Строение и функции дыхательной системы человека

Понятие дыхательной системы человека

Дыхание в биологии — это жизнеобеспечивающий процесс, в ходе которого происходит обмен газами между организмом и внешней атмосферой. Дыхание включает в себя два вспомогательных процесса. Один — это вентиляция или дыхание. Это физический процесс прохождения воздуха в легкие и из легких. Другой процесс — газообмен. Это биохимический процесс, при котором кислород диффундирует из воздуха в кровь, а углекислый газ и другие отработанные газы диффундируют из крови в воздух. Все органы дыхательной системы участвуют в дыхании, но только легкие участвуют в газообмене.

Дыхание с помощью дыхательной системы — это не тот же процесс, что и клеточное дыхание, которое происходит внутри клеток, хотя эти два процесса тесно связаны. Клеточное дыхание — это метаболический процесс, в ходе которого клетки получают энергию, обычно путем «сжигания» глюкозы в присутствии кислорода. Когда клеточное дыхание является аэробным, оно использует кислород и выделяет углекислый газ в качестве отработанного продукта. Дыхательная система поставляет кислород, необходимый клеткам для аэробного клеточного дыхания, и удаляет углекислый газ, образующийся в клетках во время клеточного дыхания.

Эволюция

Дыхательная система человека, как и все другие биологические системы, претерпела эволюцию в течение миллионов лет. Самые ранние организмы — бактерии, не нуждались в специализированной дыхательной системе, поскольку они могли получать необходимые для метаболизма газы путем простой диффузии.

По мере развития и усложнения жизни организмы начали создавать специализированные структуры для дыхания. У водных животных развились жабры, чтобы извлекать кислород из воды. У наземных животных, включая предков человека, легкие развились для получения кислорода из воздуха.

У человека дыхательная система также претерпела изменения, чтобы приспособиться к вертикальной позе и повышенной физической активности. Форма и расположение носовых ходов, глотки и гортани со временем изменились, чтобы обеспечить больший поток воздуха во время физических упражнений и предотвратить обструкцию дыхательных путей.

Эволюция дыхательной системы человека столкнулась с рядом трудностей, обусловленных сложной и взаимосвязанной природой дыхания и требованиями жизни на суше. Некоторые из сложностей, которые пришлось преодолеть дыхательной системе в процессе эволюции:

1. Переход от водной к наземной жизни потребовал значительной адаптации дыхательной системы, поскольку воздух на суше гораздо менее плотный и содержит меньше кислорода, чем вода. Это потребовало развития более эффективных и специализированных органов и механизмов дыхания, таких как легкие и способность дышать через ноздри.
2. Когда люди стали жить в среде с растущим содержанием загрязняющих и вредных веществ, дыхательная система должна была эволюционировать, чтобы защититься от вредного воздействия этих веществ. Это привело к развитию специализированных механизмов, таких как слизь и реснички в дыхательных путях, для улавливания и удаления вредных частиц и микроорганизмов.
3. Регулирование уровня кислорода и углекислого газа. Это привело к развитию специализированных рецепторов в организме, которые контролируют уровень кислорода и углекислого газа и вызывают изменения в дыхании для поддержания соответствующего уровня.
4. На эволюцию дыхания человека также повлияла потребность в общении и вокализации. Это потребовало развития специализированных структур, таких как гортань и голосовые связки, которые позволили производить широкий спектр голосовых звуков и развивать сложный язык.

Функции

Дыхательная система человека выполняет несколько жизненно важных функций, необходимых для нормального функционирования организма. К ним относятся:

1. Газообмен: основная функция заключается в поступлении кислорода в организм и удалении углекислого газа. Это происходит в процессе дыхания, когда кислород из воздуха попадает в кровь и транспортируется к клеткам организма, а углекислый газ высвобождается из клеток и транспортируется обратно в легкие для выведения из организма.
2. Доведение воздуха до нужной температуры тела и увлажнение его до нужного уровня влажности.
3. Регулирование pH крови: помогает регулировать кислотно-щелочной баланс организма, контролируя количество углекислого газа в крови. Когда уровень углекислого газа слишком высок, в организме повышается кислотность, и дыхательная система усиливает дыхание, чтобы удалить избыток углекислого газа.
4. Защита от патогенных микроорганизмов: выстлана слизью и крошечными волосовидными структурами, называемыми ресничками, которые помогают задерживать и удалять из дыхательных путей вредные частицы, такие как пыль, пыльца и бактерии.
5. Вокализация: играет важнейшую роль в вокализации, обеспечивая поступление воздуха, необходимого для производства звука посредством вибрации голосовых связок.
6. Защита организма от вредных веществ. Это происходит при кашле, чихании, фильтрации или глотании.
7. Обоняние: нос, который является частью дыхательной системы, также отвечает за обоняние, позволяя нам обнаруживать и идентифицировать различные запахи в окружающей среде.

