Дихальна система

Дихальна система
Схема дихальної системи людини
Деталі
Ідентифікатори
Латина	systema respiratorium
MeSH	D012137
TA98	A06.0.00.000
TA2	3133
FMA	7158
Анатомічна термінологія

Ди́хальна систе́ма — відкрита система організму, яка забезпечує газообмін, формування гомеостазу в трахеобронхіальних шляхах, очищення повітря, яке вдихається, від чужорідних часток і мікроорганізмів, а також розпізнавання пахучих речовин в атмосферному середовищі.

Для підтримання дихальної системи в нормальному стані, має значення правильна організація побуту, загартовування, дотримання режиму праці та відпочинку, харчування. Сприятливо впливають на роботу дихальної системи фізична праця, заняття фізкультурою і спортом. Потрібно вчитися правильно дихати. Для цього треба застосовувати комплекси фізичних вправ, які розвивають дихання.^[1]

У наземних тварин система є внутрішньою і представлена оболонкою легенів.^[2] Газообмін у легенях відбувається в мільйонах маленьких повітряних мішечків. У ссавців і рептилій їх називають альвеолами, а у птахів – атріями. Ці мікроскопічні повітряні мішечки мають багате кровопостачання, що забезпечує тісний контакт повітря з кров’ю.^[3] Система дихальних шляхів, або порожнистих трубок, забезпечує взаємодію повітряних мішечків із зовнішнім середовищем; найбільшою з них є трахея, яка в середині грудної клітки розгалужується на дві головні бронхи, які входять у легені та розгалужуються на все вужчі вторинні та третинні бронхи, які, у свою чергу, розгалужуються на численні дрібніші трубки, відомі як бронхіоли у ссавців і рептилій. У птахів бронхіоли називаються парабронхами. Бронхіоли, або парабронхи, зазвичай відкриваються в мікроскопічні альвеоли (у ссавців) та передсердя (у птахів). Повітря має бути закачане з навколишнього середовища в альвеоли або передсердя за допомогою процесу дихання, в якому беруть участь дихальні м'язи.

У більшості риб та низки інших водних тварин (як хребетних, так і безхребетних дихальна система складається із зябер, які є частково або повністю зовнішніми органами,зануреними у водне середовище. Вода протікає через зябра за допомогою різних активних або пасивних механізмів. Газообмін відбувається у зябрах, які складаються з тонких або дуже плоских ниток та ламелей, що забезпечують контакт з водою дуже великої площі поверхні добре васкуляризованої тканини.

Інші тварини, такі як комахи, мають дихальні системи з дуже простими анатомічними особливостями, а у земноводних навіть шкіра відіграє життєво важливу роль у газообміні. Рослини також мають дихальні системи, але напрямок газообміну в них може бути протилежним до того, що спостерігається у тварин. Дихальна система рослин включає анатомічні особливості, такі як продихи, які знаходяться в різних частинах рослини.^[4]

Еволюція дихальної системи — це історичний розвиток органів газообміну у тварин, що полягає у поступовому переході від дифузії через поверхню тіла до формування спеціалізованих органів (зябер, трахей, легень). Основним вектором еволюції є збільшення площі дихальної поверхні та інтенсифікація обміну газів між організмом і середовищем.

Основні етапи, що вплинули на еволюції дихальної системи^[5]:

• зміна анаеробічного життя на аеробіотичне, тобто еволюція аеробної біохімії;

• акреція дифузійно-залежних одноклітинних організмів у багатоклітинні.Ці зміни вимагали ефективної системи доставки кисню до віддалених клітин тканин;

• формування замкненої кровоносної системи з відкритої (це покращило повернення крові до серця та доставку кисню по всьому тілу);

• еволюція пігментів-носіїв на основі металів, які покращили поглинання та перенесення кисню кров’ю/гемолімфою;

• формування інвагінованих органів дихання («легень»), перехід, необхідний для збереження води на висихаючому суходолі;

• фізичне переміщення з води на сушу(підкреслило використання легень як органів дихання, одночасно зменшивши значення зябер);

• розвиток подвійного кола кровообігу(це забезпечило ефективну доставку кисню до тканин);

• перехід від гетеротермії до гомойотермії, високого рівня метаболічного стану, що вимагав еволюції ефективних органів дихання.^[5]

Об'єм крові у легеневих кровоносних капілярах та її контакт із зовнішнім дихальним середовищем є фундаментальними для дихальної функції. Збільшена васкуляризація та випинання кровоносних судин над епітеліальною поверхнею збільшують як об'єм капілярної крові, так і площу дихальної поверхні. У легенях дводишних риб (Dipnoi), амфібій та багатьох видів рептилій, кровоносні капіляри розташовані на протилежних сторонах внутрішньолегеневих перегородок. Кровоносні капіляри контактують з повітрям лише з одного боку, утворюючи подвійну капілярну структуру.

