الصدر.

في نهاية الزفير ، يكون الضغط في الحويصلات الهوائية مساويًا للضغط الجوي ، لكن أثناء سحب الهواء ، يتقلص الحجاب الحاجز (الحجاب الحاجز) والعضلات الوربية الخارجية (العضلة الوربية الخارجية) ، والذي بفضله يزداد حجم الصدر ويخلق فراغًا يمتص الهواء.

عندما يزداد الطلب على التهوية ، يتم تنشيط عضلات الشهيق الإضافية: عضلات القصية الترقوية الخشائية (العضلة القصية الترقوية الخشائية)، عضلات الصدر (العضلة الصدرية الصغيرة) ، عضلات الأسنان الأمامية (مسكولي سيراتي الأمامية) عضلات شبه منحرفة (مسكولي أرجوحة) ، عضلات الكتف الرافعة (العضلة الرافعة للكتف) ، عضلات متوازية الأضلاع الرئيسية والثانوية (musculi rhomboidei maiores et minores) والعضلات المائلة (اندمجت musculi).

الخطوة التالية هي الزفير. يبدأ عندما تسترخي عضلات الشهيق في ذروة الاستنشاق. عادةً ما تكون هذه عملية سلبية ، حيث أن القوى الناتجة عن العناصر المرنة المشدودة في أنسجة الرئة كافية لتقليل حجم الصدر. يرتفع الضغط في الحويصلات الهوائية فوق الضغط الجوي ويؤدي فرق الضغط الناتج إلى إزالة الهواء إلى الخارج.

يختلف الوضع قليلاً عند الزفير بقوة. نتعامل معها عندما يكون إيقاع التنفس بطيئًا ، عندما يتطلب الزفير التغلب على مقاومة الجهاز التنفسي المتزايدة ، على سبيل المثال في بعض أمراض الرئة ، ولكن أيضًا في النشاط الصوتي ، خاصة عند الغناء أو العزف على آلات النفخ. يتم تحفيز العصبونات الحركية لعضلات الزفير ، والتي تشمل: العضلات الوربية الداخلية (musculi interostales interni) وعضلات جدار البطن الأمامي ، وخاصة عضلات البطن المستقيمة (العضلة المستقيمة البطنية).

معدل التنفس

معدل التنفس متغير للغاية ويعتمد على العديد من العوامل المختلفة. يجب أن يتنفس الشخص البالغ من 7 إلى 20 مرة في الدقيقة. تشمل العوامل التي تؤدي إلى زيادة معدل التنفس ، والمعروفة تقنيًا باسم تسرع التنفس ، التمارين وحالات الرئة واضطرابات التنفس خارج الرئة. من ناحية أخرى ، قد ينتج بطء التنفس ، أي انخفاض ملحوظ في عدد الأنفاس ، عن أمراض عصبية أو آثار جانبية مركزية للأدوية المخدرة. يختلف الأطفال عن البالغين في هذا الصدد: فكلما كان الطفل صغيرًا ، زاد معدل التنفس الفسيولوجي.

أحجام الرئة وقدراتها

• TLC (سعة الرئة الكلية) - الحجم الموجود في الرئة بعد التنفس العميق
• IC - سعة الشهيق - يتم سحبها إلى الرئتين أثناء الشهيق العميق بعد الزفير الهادئ
• IRV (حجم احتياطي الشهيق) - حجم احتياطي الشهيق - يتم سحبه إلى الرئتين أثناء التنفس الأقصى المأخوذ في الجزء العلوي من الشهيق الحر
• التلفزيون (حجم المد والجزر) - حجم المد والجزر - يتم استنشاقه وزفيره أثناء الاستنشاق والزفير بحرية
• يظل FRC - القدرة المتبقية الوظيفية - في الرئتين بعد الزفير البطيء
• ERV (حجم احتياطي الزفير) - حجم احتياطي الزفير - إزالته من الرئتين أثناء الزفير الأقصى بعد الاستنشاق الحر
• RV (الحجم المتبقي) - الحجم المتبقي - يبقى دائمًا في الرئتين أثناء الزفير الأقصى
• VC (السعة الحيوية) - السعة الحيوية - يتم إزالتها من الرئتين بعد الشهيق الأقصى عند انتهاء الصلاحية القصوى
• IVC (القدرة الحيوية الشهيقية) - القدرة الحيوية المستنشقة - يتم سحبها إلى الرئتين بعد أعمق زفير مع أقصى قدر من الاستنشاق ؛ قد يكون أعلى بقليل من VC لأنه عند الزفير الأقصى متبوعًا بالاستنشاق الأقصى ، تغلق الموصلات السنخية قبل إزالة الهواء الذي يملأ الفقاعات

