Чудо дыхания. Как работают наши легкие и как поддержать их здоровье
Шрифт:
Легкие расположены в грудной клетке, окружая сердце по бокам, сверху и сзади. При вскрытии грудной клетки и извлечении сердца видно, насколько идеально легкие соседствуют с другими органами и тканями. Легкие точно повторяют форму прилегающих ребер. Правое легкое содержит три доли (верхнюю, среднюю и нижнюю), а левое – две (верхнюю и нижнюю); здесь же находится углубление, называемое сердечной вырезкой, где располагается сердце. При каждом вдохе легкие отходят от сердца, а при выдохе – возвращаются.
В организме живого человека легкие весят приблизительно 900–1000 г, и примерно половину их массы составляет кровь. У взрослого средняя емкость легкого при полном вдохе может составлять до 6 л
Разветвленная структура дыхательных путей – прекрасный пример фрактального роста, часто наблюдаемого в природе, благодаря которому образуется форма, многократно повторяющаяся в уменьшающемся масштабе. Этот принцип основан на воспроизведении подобного, когда следующая меньшая деталь похожа на более крупную, давшую ей начало. Природа полна таких примеров, и один из них – ветвящееся дерево, образ которого знаком любому.
Если сравнивать строение легких и деревьев, у которых каждая ветка копирует предыдущую, давшую ей начало, то по этой аналогии трахее можно отвести роль основного воздухоносного пути и сопоставить ее со стволом. Далее от трахеи, подобно веткам, отходят 16 уменьшающихся бронхов, образующих, в свою очередь, по семь ветвей, оканчивающихся альвеолярными мешочками, в которых происходит газообмен. Последние присоединены подобно листьям на деревьях. Как легким, так и деревьям фрактальный рост позволяет максимально увеличивать поверхность, обеспечивающую газообмен. Деревья поглощают углекислый газ и выделяют кислород, а легкие человека – наоборот. Подобно ветвям деревьев, дыхательные пути сами по себе не участвуют в газообмене, но при этом альвеолы выполняют роль наших «листьев».
Здоровые легкие человека достойны восхищения. Они состоят из мягкой ткани розового цвета, их поверхность блестит. При каждом вдохе и выдохе эти парные шарообразные органы расширяются и сжимаются, слегка подаваясь вперед и назад внутри оболочки, сформированной ребрами. Однако, в отличие от шаров, легкие не представляют собой идеальную сферу. Их элегантная форма повторяет контуры «жилища», в котором они расположились. Верхушка легких круглая, а внутренняя и внешняя поверхности вогнуты, чтобы вместить сердце и диафрагму. Нижняя часть легких имеет изящную куполообразную форму. Невероятно, но даже после извлечения из грудной клетки хрупкие легкие сохраняют свою форму.
И наоборот, больные легкие выглядят откровенно пугающе. Нездоровая фиброзная ткань съеживается и покрывается рубцами. На поверхности легких могут появляться похожие на бородавки волдыри, в которых застаивается воздух. Под воздействием загрязненной окружающей среды или табачного дыма некогда чистая, розовая ткань становится болезненно-серой, на поверхности появляются черные отложения. А легкие, пораженные эмфиземой, выглядят так, словно их изнутри пожирает паразит.
Однако немногим довелось стать свидетелями истинной красоты этого органа, так как его невозможно оценить в полной мере вне естественной среды. При разрезе легкое немедленно спадается. Я помню, как однажды на пляже мой сын увидел непонятную голубую субстанцию на песке и спросил меня, что это. Я объяснила, что это медузы. Только теперь они не выглядели как те грациозные создания, какими они были в аквариумах. Ту же аналогию можно провести с легкими.