У легенях ссавців кровоносні капіляри контактують з повітрям з двох боків, утворюючи єдине капілярне утворення. Повітряні та кровоносні капіляри в обмінній тканині легень птахів рясно переплітаються у трьох вимірах, утворюючи дифузне утворення.^[5]

Поділяється на повітроносні шляхи та респіраторний відділ. Респіраторний відділ складається з альвеолярних ходів і альвеол, які утворюють ацинуси. У них відбувається газообмін. Повітроносні шляхи охоплюють порожнину носа, глотку, гортань, трахею, бронхи різних калібрів, у тому числі бронхіоли. Тут повітря зігрівається (охолоджується), очищається від різноманітних частинок і зволожується. Також цей відділ забезпечує голосоутворення, нюх, імунний захист, депонування крові, регулює згортання крові, водно-сольовий баланс і виконує ендокринну функцію.

Стінка повітроносних шляхів складається з чотирьох оболонок:

• слизова — вкриває внутрішню поверхню повітроносних шляхів, вкрита епітелієм, під яким лежить власна пластинка слизової оболонки. Клітинний склад епітеліальної пластинки та кількість гладеньких міоцитів залежить від відділу повітроносних шляхів.
• підслизова — представлена пухкою волокнистою сполучною тканиною з великою кількістю кровоносних судин
• фіброзно-хрящова — утворена хрящовою тканиною та може бути представлена гіаліновим чи еластичним хрящем, що утворює жорсткий і міцний каркас, який дає змогу підтримувати відкритим просвіт повітроносних шляхів для виконання їх основного завдання — просування повітря
• адвентиційна оболонка — побудована із пухкої волокнистої сполучної тканини

Систему органів дихання людини становлять легені та повітроносні шляхи (носова порожнина, носоглотка, гортань, трахея, бронхи). Легені розміщені в грудній порожнині, в них відбувається процес обміну кисню і вуглекислого газу між кров'ю й атмосферним повітрям.

Повітроносні шляхи починаються носовою порожниною, розділеною кістково-хрящовою перегородкою на ліву і праву частини. Стінки носової порожнини вистелені слизовою оболонкою, яка вкрита війками, пронизана кровоносними судинами, сальними і потовими залозами. З носової порожнини повітря послідовно потрапляє в носоглотку і гортань. Вхід до гортані при ковтанні їжі закривається хрящовим надгортанником. У гортані розміщені складки — голосові зв'язки, щілина між якими називається голосовою. Нижній відділ гортані переходить у трахею, передня стінка якої утворена хрящовими півкільцями, а задня складається з гладеньких м'язів і прилягає до стравоходу. Трахея розгалужується на два бронхи, що входять у ліву і праву легені. Бронхи розгалужуються на дві повітроносні трубочки, діаметр яких поступово зменшується, і закінчується гронами легеневих пухирців.

За обсягом виконуваної роботи легені посідають друге місце після серця.^[6]

Під час окисних процесів утворюються продукти розпаду — вуглекислий газ, який повинен бути виведений із організму. Таким чином, одночасно із надходженням кисню має відбуватись і видалення вуглекислого газу. Цю роботу виконують органи дихання. Крім газообміну, дихання є важливим фактором теплорегуляції. Зігріваючи вдихуване повітря, легені втрачають теплову енергію. Значна кількість енергії витрачається при випаровуванні води з величезної поверхні. Ще легені виконують завдання виділення, тож крізь них виводяться з організму вуглекислий газ, аміак і деякі інші леткі речовини. При відхаркуванні та кашлі зі слизом видаляються деякі продукти обміну речовин, а також частинки пилу, мікроорганізми (які потрапляють в дихальні шляхи) і солі мінеральних речовин.

Процес дихання у класів саркодові, джгутикові, інфузорії, плоскі черви, кільчасті черви іде крізь поверхню тіла. У круглих червів процесу дихання майже немає, вони живуть ледве не без кисню. Ставковик звичайний дихає крізь дихальний отвір — легеня, а беззубка звичайна (жабурниця, клас двостулкові) вдихає повітря крізь ввідний сифон, потім кисень проходить через зябра і виходить крізь вивідний сифон. У павука у черевці легеневі мішки та трахеї, у хруща трахеї відкриваються дихальцями на черевці. Птахи дихають інакше, у них від легень відходять тонкостінні повітряні мішки, які виконують роль резервуарів повітря. Таким чином у птахів подвійне дихання (газообмін відбувається при вдиху і видиху).

