Mechanizm oddychania i ośrodki regulujące go

Należy rozdzielić dwa pojęcia: oddychanie jako wymianę gazową pomiędzy komórkami a środowiskiem (składające się u człowieka z 3faz- oddychania zewnętrznego, rozprowadzania tlenu przez krew i oddychania wewnętrznego) oraz oddychania jako czysto mechaniczny proces wciągania powietrza do płuc(wdech) i wypuszczania go z powrotem (wydech). Ponieważ naczynia włosowate płuc bezustannie pobierają tlen z pęcherzyków płucnych i oddają CO2 jest więc oczywiste, iż płuca muszą być stale opróżniane i ponownie napełniane świeżym powietrzem. Człowiek oddycha około 15-18 razy na minutę.

Klatka piersiowa u człowieka jest tak zbudowana, aby łatwo mogła w każdej chwili zwiększać lub zmniejszać swoją objętość, a przez to i ciśnienie. W czasie wdechu następuje skurcz mięśni żebrowych, co odciąga przednie końce żeber i unosi je ku górze; ruch ten jest możliwy dzięki zawiasowemu umocnieniu żeber w kręgach piersiowych. W tym samym czasie dno klatki piersiowej- przepona- kurczy się zmniejszając tym swą wypukłość a zarazem zwiększając pojemność klatki piersiowej. Ponieważ jama opłucnej jest zamknięta, zwiększenie jej objętości wywołuje zmniejszenie ciśnienia w płucach i w momencie kiedy spadnie poniżej ciśnienia atmosferycznego, powietrze dostaje się do płuc przez tchawicę i oskrzela.
W czasie wydechu powietrze wydostaje się z płuc dzięki ich elastyczności i naciskowi ścian klatki piersiowej. W czasie wdechu płuca rozciągają się dotąd aż napełnią się powietrzem. Mięśnie żebrowe rozkurczają się wtedy, a żebra powracają na swoje pierwotne miejsce; równocześnie następuje rozkurcz przepony, a nacisk jelit wpukla ją do klatki piersiowej. Wymienione tutaj czynniki zmniejszają objętość klatki piersiowej i pozwalają skurczyć się elastycznym płucom, a przez to wypchnąć pobrane powietrze.

W czasie wydechu biernego rozkurcz mięśni żebrowych i przepony jest zbyt wolny, by wypchnąć powietrze przed następnym wdechem dlatego zaczyna działać drugi układ mięśni, który kurcząc się zmniejsza objętość klatki piersiowej. Obok mięśni unoszących żebra przy wdechu, drugi układ mięśni, których włókna przebiegają prostopadle do poprzednich, obniża końce żeber zmniejszając tym objętość klatki piersiowej. Mięśnie ściany brzusznej kurczą się również i unoszą jelita w górę. Te z kolei naciskają na przeponę i wypychają ją do klatki piersiowej przyspieszając tym skurcz płuc. Ściany klatki piersiowej nigdy nie naciskają na płuca w celu wypchnięcia powietrza, lecz przez zmniejszenie objętości jamy piersiowej mogą się skurczyć same dzięki własnej elastyczności. Kichanie i kaszel są pewnym rodzajem szybkiego wdechu, w którym szybki skurcz mięśni ściany brzucha powoduje nacisk jelit na przeponę, wskutek czego następuje gwałtowne zmniejszenie objętości jamy piersiowej i wypchnięcie powietrza z płuc. Między jednym a drugim oddechem ciśnienie powietrza w płucach jest równe ciśnieniu atmosferycznemu. W chwili rozpoczęcia wdechu ciśnienie w płucach jest nieco niższe od atmosferycznego, dzięki czemu powietrze wchodzi do płuc. Pod koniec wdechu wchodzące stale powietrze wyrównuje tę różnicę ciśnień. W momencie zaczynającego się wydechu elastyczność płuc powoduje ściskanie zawartego w nich powietrza, dopóki ciśnienie nie wzrośnie o 2 do 3 mm Hg ponad ciśnienie atmosferyczne i nie zacznie wypychać powietrza z płuc. Oczywiście pod koniec wydechu ciśnienie wyrównuje się.