В целом, дыхательная система необходима организму для нормального функционирования и поддержания гомеостаза.

Строение

Источник: biology.su

Анатомия органов дыхательной системы сложна, в целом образует непрерывную систему проходов, называемую дыхательными путями, через которые воздух поступает в организм и выходит из него. Дыхательные пути имеют два основных отдела: верхние дыхательные пути и нижние дыхательные пути.
Помимо этих органов, некоторые мышцы грудной клетки (полости тела, заполняющей грудную клетку) также участвуют в дыхании, обеспечивая дыхание. Наиболее важной является большая мышца, называемая диафрагмой, которая лежит под легкими и отделяет грудную клетку от брюшной полости. Более мелкие мышцы между ребрами также играют роль в дыхании.

Верхние дыхательные пути

Все органы и другие структуры верхних дыхательных путей участвуют в проведении или перемещении воздуха в организм и из него. Эти органы обеспечивают движение воздуха между внешней атмосферой и легкими. Они также очищают, увлажняют и согревают поступающий воздух. Однако в них не происходит газообмена.

1. Синусы — это полые пространства в костях головы над и под глазами, которые соединены с носом небольшими отверстиями. Синусы помогают регулировать температуру и влажность вдыхаемого воздуха.
2. Полость носа — это большое, заполненное воздухом пространство в черепе над и за носом в средней части лица. Она является продолжением двух ноздрей. Когда вдыхаемый воздух проходит через носовую полость, он нагревается и увлажняется. Волосы в носу помогают задерживать крупные инородные частицы в воздухе, прежде чем они попадут в дыхательные пути. Помимо самого дыхания, носовая полость также содержит хеморецепторы, которые нужны для обоняния и вносят важный вклад в чувство вкуса.
3. Глотка представляет собой трубкообразную структуру, которая соединяет носовую полость и заднюю стенку рта с другими структурами, расположенными ниже в горле, включая гортань. Глотка выполняет двойную функцию: через нее проходят и воздух, и пища (или другие проглоченные вещества), поэтому она является частью как дыхательной, так и пищеварительной системы. Воздух проходит из носовой полости через глотку в гортань (а также в обратном направлении). Пища проходит изо рта через глотку в пищевод.
4. Гортань соединяет глотку и трахею и помогает проводить воздух по дыхательным путям. Ее также называют голосовым аппаратом, поскольку в ней находятся голосовые связки, которые вибрируют, когда по ним проходит воздух, и таким образом производят звук. Некоторые мышцы в гортани раздвигают голосовые связки, чтобы обеспечить дыхание. Другие мышцы двигают связки вместе, чтобы произносить голосовые звуки. Последние мышцы также контролируют высоту звука и помогают регулировать его громкость. Очень важной функцией гортани является защита трахеи от аспирированной пищи (когда жидкость или пища попадают в дыхательные пути вместо пищевода). Когда происходит глотание, движение языка назад заставляет заслонку, называемую надгортанником, закрывать вход в гортань. Это предотвращает попадание проглоченного материала в гортань и продвижение его глубже в дыхательные пути. Если проглоченный материал все же попадает в гортань, он раздражает ее и стимулирует сильный кашлевой рефлекс. В результате материал обычно изгоняется из гортани в глотку.

