Дыхательная система

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Автономная некоммерческая организация

дополнительного профессионального образования

«Межрегиональный институт развития образования»

Урок 3. Дыхательная и костная система

Между организмом и окружающей средой постоянно происходит газообмен – обмен газов между наружным воздухом и кровью. Газообмен (дыхание) – функция дыхательной системы. В дыхательной системе выделяют воздухоносные пути – носовую полость, глотку, гортань, трахею, бронхи и дыхательную часть – легкие.

Различают внешнее – легочное и внутриклеточное –тканевое дыхание.

Легочное дыхание – это обмен газов в легких. При вдохе кислород в составе вдыхаемого воздуха по воздухоносным путям поступает в легкие. При прохождении по воздухоносным путям воздух очищается, согревается и увлажняется. В легочных пузырьках, или альвеолах, окруженных густой сетью ка- пилляров, происходит газообмен. Эластичная ткань легких содержит в зависимости от роста тела человека от 200 до 600 млн альвеол. При нормальных условиях в состоянии покоя функционирует около половины легочной ткани. При нагрузке число действующих легочных альвеол увеличивается.

Альвеолы при вдохе заполняются атмосферным воздухом. Через стенки альвеол и капилляров происходит переход кислорода из воздуха, заполняющего альвеолы, в кровь, а углекислого газа – из крови в полость альвеол. Газообмен обусловлен разностью давления: парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе выше, чем в крови, а давление углекислого газа, наоборот, в крови выше, чем в альвеолах. При выдохе углекислый газ выделяется в окружающую среду.

Кислород, поступивший в кровь, разносится по всему организму и переходит из крови в ткани, где участвует в окислительных процессах. В тканях в результате обмена веществ образуется углекислый газ; из тканей он поступает в кровь и вместе с кровью поступает в легкие. Переход газов в тканях также обусловлен разностью давления. Обмен газов, происходящий в тканях, называется тканевым дыханием.

Дыхание совершается автоматически, но подчинено коре головного мозга, поэтому может управляться человеком произвольно. Дыхательный центр расположен в продолговатом мозгу (отдел головного мозга). При возбуждении дыхательного центра происходит вдох, при торможении – выдох. Изменения состояния дыхательного центра, возбуждение и торможение, происходят рефлекторно через нервную систему и под влиянием некоторых веществ, находящихся в крови (гуморальное влияние).

В регуляции кислородного обмена важна роль углекислоты. Повышение концентрации углекислоты в крови, омывающей дыхательный центр, сопровождается его возбуждением. При этом увеличивается глубина и частота дыхания. В результате концентрация углекислоты в крови уменьшается. Понижение концентрации углекислоты в крови сопровождается торможением дыхательного центра. При этом уменьшается частота и глубина дыхания, что приводит снова к накоплению углекислоты в крови. Так происходит постоянное чередование этих процессов. Возбуждение дыхательного центра возникает также в результате раздражения углекислотой чувствительных нервных окончаний, имеющихся в стенках кровеносных сосудов.

На состояние дыхательного центра могут оказывать влияние химические вещества, поступающие в кровь (например, лекарства).

Легкие расположены в герметически закрытой грудной полости (клетке). Обмен воздуха в легких происходит в результате дыхательных движений грудной клетки. Основными дыхательными мышцами являются диафрагма и межребер- ные мышцы. Наполнение легких воздухом при вдохе происходит за счет расширения внутреннего пространства грудной клетки. При вдохе сокращаются наружные межреберные мышцы и диафрагма (при своем сокращении диафрагма опускается), поднимаются ребра, грудная клетка расширяется, вслед за увеличением объема грудной клетки расширяются и легкие, давление воздуха внутри них понижается, и в легкие по дыхательным путям засасывается порция воздуха.

При выдохе мышцы, участвующие в акте вдоха, расслабляются, диафрагма при этом поднимается, ребра в результате сокращения внутренних межреберных и других мышц, и вследствие своей тяжести опускаются, объем грудной клетки уменьшается, давление в легких повышается, и воздух из легких по воздухоносным путям устремляется наружу.

При усиленном или напряженном дыхании наряду с основными дыхательными мышцами в работу вовлекаются дополнительные.