Спадение легких усложняет изучение их микроструктуры. Для преодоления этой проблемы участники моей исследовательской группы наполняли этот орган газом и быстро замораживали в жидком азоте. В результате мы могли наблюдать фрагменты легкого с помощью специального микроскопа. Ткань здорового органа выглядит как плотная губка, а легкое, пораженное эмфиземой, вследствие повреждения альвеолярных мешочков больше похоже на мочалку. Более того, в таких легких образуется
Опорные структуры легких состоят из хрящей и гладкой мышечной ткани. Как ни странно, с биологической точки зрения предназначение последней неизвестно. Возможно, она помогает воздухоносным путям противодействовать внешнему давлению, например при кашле. Точно можно утверждать, что гладкая мышечная ткань вовлечена в патологические процессы. При заболеваниях, развивающихся вследствие воспаления, таких как бронхиальная астма, эта ткань сжимается. Наряду с воспалением выстилки воздухоносного пути такая реакция способствует его сужению. У некоторых больных с более тяжелой бронхиальной астмой наблюдается увеличение гладкой мышечной ткани, что приводит к еще более выраженному сужению. Во время выдоха давление в альвеолах временно повышается, проталкивая воздух к выходу из легких, где давление ниже. Однако в суженных участках воздухоносные пути могут закрыться раньше, чем воздух выйдет из легких, а значит, он останется внутри. Это называется обструкцией воздушного потока.
Самые мелкие воздухоносные пути, бронхиолы, оканчиваются альвеолами, в которых происходит газообмен. В норме средняя длина легкого у взрослого составляет всего 24 см – размер небольшой буханки хлеба. При этом общая площадь всей поверхности этого органа достигает от 80 до 100 м2. Более 50 % альвеол расположены на внешней трети легкого, и поэтому на рентгенограмме грудной клетки внешний край кажется преимущественно черным. Этот эффект появляется из-за того, что рентгеновские лучи проходят сквозь воздух и отображаются на пленке (по крайней мере так было до изобретения цифровой рентгенографии!). И напротив, мягкие и костные структуры поглощают рентгеновские лучи, а потому на изображении мы видим белые тени.
Альвеолы можно описать как мельчайшие мешочки, наполненные воздухом. Хотя такое определение заставляет думать, что они имеют сферическую форму, точнее было бы говорить о многоугольнике. Стенки каждой альвеолы прилегают к соседним, обеспечивая поддержку. При микроскопическом исследовании среза легких они выглядят почти как соты. Альвеолы определяют предназначение этого органа. Именно в них происходят два наиболее важных процесса: насыщение кислородом и освобождение от углекислого газа. Для жизни человеку необходим кислород, который помогает клеткам извлекать из пищи энергию в форме, пригодной к употреблению. Без доступа кислорода смерть нашего организма, в частности головного мозга, становится неизбежной уже через 5 минут. Другой задачей легких можно назвать избавление организма от углекислого газа – побочного продукта жизнедеятельности клеточных «двигателей» организма. Избыток углекислого газа может привести к потере сознания. Нередки случаи госпитализации больных ХОБЛ в результате отравления углекислым газом (гиперкапнии). Горькая ирония заключается в том, что корень capnia происходит от греческого слова kapnos, то есть «дым». Углекислый газ – основной компонент табачного дыма, под действием которого часто развивается ХОБЛ.
Строение альвеол способствует максимальному газообмену за счет чрезвычайной тонкости стенок. Первичная структурная клетка альвеолы, называемая альвеолоцитом I типа, похожа на очень плоское яйцо с желтком-ядром посередине. Ее ширина составляет 50 микрон, что примерно соответствует толщине человеческого волоса, а толщина – менее 0,2 микрона. Каждая альвеола окутана плотной сетью кровеносных сосудов, называемых капиллярами. Они настолько малы, что эритроциты продвигаются сквозь них поодиночке, это максимально увеличивает их контакт с воздухом, содержащимся в альвеоле. Легкие способны пропустить таким образом весь объем крови за 45 секунд, при этом практически каждый эритроцит пройдет через мельчайший альвеолярный капилляр. Поэтому все, что способствует попаданию жидкости в эти кровеносные сосуды (например, пневмония) или повреждает их (фиброз легких), снижает способность этого органа насыщать кровь кислородом.