Нижние дыхательные пути

1. Трахея или дыхательное горло — самый широкий проход в дыхательных путях. Ее ширина составляет около 2,5 см, а длина — 10-15 см. Она образована хрящевыми кольцами, которые делают ее относительно прочной и упругой. Трахея также выстлана ресничками, которые выметают жидкости и инородные частицы из дыхательных путей, чтобы они не попадали в легкие. Орган соединяет гортань с легкими для прохождения воздуха по дыхательным путям. В нижней части он разветвляется, образуя две бронхиальные трубки.
2. Бронхи и бронхиолы. Есть две основные бронхиальные трубки — правый и левый. Они переносят воздух между трахеей и легкими. Каждый разветвляется на более мелкие вторичные бронхи, а вторичные разветвляются на еще более мелкие третичные. Самые мелкие разветвляются на очень маленькие трубочки, называемые бронхиолами. Самые мелкие из них заканчиваются в альвеолярных протоках, которые в легких заканчиваются скоплениями маленьких воздушных мешочков, называемых альвеолами.
3. Легкие — самые крупные органы дыхательных путей. Они расположены в плевральной полости грудной клетки. Каждое из двух легких разделено на секции. Они называются долями и отделены друг от друга соединительными тканями. Правое легкое больше и содержит три доли. Левое легкое меньше и содержит только две доли. Меньшее левое дает место для сердца, которое находится чуть левее центра грудной клетки. Каждое легкое весит примерно 1,1 кг.
4. В двух легких может содержаться до 700 миллионов альвеол, что обеспечивает огромную общую площадь поверхности для газообмена. Фактически, площадь альвеол в двух легких равна половине теннисного корта. При каждом вдохе они заполняются воздухом, в результате чего легкие расширяются. Кислород, содержащийся в воздухе внутри альвеол, поглощается кровью в сетчатой сети крошечных капилляров, которая окружает каждую альвеолу. Кровь в этих капиллярах также выделяет углекислый газ в воздух внутри альвеол. При каждом выдохе воздух покидает их и устремляется во внешнюю атмосферу, унося с собой отработанные газы.

Легкие получают кровь из двух основных источников. Они получают дезоксигенированную кровь от сердца. Эта кровь поглощает кислород в легких и переносит его обратно к сердцу для перекачки к клеткам всего организма. Легкие также получают оксигенированную кровь от сердца, которая обеспечивает кислородом клетки легких для клеточного дыхания.

Верхняя и боковые части грудной клетки образованы ребрами и прикрепленными к ним мышцами, а нижняя — диафрагмой. Стенки грудной клетки образуют защитную клетку вокруг легких и другого содержимого грудной полости. Диафрагма — это куполообразная мышца, расположенная в нижней части грудной полости. Она играет важную роль в дыхании, сокращаясь и расслабляясь для изменения объема грудной полости, что позволяет втягивать и выводить воздух из легких.

Особенности дыхательной системы человека

1. Большая площадь поверхности благодаря многочисленным разветвленным дыхательным путям и миллионам крошечных альвеол в легких. Эта большая площадь обеспечивает газообмен.
2. Дисфункция дыхательной системы в конечном итоге приводит к гипоксии.
3. Стенки альвеол и окружающих их капилляров очень тонкие, что обеспечивает легкую диффузию газов между кровеносной системой и воздухом в легких.
4. Влажность благодаря выстилке дыхательных путей, что помогает предотвратить высыхание нежных тканей и облегчает газообмен.
5. Защитные механизмы: она выстлана слизью и ресничками, которые помогают задерживать и удалять вредные частицы и микроорганизмы из дыхательных путей.
6. Регулируется вегетативной нервной системой и различными химическими рецепторами в организме, что позволяет ей приспосабливаться к изменениям уровня кислорода и углекислого газа, а также к другим факторам, таким как физические нагрузки и стресс.
7. Адаптивность к различным условиям окружающей среды, таким как большая высота над уровнем моря или низкий уровень кислорода. Это происходит благодаря гипервентиляции и повышенной выработке эритроцитов.
8. Средний человек ежедневно выдыхает 0,35 л воды. Это количество меняется в зависимости от температуры воздуха, относительной влажности и уровня активности, поэтому диапазон, вероятно, составляет от 0,3 л до 0,45 л в день.

Значение

Дыхательная система человека имеет важное историческое значение, поскольку она сыграла решающую роль в эволюции человека и развитии цивилизации. Вот некоторые из способов, с помощью которых она повлияла на историю человечества:

1. Сыграла решающую роль в развитии человека как биологического вида. Когда люди перешли от водной к наземной жизни, дыхательная система должна была приспособиться к новой среде и выработать новые механизмы дыхания, такие как развитие легких и ноздрей.
2. Исследование и торговля: позволила людям адаптироваться к новой среде и перевозить товары на большие расстояния. Например, способность дышать на большой высоте позволяла исследователям достигать новых высот и прокладывать торговые пути через горные хребты.
3. Достижения медицины: разработка методов лечения респираторных заболеваний и изобретение респираторов и аппаратов искусственной вентиляции легких для поддержания дыхания у тяжелобольных пациентов.
4. Сыграла значительную роль в решении экологических проблем, таких как загрязнение воздуха и изменение климата. Влияние загрязнения на дыхание привело к повышению осведомленности и усилиям по снижению уровня загрязнения.