Цікаво, що хоча сучасним вченим давно відома здатність деяких організмів існувати за мінімальної кількості кисню в середовищі, однак дослідження Тель-Авівського університету 2020 року засвідчили, що істота-паразит Henneguya salminicola, обходиться без кисню взагалі. Усередині свого носія (лосося) Henneguya salminicola, може вижити за безповітряних умов.^[7]

Нормальне дихання— це переважно мимовільний процес, який скеровується дихальним центром стовбура головного мозку. Його частота та глибина можуть змінюватися свідомо, але внутрішню потребу в ньому регулюють центри стовбура мозку.^[6]

Захворювання дихальної системи — це група патологічних процесів, що уражають дихальні шляхи (ніс, гортань, трахею, бронхи) та легені. Ці хвороби порушують основну функцію організму — газообмін і є однією з найпоширеніших причин звернення до лікарів.

За локалізацією та характером перебігу виділяють такі основні групи:

1. Інфекційні та запальні захворювання:

• Риніт — запалення слизової оболонки носа (нежить).
• Гайморит — запалення навколоносових пазух.
• Ларингіт — запалення гортані, що часто супроводжується втратою голосу.
• Трахеїт — запалення слизової оболонки трахеї.
• Бронхіт — ураження бронхів, що характеризується кашлем і виділенням мокротиння. Може бути гострим або хронічним.
• Пневмонія (запалення легень) — гостре інфекційне ураження легеневої тканини (альвеол).
• Плеврит — запалення оболонок, що оточують легені (плеври).

2. Хронічні обструктивні хвороби

• Бронхіальна астма — це хронічне алергічне запалення дихальних шляхів, що проявляється нападами задишки та ядухи.
• ХОЗЛ (Хронічне обструктивне захворювання легень) — прогресуюче обмеження повітряного потоку, часто спричинене курінням.^[8]

3. Специфічні стани

• Туберкульоз — інфекційне захворювання, що викликається паличкою Коха (Mycobacterium tuberculosis).
• Рак легені — злоякісне новоутворення, що розвивається з епітелію дихальних шляхів.
• Емфізема легень — патологічне розширення альвеол, що призводить до зниження еластичності легень.

• Біологічні чинники: віруси^[9] (грип, SARS-CoV-2), бактерії (пневмококи, стафілококи), грибки.
• Фізико-хімічні чинники: куріння, забруднення повітря пилом, хімічними випарами, смогом.
• Алергени: пилок рослин, шерсть тварин, побутова хімія.
• Генетична схильність — муковісцидоз).

Для більшості патологій характерні:

• Кашель (сухий або з мокротинням);
• Задишка (диспное) — відчуття нестачі повітря;
• Біль у грудній клітці при диханні;
• Кровохаркання (у важких випадках);
• Загальна слабкість та підвищення температури тіла.

Основними заходами запобігання хвороб є відмова від тютюнопаління, щорічна діагностична флюорографія, загартовування та підтримання чистоти повітря у приміщеннях.

Також лікарі рекомендують утримуватись від контакту із людьми, які хворіють на інфекційні захворювання дихальних шляхів.^[10]

Дихальна система більшості комах представлена безліччю повітроносних трубок — трахей, що пронизують все тіло і обплутують органи. Кінцеві гілки трахей закінчуються зірчастою трахейною клітиною, від якої відходять найтонші трахейні капіляри (трахеоли). Трахейна система комах є відкритою ((вільно сполучається з навколишнім повітрям), лише в деяких личинок, що живуть у воді, є закрита система. У разі закритої системи постачання трахейної порожнини киснем здійснюється за допомогою трахейних зябер, що уловлюють кисень, розчинений у воді. У процесі індивідуального розвитку дихальна система деяких комах може змінюватись. Наприклад, у одноденних, розвиток яких відбувається у водному середовищі, спочатку є шкірне дихання, потім для дихання використовуються трахейні зябра, і тільки у дорослих особин з'являється повноцінне трахейне дихання.^[11]

У павукоподібних органами дихання є трахеї трахеї (у фаланг, лжескорпіонів, сіножатей та деяких кліщів) або так звані легеневі мішки (у скорпіонів і джгутоногих), іноді й ті, й інші разом (у павуків). У нижчих павукоподібних окремих органів дихання немає; ці органи відкриваються назовні на нижній стороні черевця, рідше — і головогруди, однією або декількома парами дихальних отворів (stigma). Органи дихання павуків називають легеневими книжками, які складаються з листоподібних складок.

Ракоподібні для дихання використовують зябра, розташовані з боків тіла або на кінцівках. Іноді для газообміну використовується шкірне дихання.^[12] У багатьох нижчих ракоподібних, які мають невеликі розміри, спеціальні органи дихання відсутні, і газообмін здійснюється виключно через поверхню тіла.