Систематические занятия физическими упражнениями и спортом укрепляют дыхательную мускулатуру, способствуют увеличению объема и подвижности (экскурсии) грудной клетки, росту капиллярной сети в легких и др.

Работоспособность человека (в частности, спортсмена или физкультурника) определяется во многом тем, какое количество кислорода забрано из наружного воздуха в кровь легочных капилляров и доставлено в ткани. Окисление (расще- пление при участии кислорода) белков, жиров и углеводов сопровождается освобождением энергии, которая используется организмом для обеспечения процессов жизнедеятельности (см. п. 2.6.). Во время физических нагрузок потребность в кислороде значительно увеличивается. Это предъявляет повы- шенные требования к системам крови, кровообращению, дыханию, как внешнему, так и тканевому. Поэтому при мышечной работе эти системы подвержены изменениям, зависящим от объема и интенсивности нагрузки, вида физических уп- ражнений.

Рассмотрим некоторые показатели работы системы дыхания: дыхательный объем, частота дыхания, минутный объем дыхания (МОД), жизненная емкость легких (ЖЕЛ), максимальное потребление кислорода (МПК).

Дыхательный объем – объем воздуха, поступающий в легкие за один вдох или выходящий из легких при последующем выдохе при спокойном дыхании. В норме у взрослых людей 400-500мл, у спортсменов – 800 и более.

Частота дыхания – количество дыхательных циклов в минуту. В среднем у нетренированного человека частота в покое равна 16- 18 циклам. У тренированных режим дыхания в покое становится более экономным – 8-12 циклов, благодаря увеличению дыхательного объема. При физической нагрузке частота дыхания увеличивается до 40 циклов и более в минуту.

Минутный объем дыхания (МОД), или легочная вентиляция – объем воздуха, который проходит через легкие каждую минуту. Величина легочной вентиляции определяется умножением величины дыхательного объема на частоту дыхания. Легочная вентиляция в покое у взрослого человека составляет 6-8 л/мин, при напряженной физической нагрузке может достигать 120–150 л/мин, у квалифицированных спортсменов – более 150 л/мин. У тренированных людей газообмен в легких увеличивается преимущественно за счет увеличения глубины вдоха и выдоха, у нетренированных – преимущественно за счет увеличения частоты дыхания. В последнем случае дыхательные мышцы работают с большим напряжением, что приводит к их быстрому утомлению и отказу от работы.

Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) – максимальный объем воздуха, который может выдохнуть человек после максимального вдоха. В среднем, у нетренированных мужчин ЖЕЛ –3500 мл, у женщин – 3000 мл; у тренированных соответственно 4700 и 3500 мл. Под влиянием занятий некоторыми видами спорта (плаванием, бегом, лыжным спортом), в которых характер работы связан с усиленным дыханием, жизненная емкость легких может значительно увеличиваться и доходить до 7000 мл и более.

Потребление кислорода (ПК) – количество кислорода, фактически использованное организмом в состоянии покоя или при выполнении какой – либо работы

Максимальное потребление кислорода (МПК)- наибольшее количество О2, которое может усвоить организм при предельно интенсивной для него работе. Показатель МПК зависит от целого ряда факторов. Один из них – степень тренированности. У не занимающихся физическими упражнениями МПК находится на уровне 2,5 – 3 л/мин. У спортсменов высокого класса, особенно занимающихся циклическими видами спор- та, МПК может достигать: у женщин – 4 л/мин, у мужчин – 6 и более л/мин. МПК является показателем аэробной (кисло- родной) работоспособности организма. Высокий показатель МПК – залог устойчивости к воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды.

Рассматривая показатели работы дыхательной системы, следует определиться с понятиями «кислородный запрос» и «кислородный долг».

Кислородный запрос (минутный) – количество кислорода, необходимое организму в 1 минуту для окислительных процессов. В состоянии покоя для обеспечения процессов жизнедеятельности организму требуется 250 – 300 мл кислорода в минуту, при интенсивной мышечной работе во много раз больше (в 20 и более). Общий кислородный запрос – количество кислорода, необходимое организму для выполнения всей предстоящей работы.

Кислородный долг (минутный)- разница между кислородным запросом и количеством О2, которое потребляется за 1 мин.