مع الإلهام المجاني ، يبلغ حجم المد والجزر 500 مل. ومع ذلك ، لا يصل كل هذا الحجم إلى الحويصلات الهوائية. حوالي 150 مل يملأ الجهاز التنفسي ، والذي لا تتوفر فيه شروط تبادل الغازات بين الهواء والدم ، أي التجويف الأنفي والبلعوم والحنجرة والقصبة الهوائية والشعب الهوائية والقصبات الهوائية. هذا يسمي الفضاء الميت التنفسي التشريحي. يتم خلط 350 مل المتبقي مع الهواء الذي يشكل السعة الوظيفية المتبقية ، ويتم تسخينه وتشبعه في نفس الوقت ببخار الماء. في الحويصلات الهوائية ، مرة أخرى ، ليس كل الهواء غازيًا. في الشعيرات الدموية لجدران بعض البصيلات ، لا يوجد تدفق دم أو يتدفق القليل جدًا لاستخدام كل الهواء لتبادل الغازات. هذه هي المساحة الفسيولوجية التنفسية وهي صغيرة في الأشخاص الأصحاء. لسوء الحظ ، يمكن أن تزيد بشكل كبير في حالات المرض.

متوسط ​​معدل التنفس عند الراحة هو 16 في الدقيقة ، وحجم المد والجزر 500 مل ، بضرب هاتين القيمتين ، نحصل على تهوية رئوية. ويترتب على ذلك أن حوالي 8 لترات من الهواء يتم استنشاقها وزفيرها في الدقيقة. أثناء القيام بأنفاس سريعة وعميقة ، قد تزيد القيمة بشكل ملحوظ ، حتى من عشرة إلى عشرين مرة.

كل هذه المعلمات المعقدة: تم إدخال القدرات والأحجام ليس فقط لإرباكنا ، ولكن لها تطبيق مهم في تشخيص أمراض الرئة. يوجد اختبار - قياس التنفس ، والذي يقيس: VC و FEV1 و FEV1 / VC و FVC و IC و TV و ERV و IRV. إنه ضروري لتشخيص ومراقبة أمراض مثل الربو ومرض الانسداد الرئوي المزمن.

انتشار الغاز بين الهواء السنخي والدم

الحويصلات الهوائية هي البنية الأساسية التي تتكون منها الرئتان. يوجد حوالي 300-500 مليون منها ، قطر كل منها من 0.15 إلى 0.6 ملم ، ومساحتها الإجمالية من 50 إلى 90 مترًا مربعًا.

يتم بناء جدران الجُريبات بواسطة طبقة ظهارة رقيقة ومسطحة وحيدة الطبقة. بالإضافة إلى الخلايا التي تشكل الظهارة ، تحتوي البصيلات على نوعين آخرين من الخلايا: الخلايا الضامة (خلايا الأمعاء) وكذلك النوع الثاني من الخلايا الجريبية التي تنتج الفاعل بالسطح. إنه مزيج من البروتينات ، الدهون الفوسفورية والكربوهيدرات المنتجة من الأحماض الدهنية في الدم. يعمل الفاعل بالسطح ، عن طريق تقليل التوتر السطحي ، على منع الحويصلات الهوائية من الالتصاق معًا ويقلل من القوى اللازمة لتمديد الرئتين. من الخارج ، الفقاعات مغطاة بشبكة من الشعيرات الدموية. تنقل الشعيرات الدموية التي تدخل الحويصلات دمًا غنيًا بثاني أكسيد الكربون والماء ، ولكن بكمية قليلة من الأكسجين. في المقابل ، في الهواء السنخي ، يكون الضغط الجزئي للأكسجين مرتفعًا وضغط ثاني أكسيد الكربون منخفض. يتبع انتشار الغاز تدرجًا للضغط الجزيئي للغاز ، لذلك تحجز كريات الدم الحمراء الشعرية الأكسجين من الهواء وتتخلص من ثاني أكسيد الكربون. يجب أن تمر جزيئات الغاز عبر الجدار السنخي وجدار الشعيرات الدموية ، أي من خلال: طبقة السائل التي تغطي السطح السنخي ، والظهارة السنخية ، والغشاء القاعدي ، والبطانة الشعرية.

