Дихателна система и физическо натоварване; Списание Гален
Дихателната и сърдечно-съдовата системи заедно осигуряват ефективно снабдяване на тъканите с кислород, като същевременно елиминират въглеродния диоксид. Тези устройства играят важна роля за осигуряване на хомеостаза в покой и по време на тренировка, като поддържат частично налягане на дихателните газове и киселинно-алкален баланс. По отношение на повишаването на представянето на спортистите, разбирането на физиологичните механизми на дихателната система е от съществено значение за специалистите по спортна медицина.
съдържание
Дихателна физиология
Във физиологията терминът "дишане" може да има две значения:
- белодробно или външно дишане, включващо белодробна вентилация и газообмен между тялото и външната среда;
- клетъчно или вътрешно дишане, което се отнася до периферен газов обмен, а именно използване на кислород в тъканите и производство на въглероден диоксид. Връзката между двете вдишвания се осигурява от кръвоносната система.
Белодробното дишане е предмет на тази статия, която включва поне четири различни процеса [1]:
- белодробна вентилация, която е процесът, при който въздухът циркулира между белите дробове и външната среда;
- алвеоло-капилярна дифузия, дефинирана като обмен на газове между белите дробове и кръвта;
- пренос на кръв на кислород и въглероден диоксид;
- периферни газообмени, а именно преминаването на дихателни газове между капилярния сектор и тъканния сектор.
По-долу ще представим някои идеи за всеки от четирите процеса, не преди да изложим накратко диаграма на структурата на дихателната система.
Структура на дихателната система
Дихателната система включва носната кухина, фаринкса, трахеята, бронхиалното дърво и белите дробове. Те са обвити в двойна мембрана, наречена плевра - висцералната плевра, която прилепва към външната повърхност на белия дроб и париеталната плевра, която прилепва към гръдната стена и диафрагмата. Двата плеврални листа са разделени от тънко острие течност със смазваща роля, като вътреплевралното налягане е по-ниско от атмосферното налягане на вдишания въздух, което намалява още повече по време на вдишване. Дихателната система е разделена на проводяща зона и дихателна зона.
Проводима зона
Той включва структурите между носната или устната кухина и дихателната област, а именно: трахея, бронхиално дърво, бронхиоли и терминални бронхиоли. В допълнение към функцията за провеждане на въздух към дихателната област, това анатомично мъртво пространство играе важна роля за филтриране и овлажняване на въздуха. Процесът на филтриране се извършва по два начина: клетките от тази област произвеждат слуз, която позволява улавянето на малки вдишани частици и тяхното придвижване към фаринкса с мембранни удължения, наречени реснички, които имат движение към устната кухина със скорост 1-2 см/минута. Второто средство за защита на белите дробове от чужди частици е алвеоларните макрофаги. Функцията на цилиарната и алвеоларната макрофаги се променят от цигарения дим и други замърсители на въздуха.
Дихателна област
Включва дихателните бронхиоли, алвеоларните канали и алвеоларните торбички. Газообменът се осъществява чрез 300 милиона кладенци, малки торбички с диаметър между 0,25 и 0,50 мм. Увеличеният брой кладенци осигурява голяма площ за обмен на газ, с площ от 60-80 м 2, еквивалентна на половин тенис корт. Техният колапс по време на дишането се предотвратява от повърхностноактивно вещество, защитна течност, секретирана от алвеоларни клетки тип II, която намалява повърхностното напрежение на ниво алвеола [2].
Белодробна вентилация
Определя се като движение на въздуха между външната среда и белите дробове, белодробната вентилация е движението на въздушния стълб по дихателните пътища поради разликата в налягането между двата крайника. Вдишването се дължи на разликата в налягането между белия дроб и атмосферния въздух, като интрапулмоналното налягане е по-ниско от атмосферното. И обратно, издишването е възможно, когато вътреплевралното налягане надвишава атмосферното налягане.
