Влияние химических факторов

Значения pH артериальной крови и напряжения в ней СО₂ и О₂ не только непосредственно зависят от внешнего дыхания, но, в свою очередь, оказывают влияние на вентиляцию легких. Это взаимодействие представляет собой цепь управления,действие которой направлено на поддержание постоянства значений трех регулируемых переменных-напряжения СО₂, напряжения О₂ и pH крови. Так химические механизмы регуляции дыхания участвуют в поддержании гомеостаза и обеспечивают соответствие дыхательной функции метаболическим потребностям организма.

Влияние СО₂. Увеличение напряжения СО₂ в артериальной крови (гиперкапния) приводит к по-

 

Рис. 21.31. Зависимость минутного объема дыхания () от напряжения С02 и 02 (РаСО2 и РаО2) и pH (pH,) артериальной крови. Красные кривые соответствуют естественным условиям, черные-постоянному напряжению С02 в альвеолах (РаСО) = 40 мм рт. ст.) [23]

598 ЧАСТЬ VI. ДЫХАНИЕ

вышению минутного объема дыхания. Как правило, при этом возрастают дыхательный объем и частота дыхательных движений.

СО₂) сопровождается субъективным чувством одышки (диспноэ). Из рис. 21.31, А видно также, что увеличение вентиляции при повышении напряжения СО₂ не беспредельно. При возрастании содержания СО₂ в крови минутный объем дыхания может увеличиваться не более чем до 75 л/мин, т. е. в гораздо меньшей степени, чем при максимальной физической нагрузке (120 л/мин). Если напряжение СО₂ в артериальной крови становится выше 70 мм рт. ст., вентиляция легких снижается. Это связано с тем, что в очень высоких концентрациях СО₂ оказывает тормозящее действие на дыхательные центры.

У некоторых людей после длительного интенсивного дыхания (гипервентиляции) наблюдается временная остановка дыхания (апноэ). Согласно распространенному мнению, эта остановка обусловлена отсутствием «физиологического стимулятора дыхания» - СО₂, так как во время гипервентиляпии СО₂ вымывается и напряжение его в артериальной крови падает. Однако у ряда лиц после гипервентиляции возникает не апноэ, а лишь некоторое уменьшение минутного объема дыхания. Это позволяет предположить, что существует некий центральный механизм, запускающий дыхание даже в отсутствие стимулирующего действия СО₂ [23].

Влияние Н⁺. Если происходит снижение pH артериальной крови по сравнению с нормальным уровнем, равным 7.4, вентиляция легких увеличивается. При возрастании pH выше нормы вентиляция уменьшается, хотя и в несколько меньшей степени. На рис. 21.31, Б представлена зависимость минутного объема дыхания () от pH артериальной крови (pH_a). Красная кривая, или кривая чувствительности к pH, отражает реакцию на снижение pH в результате накопления в крови нелетучих кислот, т.е. на метаболический ацидоз (с. 621). При этом уменьшение pH на 0,1 приводит к увеличению вентиляции примерно на 2 л/мин. Такое относительно небольшое увеличение вентиляции обусловлено взаимодействием между двумя факторами, «стимулирующими дыхание», - pH и напряжением СО₂. Если бы при сдвигах pH напряжение СО₂ оставалось постоянным, минутный объем дыхания изменялся бы в гораздо большей степени. В качестве примера приведена зависимость минутного объема

дыхания от pH при постоянном (40 мм рт. ст.)

(черная кривая). Однако в естественных условиях увеличение вентиляции легких, возникающее при снижении pH, приводит к более быстрому удалению СО₂ и в результате к падению . Форма кривой зависимости минутного объема дыхания от pH обусловлена тем, что одновременно с усилением стимулирующего эффекта pH (на рисунке-слева направо) снижается стимулирующее влияние СО₂.