نقل الغازات عبر الدم

• نقل الأكسجين

أولاً ، يذوب الأكسجين جسديًا في البلازما ، ولكنه ينتشر بعد ذلك عبر الغلاف إلى خلايا الدم الحمراء ، حيث يرتبط بالهيموغلوبين ليشكل أوكسي هيموغلوبين (الهيموغلوبين المؤكسج). يلعب الهيموجلوبين دورًا مهمًا جدًا في نقل الأكسجين ، لأن كل جزيء من جزيئاته يتحد مع 4 جزيئات أكسجين ، مما يزيد من قدرة الدم على نقل الأكسجين حتى 70 مرة. كمية الأكسجين المنقولة والمذابة في البلازما صغيرة جدًا بحيث لا علاقة لها بالتنفس. بفضل نظام الدورة الدموية ، يصل الدم المشبع بالأكسجين إلى كل خلية من خلايا الجسم.

• نقل ثاني أكسيد الكربون

ثاني أكسيد الكربون من الأنسجة يدخل الشعيرات الدموية وينتقل إلى الرئتين:

• حوالي 6٪ مذابة جسديا في البلازما وفي سيتوبلازم كريات الدم الحمراء
• حوالي 6٪ مرتبطة بمجموعات أمينية خالية من بروتينات البلازما والهيموجلوبين (مثل الكربامات)
• الغالبية ، أي حوالي 88 ٪ ، مثل أيونات HCO3 - مرتبطة بنظام عازلة البيكربونات للبلازما وكريات الدم الحمراء

انتشار الغازات بين الدم والخلايا

مرة أخرى ، تمر جزيئات الغاز في الأنسجة على طول تدرج الضغط: ينتشر الأكسجين المنطلق من الهيموجلوبين في الأنسجة ، بينما ينتشر ثاني أكسيد الكربون في الاتجاه المعاكس - من الخلايا إلى البلازما. بسبب الاختلافات في الطلب على الأكسجين للأنسجة المختلفة ، هناك أيضًا اختلافات في توتر الأكسجين. في الأنسجة ذات التمثيل الغذائي المكثف ، يكون توتر الأكسجين منخفضًا ، لذا فهي تستهلك المزيد من الأكسجين ، بينما يحتوي الدم الوريدي الذي يصرف الدم على كمية أقل من الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. يعتبر الاختلاف الشرياني الوريدي في محتوى الأكسجين معلمة تحدد درجة استهلاك الأنسجة للأكسجين. يتم إمداد كل نسيج بالدم الشرياني بنفس محتوى الأكسجين ، بينما قد يحتوي الدم الوريدي على كمية أكبر أو أقل منه.

التنفس الداخلي

التنفس على المستوى الخلوي هو عملية كيميائية حيوية متعددة المراحل تتضمن أكسدة المركبات العضوية التي يتم فيها إنتاج طاقة مفيدة بيولوجيًا. إنها عملية أساسية تحدث حتى عند توقف عمليات التمثيل الغذائي الأخرى (العمليات البديلة اللاهوائية غير فعالة وذات أهمية محدودة).

الدور الرئيسي تلعبه الميتوكوندريا - العضيات الخلوية ، التي تتلقى جزيئات الأكسجين المنتشرة داخل الخلية. يوجد على الغشاء الخارجي للميتوكوندريا جميع إنزيمات دورة كريبس (أو دورة الأحماض ثلاثية الكربوكسيل) ، بينما يوجد على الغشاء الداخلي إنزيمات السلسلة التنفسية.