Если в клетки тканей поступает кислорода меньше, чем нужно для обеспечения потребности в энергии, возникает кислородное голодание или гипоксия. Гипоксия наступает по ряду причин. Внешние – загрязнение воздуха, подъем на высоту (в горы, в самолете и др.), внутренняя – зависит от состояния ды- хательной и кровеносной систем, проницаемости стенок альвеол и капилляров, количества гемоглобина в крови и др.

Причиной гипоксии может быть гиподинамия – физическая детренированность. Ухудшение кровообращения при малоподвижном образе жизни расстраивает слаженную систему кислородного снабжения организма. В результате развивается кислородная недостаточность. Органы по-разному пе- реносят гипоксию различной длительности. Наиболее чувствительна к гипоксии кора головного мозга. Она первой реагирует на недостаток кислорода.

Систематическая физическая тренировка, совершенствуя системы дыхания, кровообращения, увеличивая содержание гемоглобина, скорость отдачи кислорода кровью и др., значительно расширяет возможности организма в потреблении кислорода, благодаря чему отдаляется наступление гипоксии.

Хороший газообмен – необходимое условие здоровья. Функцию дыхания, как и функцию кровообращения, наиболее эффективно развивают занятия на чистом воздухе циклическими видами физических упражнений с включением большого количества мышечных групп.

Помимо газообмена с деятельностью дыхательной системой связаны и другие функции. Например, обоняние и звукообразование.

Как говорилось выше, дыхание может управляться человеком произвольно. Поэтому существуют следующие рекомендации:

 дышать необходимо через нос. В случаях физической работы одновременно через нос и рот; при увеличении интенсивности – с акцентом на выдохе, так как при этом из легких полнее удаляется углекислый газ;

 следует помнить, что от интенсивного и длительного применения дыхательных упражнений, когда в крови резко понижается содержание углекислого газа, являющегося стимулятором дыхательного центра, может наступить обморок;

 при сгибании тела делать выдох, при выпрямлении –вдох;

 избегать задержек дыхания, что приводит к застою венозной крови в периферических сосудах;

 при выполнении силовых упражнений необходимо четко регулировать дыхание.

Вдох и выдох должны делаться в период расслабления – до начала или после окончания движения. Максимальные усилия возможны только при задержке дыхания, около-предельные – при задержке или на выдохе, средние и малые – при непрерывном дыхании.

2.Костная система

Костная система состоит из костей, соединенных между собой различными способами и образующих скелет – твердую опору человеческого тела, обуславливающую его форму. Скелет защищает от внешних воздействий внутренние органы. Например, в полости черепа расположен головной мозг, в позвоночном канале – спинной мозг, в грудной клетке сердце и легкие.

Движение костей происходит благодаря сокращению прикрепленных к ним мышц. В этом отношении скелет является пассивной частью опорно-двигательного аппарата.

Кость – сложно устроенный орган. Каждая кость снабжена нервами, кровеносными и лимфатическими сосудами. Неотъемлемой частью кости является костный мозг, расположенный внутри кости. Снаружи кость окружена надкостни- цей, пластинкой плотно сращенной с костью. Надкостница участвует в кровоснабжении кости, так как богата кровеносными сосудами и нервами, продолжающимися в толщу кости и является источником роста кости за счет имеющихся в ней клеток, участвующих в образовании костной ткани. За счет надкостницы кость восстанавливается после переломов. В состав кости входят органические (коллагеновые волокна, белки, жиры и углеводы) и неорганические вещества (главным образом соли кальция, фосфора и магния). Упругость (гибкость) кости зависит от наличия органических соединений, а твердость – от неорганических соединений. Соотношение органических и неорганических веществ в костной ткани у разных людей неодинаково, и даже у одного человека может меняться в зависимости от возраста, условий питания, проживания, функциональных нагрузок и пр. Кости детей обладают меньшей твердостью и большей упругостью. С возрастом увеличивается хрупкость костей.

Физический труд, занятия спортом, способствуют выработке более совершенных механических свойств кости, т.е. сопротивляемость на излом, сдавливание, растяжение, скручивание.