Влияние недостатка О₂. Снижение напряжения О2 в артериальной крови (гипоксия) сопровождается увеличением вентиляции легких. Артериальная гипоксия может возникнуть во время пребывания на большой высоте, где атмосферное давление, а вследствие этого и парциальное давление О₂ во вдыхаемом воздухе понижены. Напряжение О₂ в артериальной крови снижается также при легочной патологии.

На рис. 21.31, В приведены кривые зависимости минутного объема дыхания от напряжения О₂ в артериальной крови Р_а кривые чувствительности к О₂. Черная кривая относится к условиям постоянного напряжения СО₂ (Р_аСО2 = 40 мм рт. ст.). Таким образом, эта кривая отражает влияние на вентиляцию только напряжения О₂. В естественных же условиях влияние напряжения О₂ и эффект напряжении СО₂ взаимосвязаны. При увеличении вентиляции легких, обусловленном недостатком О₂, напряжение СО₂ в артериальной крови падает, и его стимулирующий эффект на дыхание уменьшается. Из кривой, полученной в естественных условиях (красная кривая), видно, что при снижении напряжения О₂ минутный объем дыхания повышается сравнительно незначительно. Практически напряжение О₂ начинает оказывать существенное влияние на вентиляцию легких лишь тогда, когда оно становится ниже 50-60 мм рт. ст., т.е. при значительной гипоксии.

Хотя в норме напряжение О₂ в артериальной крови мало влияет на легочную вентиляцию, его эффект может существенно возрастать при патологических состояниях. Он становится особенно заметным в том случае, когда чувствительность дыхательных центров к уровню СО₂ снижена в результате действия лекарственных препаратов (при отравлении барбитуратами, например, она полностью подавляется). Чувствительность дыхательных регул яторных систем к и pH уменьшается также при хронической гиперкатши.

Периферические хеморецепторы. Влияние газов крови и pH на дыхание частично опосредовано периферическими хеморецепторами. Некоторые из них сосредоточены в каротидных тельцах-параганглиях, расположенных с обеих сторон в области ветвлений общей сонной артерии на наружную и внутреннюю сонные артерии (рис. 21.32). Каждое

ГЛАВА 21. ЛЕГОЧНОЕ ДЫХАНИЕ 599

 

Рис. 21.32. Каротидные (А) и аортальные (Б) тельца и отходящие от них афферентные волокна. В. Зависимость частоты разрядов хеморецептора от напряжения 02 в артериальной крови. Приведена запись импульсации в синокаротидном нерве при перфузии изолированного каротидного синуса кошки кровью с различным напряжением 02 (РаО2) при постоянном напряжении С02 (33 мм рт. ст.) и pH 7,33. По оси ординат отложена суммарная импульсация в синокаротидном нерве в процентах от максимальной из возможных (f/fmax) [35]

каротидное тельце иннервируется ветвью языкоглоточного нерва. Хеморецепторы обнаруживаются также в параганглиях дуги аорты (иногда их называют аортальными тельцами); импульсы от них поступают в ЦНС по афферентным волокнам блуждающего нерва. Параганглии кровоснабжаются за счет мелких коллатеральных артерий.

Хеморецепторы, расположенные во всех этих образованиях, возбуждаются (т.е. частота импульсации от них возрастает) при снижении напряжения О₂, повышении напряжения СО₂ или уменьшении pH. Это можно показать в опыте на животном, регистрируя изменения активности эфферентных нервных волокон в ответ на сдвиги показателей химического состава крови (рис. 21.32, В). В таких опытах артерии, снабжающие параганглии. перфузируются кровью, в которой установлены те или

иные уровни Р_О2, Р_СО2 и pH. Роль хеморецепторов в осуществлении регуляторного влияния химических факторов можно изучать также путем денервации этих рецепторов или холодовой блокады их активности.

В подобных экспериментах было показано, что влияние О₂ опосредовано исключительно периферическими хеморецепторами. При нормальном напряжении О₂ в артериальной крови в волокнах этих рецепторов регистрируется некоторая фоновая импульсация: при снижении Р_О2 она повышается, а при его увеличении уменьшается. На активность рецепторов влияют также Р_СО2 и pH артериальной крови, однако роль этих сигналов в центральной регуляции дыхания относительно ограничена.

