Kitobni o'qish: «Человек дышащий. Как дыхательная система влияет на наши тело и разум и как улучшить ее работу»

Просветитель

Фото на обложке: Гусев Николай

В оформлении использованы материалы, предоставленные Фотобанком Shutterstock, Inc., Shutterstock.com

©  Проскурина С., 2024

©  ООО «Издательство АСТ», 2024

Глава 1
Эволюция дыхания

Где искать у себя жабры? Как устроено дыхание?

Поиск в себе рыбьих черт – занятие не совсем обыденное. Посмотрев на себя в зеркало, вы абсолютно точно сможете сказать, что у вас нет ни жабр, ни плавников, ни уж тем более хвоста. Однако рыба прячется внутри вас, хоть вы об этом и не подозреваете.

На самом деле часть своих свойств и необходимых в дыхании приспособлений мы позаимствовали у рыб. Интересно, что во многих славянских языках слово «жабры» и слово «ребра» очень похожи. Например, в Праге во многих ресторанчиках можно заказать себе свиные «жебра», и поверьте, ни о каком ГМО или жутких экспериментах животноводов речи не идет. Просто в чешском языке «жабры» и «ребра» еще более схожи, чем в русском языке. И хоть эти слова этимологически никак не связаны, наши ребра действительно прошли очень долгий путь от жабр рыб и умудрились сохранить при этом свое участие в дыхательном процессе.

Ребра человека в процессе эмбрионального развития закладываются вместе с развивающимся позвоночником и от позвонков удлиняются и растут в сторону грудины. Иногда встречаются аномалии развития, и тогда ребрами обзаводятся не только грудные позвонки, но и шейные. Изначально у нас начинают развиваться целых 29 пар ребер, практически на всем протяжении позвоночника (всего позвонков 33), но потом продолжают расти только 12 пар ребер, а остальные 17 пар рассасываются.

Многие люди, имеющие лишние шейные ребра, об этом даже не догадываются, и их наличие никак не проявляется.

Первые ребра возникли у древних примитивных рыб, при этом у многих рыб осталось два набора ребер – спинные и брюшные, но они скорее служат для поддержки мышц и увеличения жесткости тела и не играют особой роли в дыхании. У рептилий же впервые появляется грудная клетка. Коротенькие ребра, с которыми бегали и продолжают бегать амфибии (лягушки, жабы, тритоны), у рептилий увеличились в длину, изогнулись и замкнулись спереди на грудине, создав защитный каркас для нежных легких и сердца и позволив таким образом эффективнее раздувать легкие при каждом вдохе. Обратите внимание на ребра рыб, короткие ребра лягушки, не до конца сходящуюся грудную клетку ящерицы и полноценную закрытую грудную клетку кошки и птицы (см. рис. 1).

Рис. 1. Эволюция грудной клетки

Если вы все еще стоите перед зеркалом, то запрокиньте голову назад и приложите пальцы к горлу прямо под нижней челюстью, там вы сможете нащупать маленькую косточку в форме подковы. Именно она иногда «встает не туда», если вы проглотили слишком большой кусок пищи или неудачно повернули шею. Если пошевелить ее вправо и влево, возможно вы почувствуете легкий хруст. Это подъязычная кость, и когда-то давно она тоже была участком жабр древних рыб. Теперь же она помогает нам глотать, дышать, наклонять голову, открывать, закрывать рот и разговаривать.

Говорят, что у болтливого человека язык без костей, но как раз без этой маленькой косточки или при ее переломе, разговаривать не получится. Нашему языку просто необходима хотя бы одна эта кость для опоры и движения. У хамелеонов тоже есть такая косточка, она работает как спусковой механизм в пружине и помогает ему выстреливать своим языком в добычу. У человека таких сверхспособностей подъязычная кость не имеет, в противном случае социальные взаимодействия определенно вышли бы на новый уровень.