في دورة كريبس ، تتأكسد مستقلبات السكر والبروتين والدهون إلى ثاني أكسيد الكربون والماء مع إطلاق ذرات الهيدروجين الحرة أو الإلكترونات الحرة. علاوة على ذلك في السلسلة التنفسية - المرحلة الأخيرة من التنفس داخل الخلايا - عن طريق نقل الإلكترونات والبروتونات إلى ناقلات متعاقبة ، يتم تصنيع مركبات الفوسفور عالية الطاقة. أهمها ATP ، أي الأدينوزين-5′-ثلاثي الفوسفات ، وهو ناقل عالمي للطاقة الكيميائية المستخدمة في استقلاب الخلية. يتم استهلاكه من قبل العديد من الإنزيمات في عمليات مثل التخليق الحيوي والحركة وانقسام الخلايا. إن معالجة الـ ATP في الكائنات الحية مستمرة ، ومن المقدر أن يقوم الإنسان كل يوم بتحويل كمية من الـ ATP مقارنة بوزن جسمه.

تنظيم التنفس

يوجد في القلب الممتد مركز للجهاز التنفسي ينظم وتيرة التنفس وعمقه. يتكون من مركزين لهما وظائف معاكسة ، بناهما نوعان من الخلايا العصبية. كلاهما يقع داخل التكوين الشبكي. في النواة المفردة وفي الجزء الأمامي من العصب المبهم الخلفي الغامض يوجد مركز الشهيق ، الذي يرسل نبضات عصبية إلى النخاع الشوكي ، إلى الخلايا العصبية الحركية للعضلات الشهية. في المقابل ، في النواة الغامضة للعصب المبهم وفي الجزء الخلفي من العصب المبهم الخلفي الغامض ، يوجد مركز الزفير ، الذي يحفز الخلايا العصبية الحركية لعضلات الزفير.

ترسل الخلايا العصبية في مركز الإلهام وابلًا من النبضات العصبية عدة مرات في الدقيقة ، والتي تمتد على طول الفرع النازل إلى الخلايا العصبية الحركية في النخاع الشوكي وفي نفس الوقت الذي يصعد فيه فرع المحور العصبي إلى الخلايا العصبية للتكوين الشبكي للجسر. يوجد مركز هوائي يعمل على تثبيط مركز الشهيق لمدة 1-2 ثانية ثم يقوم مركز الشهيق بالتنشيط مرة أخرى. بفضل الفترات المتتالية من التنبيه والتثبيط لمركز الشهيق ، يتم ضمان إيقاع التنفس.
يتم تنظيم مركز الشهيق بواسطة نبضات عصبية تنشأ في:

• المستقبلات الكيميائية الكبيبية العنقية والشريان الأبهر ، والتي تستجيب لزيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون ، أو تركيز أيونات الهيدروجين ، أو انخفاض كبير في تركيز الأكسجين الشرياني ؛ تنتقل النبضات من الجلطات الأبهري عبر العصب البلعومي اللساني والعصب المبهم. والنتيجة هي تسريع وتعميق الاستنشاق
• المستقبلات البينية لأنسجة الرئة والمستقبلات الحركية الصدرية.
• هناك مستقبلات ميكانيكية للتضخم بين العضلات الملساء للشعب الهوائية ، يتم تحفيزها عن طريق شد أنسجة الرئة ، مما يؤدي إلى الزفير ؛ ثم يقلل من امتداد أنسجة الرئة أثناء الزفير ، وينشط المستقبلات الميكانيكية الأخرى ، هذه المرة الانكماشية ، التي تؤدي إلى الشهيق ؛ هذه الظاهرة تسمى ردود فعل Hering-Breuer.
• يؤدي وضع الشهيق أو الزفير للصدر إلى تهييج المستقبلات المناسبة ويغير من وتيرة وعمق الأنفاس: كلما كان الشهيق أعمق ، زاد عمق الزفير الذي يليه ؛
• مراكز المستويات العليا للدماغ: القشرة الدماغية ، الجهاز الحوفي ، مركز التنظيم الحراري في منطقة ما تحت المهاد