Чувствительность центральных структур к химическим факторам. Влияние СО₂ и pH на дыхание опосредованно главным образом их действием на особые структуры ствола мозга, обладающие хемочувствительностью. Р_СО2 и pH артериальной крови оказывают неодинаковый эффект на дыхание (рис. 21.31). Из этого вовсе не следует, что в стволе мозга содержатся хеморецепторные образования двух типов; одни чувствительные к СО₂, а другие-к ионам Н⁺. Возможно, что все эти образования воспринимают только ионы Н⁺, а действие СО₂ связано с образованием этих ионов. В этом случае разница в эффектах Р_СО2 и pH артериальной крови может быть связана с различиями в сопротивлении транспорту СО₂ и ионов Н⁺. Известно, что СО₂ очень быстро диффундирует из крови в ткани мозга, тогда как ионы Н⁺ с трудом проникают через биологические мембраны. Данные многочисленных экспериментов свидетельствуют в пользу гипотезы о том, что центральные нервные структуры, участвующие в регуляции дыхания, чувствительны исключительно к ионам Н⁺ [38, 42].

В настоящее время полагают, что основным химическим фактором, влияющим на дыхание, является содержание ионов Н⁺ в межклеточной жидкости ствола мозга. По-видимому, эта жидкость сходна со спинномозговой жидкостью (СМЖ), в связи с чем сдвиги в составе СМЖ также могут оказывать влияние на дыхание. Действительно, в опытах с изменением состава раствора, перфузирующего желудочки мозга, было обнаружено, что вентиляция легких зависит от pH этого раствора. Можно более точно определить локализацию участков, чувствительных к ионам Н⁺, на поверхности ствола мозга [38, 42]. Как показано на рис. 21.33, на вентральной поверхности продолговатого мозга обнаружены три таких участка: они расположены около корешков блуждающего и подъязычного нервов. Нанесение на этиучастки кислот сопровождается увеличением вентиляции легких.

600 ЧАСТЬ VI. ДЫХАНИЕ

Рис. 21.33. Хеморецепторные зоны, участвующие в регуляции дыхания, на вентральной поверхности продолговатого мозга кошки [38, 42]

Система химической регуляции дыхания. На рис. 21.34 схематично изображена вся регуляторная система, отвечающая за поддержание постоянства уровней дыхательных газов и pH в артериальной крови. Регулируемые переменные Р_О2 Р_СО2 и pH контролируются периферическими и центральными хемочувствительными структурами. Когда сенсоры регистрируют отклонение какой-либо из этих переменных от заданного значения (уставки, значения, заложенного в регуляторном контуре), они вызывают изменение активности нейронов продолговатого мозга. Это приводит к изменению сократительной

активности дыхательных мышц, в результате которого возникшее отклонение корригируется.

Эти три регулируемые переменные влияют на минутный объем дыхания по-разному. В норме главную роль играет парциальное давление СО₂ в артериальной крови. Однако при утрате чувствительности центральных хеморецепторов (в результате хронических легочных заболеваний, сопровождающихся хронической гиперкапнией, или отравления барбитуратами и т. д.) основным стимулирующим фактором спонтанного дыхания становится артериальная гипоксия,возбуждающая центральный контроллер через периферические хеморецепторы. Если такому больному дать дышать чистым кислородом, то основной стимулятор дыхания устраняется, и больной может погибнуть в результате остановки дыхания. В этих случаях следует давать чистый кислород лишь при искусственном дыхании (или же при наличии «под рукой» аппарата искусственной вентиляции легких). При нарушениях кислотно-щелочного равновесия (с. 621) главной целью системы регуляции дыхания становится коррекция pH артериальной крови. Так, в ответ на метаболический ацидоз (снижение pH) возникает гипервентиляция; выделение СО₂ увеличивается, и pH возвращается к нормальному значению.