У некоторых людей эта косточка располагается ниже, чем это необходимо, либо спускается вниз из-за увеличения объема мягких тканей в подчелюстной области (именно так изящно можно называть второй подбородок). В таком случае косточка при расслаб лении мышц во сне способствует храпу и обструктивному апноэ, когда человек посреди очередной трели храпа вдруг затихает и кажется, что он не дышит. Вам не кажется, он действительно не дышит в этот момент, но об этом подробнее мы поговорим в следующих главах.

Если приглядеться, форма верхней и нижней челюсти – дугообразных костей, тоже похожа на жаберные дуги, из которых они формируются. Первая и вторая жаберные дуги кроме костей и связок, участвующих в дыхании, жевании и говорении, дали нам еще и возможность слышать и сформировали три слуховые косточки – молоточек, наковальню и стремечко. Так слух и воспроизводство звуков совершенствовались на протяжении миллионов лет, и теперь благодаря им мы можем одинаково наслаждаться и оперой, и караоке.

Оставшиеся жаберные дуги – 4 и 5 – пошли на материал для хрящей трахеи. Вы скажете, что все это было чертовски давно, миллиарды лет назад, если вообще было, а я в ответ скажу, что эти чудесные превращения жаберных дуг в челюсти, трахею и слуховые косточки с вами лично произошли совсем недавно, и даже могу назвать точные даты, когда именно. Для этого нужно от даты вашего рождения отнять 8,5 месяцев, и получится как раз тот период, когда вы были больше похожи на рыбку, чем на человека (см. рис. 2). В самом начале нашей жизни мы все были похожи на маленькую рыбку. А из жаберных дуг потом формируются некоторые кости и полости лицевого отдела черепа, мышцы шеи, грудная клетка (см. рис. 3).

Рис. 2. Эмбриональное развитие жаберных дуг

Рис. 3. Жаберные дуги и жаберные карманы у человеческого зародыша в 5 недель

Между жаберными дугами у рыбы, например у акулы, есть щели (см. рис. 4). В процессе эмбрионального развития щели также претерпевали изменения. Наше тело приспособило жаберные щели и жаберные карманы для новых функций. Жаберные карманы – это такие же щели, но, если бы вы их видели уже изнутри, скажем, глотки акулы, скорее всего, это было бы последним, что вы бы увидели. Из них сформировались наружный слуховой проход, барабанная перепонка, евстахиева труба и барабанная полость в височной кости (см. рис. 5), где у вас молоточек стучит по наковальне и раздражает тем самым стремечко, которое колышет овальное окно внутреннего уха, а вы благодаря этому слышите все звуки вокруг.

Рис. 4. Щели между жаберными дугами у акулы

Рис. 5. Строение уха человека

Остатки незарощенных жаберных щелей иногда проявляются такими пороками развития челюсти, как заячья губа и волчья пасть.

Что общего между жабрами акул и заложенной ноздрей?

Некоторые мягкие ткани в жабрах рыб и в носу человека схожи между собой. В слизистой носа, как и в акульих жабрах, есть эректильная пещеристая ткань, снабженная большим количеством кровеносных капилляров. При необходимости капилляры могут расширяться, и ткань от этого набухает. Отек проходит, когда капилляры сужаются. Если акуле нужно увеличить захват кислорода из воды, ее нервная система посылает сигнал капиллярам в пещеристой ткани жабр, они набухают, их объем и кровоток увеличивается, и кислород более эффективно смешивается с кровью. У человека по этому принципу работает назальный цикл.

Сейчас, когда вы читаете эту книгу, какой ноздрей вы дышите? Чтобы проверить, можно закрыть одну ноздрю, сделать пару вдохов и выдохов, а потом закрыть вторую. Почувствовали разницу? Даже если вы абсолютно здоровы, у вас работает в основном одна ноздря, а другая отдыхает.

На снимке МРТ (см. рис. 6) видно, что этот человек сейчас хорошо дышит правой ноздрей, там назальные пути шире, а левая ноздря отдыхает.