вдъхновен
Вдъхновението е активен процес, осъществяван предимно от диафрагмата, но също така и от външните междуребрени мускули. По време на вдъхновение, с контракцията на диафрагмата, тя движи долната част на коремното съдържимо, а външните междуребрени мускули преместват гръдната кост и ребрата навън. Всички тези промени водят до увеличаване на размера на гръдния кош, едновременно с намаляване на налягането в белите дробове. В покой, при атмосферно налягане от 760 mmHg, интрапулмоналното налягане, което позволява на вдъхновението да намалее, намалява с 3 mmHg, но при интензивно физическо натоварване може да намалее с 80-100 mmHg. Също така, по време на принудително дишане могат да бъдат мобилизирани допълнителните вдъхновяващи мускули - стерноклеидомастоидният мускул, мащабните мускули (предни, средни, задни) и гръдните мускули, с ролята на увеличаване на размера на гръдния кош чрез допълнително превъзходно изместване на ребрата.
експираторен
Издишването е пасивен процес по време на почивка, който се дължи на еластичността на белите дробове и гръдния кош, които са склонни да се върнат в първоначалното положение преди разширяване на вдишването. При принудително издишване се намесват активни механизми, като например свиване на мускулите на издишване - вътрешни междуребрени мускули, коремни прави, вътрешни наклонени, голям гръбен, лумбален квадрат.
Обеми и капацитет на белите дробове
Таблица No. 1 включва дефиницията и стойностите на белодробните обеми и капацитети. Някои от тях могат да бъдат измерени с помощта на спирометрия. Тази техника се използва главно за диагностика на някои респираторни заболявания, като астма или хронична обструктивна белодробна болест.
Обеми и дихателен капацитет
Определение
Дихателни обеми
Количеството въздух, вдишано или издишано по време на нормално дишане
Запазете вдъхновяващ обем
Количеството въздух, което може да се вдиша над приливния обем по време на максимално вдишване
Резервирайте обема на изтичане
Количеството въздух, което може да бъде издишано по време на максимално издишване след дихателния обем
Количеството въздух, което остава в белите дробове след максималното издишване. Това е обемът на въздуха, който не може да се издиша
Дихателни възможности
Количеството въздух, което може да бъде изтласкано след максимално вдишване
Количеството въздух, което може да се вдиша след нормално издишване
Функционален остатъчен капацитет
Количеството въздух, което остава в белите дробове след нормално издишване
Общ белодробен капацитет
Количеството въздух в белите дробове в края на максимален дъх
Таблица 1. Обеми и дихателен капацитет
Алвеоло-капилярна дифузия
Представлява газовия обмен между алвеолите и белодробните капиляри, който позволява възстановяване на съдържанието на кислород в артериалната кръв и елиминиране на въглеродния диоксид от венозната кръв.
Алвеоло-капилярна мембрана
Венозната кръв от кухата вена се изпомпва от дясното сърце в белите дробове през белодробните артерии и капилярите. Последните образуват гъста мрежа около алвеолите, с малък капилярен диаметър, с размерите на червените кръвни клетки, така че на това ниво еритроцитите циркулират подравнени, което удължава времето за контакт с белодробната тъкан, за да се подобри ефективността на газовия обмен. В покой кръвта остава в непряк контакт с алвеоларния въздух за 0,75 сек. Алвеоло-капилярната бариера или мембрана е с дебелина 0,2-0,6 mm и се състои от алвеоларната стена, капилярната стена и базалните мембрани.
Белодробен кръвен поток
Белодробният кръвен поток в покой е между 4 и 6 L/min в зависимост от талията на човека, като е приблизително равен на потока на лявото сърце.
Q = белодробен кръвен поток
P = кръвно налягане
R = периферно съдово съпротивление
Въпреки че белодробният кръвен поток е равен на системния кръвен поток, наляганията и съпротивленията в белодробната територия са по-ниски от системните. Средното налягане в белодробната артерия е 15 mmHg, в сравнение със 100 mmHg в аортата. Ниското белодробно периферно съдово съпротивление може да се обясни с различната анатомия на белодробните кръвоносни съдове, които са по-тънки и имат по-ниско съдържание на гладки мускули.