Ośrodki kontrolujące oddychanie

Skoro organizm wymaga różnej ilości tlenu w zależności od tego czy znajduje się w spoczynku, czy też w trakcie pracy, szybkość i głębokość wdechu muszą przystosować się automatycznie do zmieniających się warunków. W czasie pracy zużycie tlenu przez mięśnie i inne tkanki może wzrosnąć 4-5-krotnie.

Oddychanie wymaga skoordynowanego działania wielu mięśni, które podlegają ośrodkowi oddechowemu, specjalnej grupie komórek znajdujących się w rdzeniu przedłużonym. Z ośrodka oddechowego, (składa się z ośrodka wdechu i ośrodka wydechu) wychodzą rytmiczne bodźce nerwowe zmuszające mięśnie żeber i przepony do skoordynowanych skurczów w odstępach 4-5 sekund. W normalnych warunkach ruchy oddechowe przebiegają automatycznie, bez udziału naszej woli. Jeżeli jednak ulegną zniszczeniu odgałęzienia nerwowe dochodzące do przepony i mięśni żebrowych, jak w przypadku paraliżu dziecięcego ruchy oddechowe zatrzymują się natychmiast. Oczywiście możemy dowolnie zmieniać częstość i głębokość oddechów. Możemy wstrzymać oddech na pewien okres czasu, lecz nie na bardzo długo, gdyż ośrodek oddechowy automatycznie wywołuje ruchy oddechowe.
Pytanie teraz dlaczego ośrodek oddechowy wysyła impulsy okresowo? Na podstawie doświadczeń ustalono, że jeżeli przetniemy wszystkie połączenia ośrodka oddechowego z innymi częściami mózgu to znaczy nerwy czuciowe i połączenia z ośrodkiem nadrzędnym to ośrodek wysyła ciągły strumień impulsów wywołujących stały skurcz mięsni oddechowych. Wtedy ośrodek oddechowy utrzymuje mięśnie oddechowe w stałym skurczu. Jeżeli jednak nerwy czuciowe lub nerwy z ośrodka nadrzędnego pozostawimy nietknięte, ruchy oddechowe będą odbywać się normalnie. Wynika z tego, że ośrodek oddechowy musi być okresowo hamowany, by mogło zachodzić normalne oddychanie. Ośrodek nadrzędny musi więc zatrzymywać wysyłanie impulsów ośrodka oddechowego, które wywołują skurcz mięśni oddechowych. Dalsze doświadczenia wykazały, iż ośrodek pneumotaksyczny, mieszczący się w przedniej części mostu, łącznie z ośrodkiem oddechowym w rdzeniu przedłużonym tworzą "wtórny obwód rezonansowy" zapewniający zasadniczą kontrolę czynności oddechowej. Rozszerzające się ściany pęcherzyków płucnych w czasie oddychania podrażniają występujące w nich komórki czuciowe, które z kolei wysyłają do mózgu impulsy hamujące działanie ośrodka oddechowego, aby mógł nastąpić wydech.