Структура скелета:

 скелет туловища – позвоночный столб и грудная клетка;

 скелет головы (череп);

 скелет верхней конечности. В нем выделяют плечевой пояс (лопатка, ключица) и свободную верхнюю конечность (плечо, предплечье, кисть). Плечевой пояс соединяет свободную верхнюю конечность с туловищем;

 скелет нижней конечности. В скелете нижней конечности различают: тазовый пояс и свободную нижнюю конечность (бедро, голень, стопа). Пояс нижней конечности служит для соединения свободной нижней конечности с туловищем.

Кости, образующие отделы скелета человека, различаются по форме, размеру и функции. Все кости человеческого тела соединены друг с другом. Кости могут соединяться одна с другой при помощи непрерывного соединения, когда щели между ними нет (например, соединения костей черепа). При прерывном соединении между концами соединяющихся костей имеется щель, или суставная полость. Прерывные соединения называются суставами, например, плечевой, тазобедренный, коленный, голеностопный суставы. Прерывные соединения отличаются значительно большей подвижностью, чем непрерывные. Способы суставных (прерывных) соединений сложны и разнообразны. Связки являются укрепляющим аппаратом сустава. Они состоят из прочных соединительнот- канных волокон и соединяют одну кость с другой.

Путем систематических упражнений можно увеличить степень подвижности в суставах. В условиях нормальной физиологической деятельности и двигательной активности суставы долго сохраняют амплитуду движений и медленнее под- вергаются старению. Чрезмерные физические нагрузки отрицательно сказываются на строении и функции суставов, приводят ограничениям подвижности и уменьшению амплитуды движений.

Основа скелета – позвоночный столб, являющийся опорой туловища. Он защищает находящийся внутри позвоночного канала спинной мозг и участвует в движениях туловища и головы. Позвоночник состоит из отдельных элементов – по- звонков, подвижно соединенных сухожильными связками. Между позвонками имеются упругие межпозвоночные диски. В позвоночнике, благодаря взаимодействию мышц туловища (мышцы живота, спины, поясницы и др.), возможны наклоны вперед и назад, вправо и влево, повороты, круговое движение.

В норме позвоночный столб имеет два изгиба вперед (шейный и поясничный лордозы) и два изгиба назад (грудной и крестцовый кифозы). Функциональные назначения изгибов и межпозвоночных дисков – ослаблять удары при ходьбе, беге, прыжках и т.д., то есть амортизировать неблагоприятные сотрясения тела, обусловленные прямохождением человека.

Малоподвижный образ жизни, недостаточно развитые и нетренированные мышцы неблагоприятно сказываются на позвоночнике – увеличиваются физиологические изгибы, ослабляется прочность межпозвоночных связок, деформируются межпозвоночные диски, возникает риск появления боковых искривлений (сколиоз).

Деформация позвоночника чревата отрицательными последствиями для организма, особенно в связи с тем, что в позвоночном канале расположен спинной мозг, являющийся отделом центральной нервной системы (ЦНС), обеспечиваю- щим связь внутренних органов и частей тела с головным мозгом. Искривление позвоночного столба, деформация межпозвоночных дисков, ослабление связок может привести к смещению позвонков и защемлению нервных окончаний. Это приводит к нарушению функции спинного мозга – проведение нервного импульса и, как следствие, к нарушению деятельности органов, управляемых ущемленными нервами.

Физические упражнения оказывают большое влияние на развитие позвоночного столба, предупреждая развитие сутулости, патологических боковых искривлений и являются также мощным средством исправления имеющихся дефектов.

Профилактикой сохранения здоровья позвоночника для тех, кому долго приходится сидеть в одной и той же позе (студент, кабинетный работник) служат кратковременные перерывы. Следует встать, потянуться, походить. Наиболее эф- фективными физическими упражнениями, при которых снижается нагрузка на межпозвоночные диски, является плавание на спине, когда создаются оптимальные условия функционирования самых подвижных отделов позвоночника – шейного и поясничного (см. п. 4.3).

Наряду с механическими функциями костная система выполняет ряд биологических функций. В костях содержится основной запас минеральных веществ (кальций, фосфор и др.), которые используется организмом по необходимости.

В костях находится красный костный мозг, вырабатывающий форменные элементы крови.

Систематические занятия физическими упражнениями, особенно силовыми и скоростно-силовыми, стимулируют перестройку кости. Кости, испытывающие наибольшую нагрузку, становятся более массивными и прочными. Замедляется старение костей.