Дифузия на кислород и въглероден диоксид
Дифузията на газове между отделните тъканни отделения е продиктувана от закона на Фик:
V = (P1 - P2) x D x A/G
V = скорост на дифузия
P1 - P2 = разлика в парциалното налягане на газа от двете страни на тъканта
D = коефициент на дифузия на газа
A = обменна площ
G = дебелина на тъканта
Структурата на дихателната система е добре адаптирана към газообмена, който може да се увеличи 20 пъти при физическо натоварване. Парциалните налягания на CO2 и O2 в кръвта, които достигат до белите дробове, са съответно 46 и 40 mmHg. Парциалните налягания на CO2 и O2 в алвеоларния въздух са съответно 40 и 105 mmHg. В резултат на това въглеродният диоксид се дифузира от кръвта в алвеолите, а кислородът от алвеоларния въздух в кръвта, оставяйки белите дробове с парциално налягане от 100 mmHg за O2 и 40 mm Hg за CO2. Вижда се, че градиентът на налягане за CO2 между капилярите и алвеолите е относително малък, само 6 mmHg, но е достатъчен, тъй като градиентът на дифузия на CO2 е 20 пъти по-висок от този на O2.
Съотношение на вентилация/инфузия
В предишните глави той обсъжда белодробния кръвен поток, съответно дифузията на газове през алвеоло-капилярната бариера. За да може газообменът да се осъществи оптимално, е необходимо белодробният кръвен поток (Q) да бъде пропорционален на алвеоларния въздушен поток (VA). С други думи, кладенецът трябва да се влива добре, но и добре да се проветрява, за да може газообменът да бъде оптимален. Дисбалансът между вентилацията и инфузията води до променен обмен на газ между алвеолите и кръвта в белодробните капиляри. Идеалното съотношение вентилация/инфузия (VA/Q) е 1, но в действителност съотношението далеч не е унитарно, като е различно в зависимост от белодробната област,> 1 в горната половина и H2CO3 -> H + + HCO3 -
H + йони се свързват с хемоглобина и предизвикват ефекта на Бор, измествайки неговата дисоциационна крива надясно. HCO3 йони - дифузират от плазмените еритроцити в замяна на Cl йони - йонообмен, известен като феномен Хамбургер. Кръвта достига до белите дробове, където протича обратната реакция и СО2 изтича:
Обмен на тъканни газове
Способността на кислорода да се извлича от тъканите е пряко пропорционална на интензивността на клетъчния аеробен метаболизъм. Артерио-венозната разлика в кислорода може да се увеличи от 4-5 ml O2/100 ml кръв до 17-18 ml O2/100 ml кръв на мускулно ниво. Веднъж освободен в сарколемата, кислородът се транспортира до митохондриите от миоглобин, протеин, подобен на хемоглобина, но с по-висок афинитет към О2. След окислителния мускулен метаболизъм се произвежда СО2, който в зависимост от градиента на налягането се дифузира в кръвния сектор, през който се транспортира до белите дробове.
Нервен контрол на вентилацията
Поддържането на PO2, PCO2 и рН на кръвта възможно най-близо до нормалното по време на тренировка изисква перфектна координация между сърдечно-съдовата и дихателната системи. Това до голяма степен се постига чрез неволно регулиране на белодробната вентилация. Този контрол все още не е изяснен напълно поради сложността на участващите нервни връзки. Дихателните мускули се активират от моторни неврони под контрола на дихателните центрове в мозъчния ствол (инспираторният и експираторен център на гръбначната крушка), като тези центрове диктуват ритъма и амплитудата на дишането. В същото време горните кортикални центрове могат да поемат доброволен контрол върху дишането, комуникирайки директно с моторните неврони на дихателните мускули. Два други центъра участват в регулирането на вентилацията - апнеустичният център стимулира инспираторния център в крушката, позволявайки удължаване на вдишването, а пневмотаксичният център изпраща инхибиторни импулси с ролята на регулиране на инспираторния обем.
Дишането не се регулира само под нервен контрол. Той може да бъде повлиян и от централни (крушка) или периферни (аортна пръчка, каротидни синуси) хеморецептори, които са чувствителни към промени в кръвните газове. Също така, скелетните мускули могат да се намесят в регулирането на вентилацията, чрез химио- и механорецептори.
Дишане при физическо натоварване
Белодробната вентилация за една минута е равна на произведението от дихателната честота и дихателния обем.