Istnieje jeszcze poza tym wiele innych dróg nerwowych, które pobudzają lub hamują działanie ośrodka oddechowego. Ostry ból jakiejś części ciała powoduje natychmiast przyspieszone oddychanie, Również tchawica i gardziel mają w nabłonku wyścielającym komórki czuciowe, które po podrażnieniu wysyłają bodźce do ośrodka oddechowego wstrzymujące jego działanie. Taki mechanizm ma olbrzymie znaczenie. Jeżeli jakiś drażniący gaz dostanie się do dróg oddechowych zostają podrażnione receptory, a oddech wstrzymany i następuje tzw. "łapanie tchu" niezależnie od naszej woli. Zapobiega to również dostaniu się drażniących substancji do płuc. Podobnie jest, jeżeli cząsteczka pokarmu wpadnie przypadkowo do tchawicy. Następuje wówczas natychmiastowe wstrzymanie oddechu i okruch pokarmu nie może dostać się do płuc i uszkodzić delikatnego ich nabłonka. W czasie pracy fizycznej oddechy stają się częstsze i gęstsze. Zapewnia to organizmowi zwiększoną dawkę tlenu i zapobiega nagromadzeniu się CO2. Stężenie CO2 w krwi jest głównym czynnikiem kontrolującym oddychanie. Zwiększenie się stężenia CO2 w krwi płynącej do mózgu wzmaga pobudliwość zarówno ośrodka oddechowego jak i ośrodka pneumotaksycznego. Wzmożenie czynności ośrodka oddechowego powoduje zwiększenie siły skurczu mięśni oddechowych i pogłębienie się oddechu, wzmożenie zaś aktywności ośrodka pneumotaksycznego zwiększa liczbę oddechów. Z chwilą gdy Stężenie CO2 wróci do normalnego poziomu i oba ośrodki przestaną być drażnione, ruchy oddechowe powracają do normy.
Opisany mechanizm działa również w kierunku przeciwnym. Gdy wykonamy kilka głębokich wdechów i wydechów to zredukujemy ilość CO2 w krwi do tego stopnia, iż na pewien czas ustaną ruchy oddechowe, a powrócą ponownie, jeżeli ilość CO2 wzrośnie znowu do normalnego stężenia. Pierwszy oddech noworodka zostaje właśnie zainicjonowany przez ten mechanizm. Zaraz po urodzeniu się dziecka, kiedy zostanie ono odcięte od łożyska, wzrasta stężenie CO2 w krwi i podrażnia ośrodek oddechowy, który wysyła impulsy do mięśni żeber i przepony, a te kurcząc się wywołują pierwszy oddech. W przypadku zachodzących trudności w wykonaniu pierwszego oddechu wtłacza się noworodkowi do płuc powietrze z 10-procentową zawartością dwutlenku węgla w celu uruchomienia tego mechanizmu.

Doświadczenia potwierdziły, iż raczej wzrost ilości CO2 w krwi niż obniżenie zawartości tlenu podrażnia ośrodek oddechowy. Jeżeli umieścimy człowieka w szczelnej komorze i będzie on oddychał stale tym samym powietrzem to ilość tlenu będzie się stopniowo zmniejszać. Jeśli umieścimy w komorze chemiczny pochłaniacz absorbujący stale powstający dwutlenek węgla, tak iż nie wzrasta jego stężenie z płucach i krwi, oddech człowieka zostanie przyspieszony jedynie w małym stopniu, nawet gdy przedłużymy doświadczenie do momentu znacznego obniżenia się zawartości tlenu. Jeżeli natomiast wyłączymy z doświadczenia pochłaniacz CO2 i pozwolimy na gromadzenie się tego gazu w powietrzu i krwi, następuje znaczne przyspieszenie oddychania, aż do objawów dławienia się i duszenia włącznie. Przy doprowadzeniu powietrza o normalnej zawartości tlenu, lecz o zwiększonej ilości CO2 następuje wyraźne przyspieszenie oddychania. Jest więc oczywiste, że głównym czynnikiem drażniącym ośrodek oddechowy jest wzrost stężenia CO2 , a nie zmniejszenie się zawartości tlenu.

Dodatkowym zabezpieczeniem przed niepożądanymi zmianami ilości tlenu i CO2 w krwi są maleńkie nabrzmienia u podstawy każdej tętnicy szyjnej, zwane zatokami szyjnymi. Zawierają one receptory czułe na chemiczne zmiany krwi. Przy wzroście ilości CO2 lub zmniejszeniu zawartości tlenu we krwi receptory wysyłają do ośrodka oddechowego w rdzeniu przedłużonym bodźce wzmagające jego aktywność.