У молюсків органами газообміну служать ктенідії (первинні зябра). У більшості молюсків є лише одна пара ктенідій. При цьому кожен ктенідій складається з опорного тяжа та двох рядів війчастих пластинок (ламмелл), що надають ктенидію схожість із пташиним пером. Усередині опорного тяжа знаходяться приносні та виносні кровоносні судини, м'язи та нерви ктенідії. Власне газообмін із водою відбувається через епітелій ламелл. Еволюційно ктенідії багаторазово модифікувалися: змінювалося як їхнє число, так і будова. Так у більшості черевоногих молюсків у зв'язку з еволюційною торсією та виникненням асиметричного струму води в мантійній порожнині, один із ктенідій повністю втрачений. У двостулкових молюсків ктенідії типової будови є тільки в групі Protobracnhia, а в інших на їх основі розвиваються значно складніші пластинчасті зябра. У головоногих молюсків в основі кожного ктенідія знаходиться додаткове зяброве серце, скорочення якого посилюють кровотік. У молюсків, що мешкають на суші, органом дихання слугує повітряне легеня.^[13]

У голкошкірих дихальну функцію виконує амбулакральна система.^[14] У їхній шкірі є вирости, в які заходить порожнина тіла — шкірні зябра, що використовуються для газообміну. Їхня стінка дуже тонка, тому через неї легко відбувається газообмін. У голотурій на додачу до амбулакральної системи формуються особливі органи дихання — водні легені.^[15] Це спеціальні мішковидні, багаті судинами органи, що відкривається в задню кишку голотурій.^[16]

Дихання рослин – це спеціалізований процес, за допомогою якого рослини перетворюють глюкозу на АТФ. Він відбувається у мітохондріях живих рослинних клітин, що необхідно для підтримки різних функцій.^[17]

Існує два типи дихання рослин — аеробне та анаеробне.

Аеробне дихання відбувається у всіх зелених рослин і використовує кисень для спалювання фотосинтатів (глюкози та крохмалю). Воно частково відбувається у мітохондріях клітин та у всіх частинах рослини, пагоні та корені. Результатами цього процесу є виділення вуглекислий газ (CO2) та хімічної енергії у формі аденозинтрифосфату(АТФ).^[18]

Етапи аеробного дихання рослин:

• Гліколіз;
• Цикл трикарбонових кислот (ТКА) або цикл лимонної кислоти,
• Мітохондріальний ланцюг транспорту електронів
• Виробництво CO2 та аденозинтрифосфату (АТФ).

Анаеробне дихання(бродіння) відбувається без кисню і також може відбуватися у вищих зелених рослинах. Воно передбачає використання глюкози та крохмалю в гліколізі, але потім йде іншим шляхом для утворення етилового спирту та молочної кислоти.Окрім вироблення енергії, аеробне дихання має додаткові функції:

• Вироблення вуглецевих попередників, які діють як будівельні блоки та називаються вуглецевими скелетами;
• Окисно-відновне балансування.

Близько 40-60% вуглекислого газу, що фіксується у результаті фотосинтезу, щорічно вивільняється шляхом дихання наземними екосистемами. Отже, дихання має суттєвий вплив на атмосферу та зміну клімату. Близько 120 Гт вуглецю переміщується через рослини в наземній системі завдяки диханню та фотосинтезу.^[18]

Кореневе дихання становить 50% дихання ґрунту та відіграє життєво важливу роль у біогеохімічних циклах та потоці вуглецю в ґрунті.

Ростове дихання рослин покриває енергетичні потреби для росту нових структур, поглинання поживних речовин та завантаження флоеми. Підтримуюче дихання регулює використання енергії, необхідної для обміну білків та мембран, метаболічних процесів під час акліматизації до навколишнього середовища, реакції на стрес та підтримки концентрацій та градієнтів іонів.^[18]

• Людина. / Навч. посібник з анатомії та фізіології. — Львів. 2002. — 240 с.
• Шмальгаузен И. И. Основы сравнительной анатомии позвоночных животных. — 4 изд. — М., 1947.
• Масенов Т. М. Биодинамика легких у млекопитающих. — А.-А., 1968.
• Руководство по клинической физиологии дыхания / под ред. Л. Л. Шика и Н. Н. Канаева. — Ленинград, 1980.
• Руководство по пульмонологии / под ред. Н. В. Путова и Г. Б. Федосеева. — Л., 1984.
• Покровский В.М., Коротько Г.Ф. Глава 8. Дыхание // Физиология человека. — Медицина, 2002. — ISBN 5225009603.
• Поликар А., Гали П. Бронхолегочный аппарат, пер. с франц. — Новосибирск, 1972.