Рис. 6. Снимок МРТ

Назальный цикл – процесс носового дыхания – меняется каждые 2,5 часа. Дело в том, что поддерживать слизистую увлажненной, а клетки здоровыми сразу в двух носовых ходах очень энергозатратно. Пока одна ноздря работает вовсю, увлажняет вдыхаемый воздух, фильтрует бактерии, шевелит ресничками слизистой, чтобы гнать сопли и поддерживать здоровье носовой полости, другая половина носа отдыхает, слизистая за это время восстанавливается и готовится к работе. Отдыхающую ноздрю «закладывает» с помощью все той же пещеристой ткани, как в акульих жабрах. К ней приливает кровь, она расширяется и перекрывает частично или полностью носовой ход. Если назальный цикл нарушается из-за нервного влияния или из-за сосудосуживающих капель, слизистая истощается и пересыхает, может начаться хронический насморк или аллергический ринит. Вот что бывает, если не беречь свои пещеристые ткани и пытаться вылечить естественный физиологический процесс, подумав, что это у вас ноздря заложена.

Кстати, как и в слизистой носа, в жабрах присутствует большое количество иммунных клеток, которые всегда готовы отразить атаку вирусов и бактерий извне. Если акула начнет «сопливить», потому что подхватила в воде какой-то вирус, то это будет происходить в жабрах¹.

Если вы думаете, что видоизмененные жабры – не такое уж роскошное наследство и рыбы могли быть более щедрыми на подарки своим далеким потомкам, не спешите с выводами. Эти ребята порядком наследили в дыхательной системе человека.

Некоторые рыбы, чтобы не утонуть, используют плавательный пузырь, такой надувной круг для плавания, только находящийся внутри тела рыбы. У рыб он формируется из кишечника и помогает держаться в толще воды. Плавательный пузырь – это прототип наших легких, они имеют одинаковое происхождение. Если бы эволюция свернула немного не туда, мы бы тоже ходили с плавательным пузырем. Как и легкие, он формируется из выпячивания кишки. Как и легкие, внутри он смазан особым жироподобным веществом – сурфактантом, которое помогает ему не спадаться и не слипаться его стенкам, а еще с его помощью некоторые рыбы, как и мы с помощью легких, умеют издавать звуки и даже кричать (например, рыбы-жабы).

Некоторые виды рыб используют плавательный пузырь для дыхания, если в водоеме становится мало кислорода. Кстати, наши легкие тоже помогают нам не только дышать, но и плавать. Если задержать дыхание на вдохе, оставаться на плаву в воде намного легче, чем если до конца выдохнуть, потому что в этом случае объем внутреннего «спасательного круга» значительно уменьшится.

До сих пор ведутся споры, дал ли плавательный пузырь рыб начало легким, или они сформировались независимо друг от друга. В ходе эволюции природа перепробовала все варианты дыхания, у некоторых животных для этого используются любые органы, контактирующие с кислородной средой, – кожа, глаза, кишки, жабры, трахея, легкие, плавательный пузырь, слизистая рта и носа. Но одной из самых удачных конструкций, позволяющей жить в богатой кислородом среде, все-таки оказались легкие.

Чем дальше в ходе эволюции развивались легкие, тем на большее количество сегментов они разделялись. Такое деление увеличивало площадь дыхательной поверхности и позволяло легким увеличивать количество кислорода, доставляемого в кровь. У древних рыб, амфибий и рептилий легкие очень простые, не разделенные на большое количество камер, и больше напоминают сегментированные пузыри, обильно обросшие кровеносными капиллярами (см. рис. 7).