V (L/min) = FR x VT
По време на физическо усилие може да се увеличи въз основа на двата компонента, така че (таблица №3):
- дихателната честота в покой е 12-15 вдишвания/мин., може да се увеличи в усилието 3 до 4,5 пъти, до около 50-60 вдишвания/мин;
- дихателният обем (0,5 L в покой) може да се увеличи при физическо натоварване 6-7 пъти, но не повече от стойността на жизнената способност;
- по този начин, от 6-7 L/min, вентилацията може да се увеличи до над 150 L/min.
| Почивка/Физически усилия | Дихателна честота (вдишвания/мин) | Дихателен обем(L/дъх) | Белодробна вентилация (L/min) |
| Почивка | 12 | 0,5 | 6 |
| Умерено физическо натоварване | 30 | 2.5 | 75 |
| Интензивно физическо натоварване | 50 | 3.0 | 150 |
Таблица 3. Стойности на белодробната вентилация в покой и по време на умерено и интензивно физическо натоварване
Увеличаването на вентилацията в началото на физическото натоварване се извършва на два етапа: квази-непосредствено, внезапно, последвано от постепенно увеличаване. Първият от тях се дължи на проприорецепторите в мускулите и ставите, които предизвикват очакван отговор на моторната кора, стимулирайки инспираторния център, за да регулира вентилационния отговор. Вторият етап е резултат от метаболитна активност, предизвикана от физическо натоварване, включваща температурни вариации и химични промени в кръвния и мускулния сектор. По този начин чрез централните и периферните хеморецептори се стимулират инспираторните центрове. Регулирането на вентилацията при физическо натоварване е сложен процес, който включва не само намесата на невронни и химични механизми, но и влиянието на хормоните на стреса, електролитите и температурата върху дихателните центрове с различни средства.
Астма, предизвикана от физическо натоварване
Астмата, предизвикана от физическо натоварване, се определя като преходно стесняване на дихателните пътища след или по време на физическо натоварване, което се случва при пациенти с недиагностицирана астма и включва симптоми като кашлица, диспнея, хрипове. Някои автори предпочитат термина индуцирана от усилие бронхоконстрикция и се среща при 55% от високоефективните спортисти, които практикуват зимни спортове или плуване през детството или по-късно в спортната си кариера [4,5]. Тази патология е свързана с бронхоспазъм поради продължителна хипервентилация, етиопатогенният механизъм все още не е изяснен напълно, като се постулират две хипотези - термичната хипотеза и осмотичната.
По отношение на термичната хипотеза, бронхоспазмът е резултат от понижаване на температурата в бронхиалното ниво поради хипервентилация, последвано от бързо повишаване на температурата в края на физическата активност. Тези две събития причиняват вазоконстрикция, реактивна хиперемия в бронхиалната микроциркулация, оток на стената, което води до стесняване на бронхиалния диаметър. В осмотичната теория продължителната хипервентилация в среда със сух въздух причинява топлинни загуби чрез изпаряване на водата от дихателните пътища. Извънклетъчната течност в лигавицата става хиперосмоларна, което води до преминаване на вода от вътреклетъчната към извънклетъчната среда. Тази вътреклетъчна дехидратация води до освобождаване на възпалителни медиатори от мастоцитите и епителните клетки (хистамин, простагландини, левкотриени), медиатори, които причиняват бронхиален оток и бронхоспазъм чрез възпалителен механизъм [6].
Независимо от постулираните хипотези, появата на предизвикан от упражнения бронхоспазъм е резултат от комбинация от фактори на околната среда и генетични фактори. Спортовете, които най-често се сблъскват с тази патология, са зимни спортове, кънки, плуване, поло [5,7].
Адаптиране на дихателната система към спортни постижения
Многобройни специализирани проучвания са фокусирани върху промените в дихателната система при спортисти с добри резултати. Те бяха количествено определени чрез спирометрия, спортисти с по-високи стойности в сравнение със заседналите хора по отношение на спирометричните параметри, като най-високите белодробни стойности са отбелязани при спортове за издръжливост - гребане, плуване, маратон, триатлон, петобой, колоездене [8 ]. Друго проучване сравнява спирометричните стойности между различните спортни игри, като дихателните обеми са по-високи при поло в сравнение с футбола, хандбала или баскетбола [9].
Изучаването на физиологичните параметри на спортистите с представяне е уникална възможност за изследване на човешките адаптации към различни видове физически усилия и тренировки. Освен това, разбирането на ефектите от физическото натоварване върху човешкото тяло може да доведе до физиологични разсъждения за прилагането на препоръки за упражнения и физическа активност при пациенти с различни патологии; този клон на спортната медицина има голяма перспектива в бъдеще [10].