Рис. 7. Легкие рыб, амфибий, рептилий и млекопитающих

Площадь поверхности таких пузырей, если развернуть их слизистые оболочки, не очень велика и не способна снабжать организм большим количеством кислорода. Из-за этого такие животные не могут позволить себе отапливать собственное тело. Процесс создания энергии за счет реакции кислорода и глюкозы в их клетках, который сопровождается выделением тепла, не настолько мощный и быстрый, чтобы поддерживать постоянную температуру тела. Уровень метаболизма у рептилий составляет только 10 % от нашего. То есть если человек в сутки тратит 2000 ккал, то крокодил весом с человека – всего 200 ккал. Поэтому он может есть раз в год, а мы нет. Птицам в этом плане еще сложнее, им необходимо намного больше энергии из-за полета и высокой температуры тела (40–41 °C), поэтому их метаболизм в три раза выше, чем у млекопитающих.

Если бы мы летали, нам нужно было бы не 2000 ккал в сутки, а все 6000 ккал. И летали бы мы, видимо, от одного кафе к другому. Голуби так и делают, да и взлетать стараются в крайнем случае, потому что потом придется съесть огромное количество пищи, чтобы скомпенсировать это необдуманное действие. Ходить с метаболической точки зрения «дешевле».

Чем мы дышим?

Прежде чем рассказывать об особенностях работы дыхательной системы человека, мне необходимо представить вам главные действующие лица, то есть части, из которых эта система состоит.

У человека в ходе эмбрионального развития паренхима легких – ткань с пузырьками-альвеолами развивается отдельно, а трахея и бронхи – отдельно. Трахея разделяется на два главных бронха – это толстые хрящевые трубки, а они ветвятся на множество бронхиол – трубочек потоньше. Всего у нас около 150 000 бронхиол, на которых, как виноград на ветке, разместились 700 миллионов альвеол – маленьких пузыриков из эпителиальной ткани, достаточно тонких, чтобы газ легко проникал через их стенку. Именно в них кислород переходит из воздуха в кровь.

Если развернуть все альвеолы и сшить из них полотно, им можно будет застелить теннисный корт или пять однокомнатных хрущевок.

Бронхиальное дерево ветвится и заполняет собой всю предоставленную ему площадь, как корень растения, которое много лет не пересаживали. Такое ветвление помогает очень плотно и эффективно упаковать максимальное число альвеол и увеличить площадь поверхности для обмена кислородом между воздухом и кровью. Чтобы понять, как это работает, представьте, что вы открыли бутылку газировки и оставили ее без крышки. Скорее всего, газ выйдет из нее минут за 20–30. Если же вы выльете эту газировку в большое плоское блюдо, то на это понадобится 5–10 минут. Чем больше площадь поверхности этой жидкости, тем быстрее газообмен, тем быстрее газ из газировки перейдет в воздух комнаты. В легких это правило тоже работает, именно поэтому и необходима такая огромная площадь, только там процесс идет наоборот – газ из альвеол смешивается с жидкостью – кровью.

Чтобы альвеолы не слипались и не схлопывались при каждом выдохе, внутри они смазаны сурфактантом. Это особая смесь жиров и белков получилась настолько удачной, что почти не менялась на протяжении миллиардов лет и практически одинакова что у древних и более примитивных животных, что у человека. Ее состав немного меняется только в случае, если животное живет в очень холодном или очень жарком климате или на экстремальной высоте.

К самим легким не приделано никаких мышц, чтобы сжимать их или растягивать, они просто висят на трахее и бронхах в грудной полости, как груша на ветке. Сами-то они легкие, не зря так называются, но они пронизаны большим количеством кровеносных капилляров с кровью, а кровь не такая уж и легкая. Из-за сосудов и крови в них легкие весят 1,2–1,3 кг. Для сравнения, мозг весит примерно столько же. Растягиваются и сжимаются они исключительно за счет работы атмосферного давления и собственной эластичности. Как тугая трикотажная кофточка, которая растягивается на вас, когда вы вдыхаете, и стягивается, когда выдыхаете. Кофточка ничем к вам не прикреплена и не приклеена, но из-за эластичности и давления вашего тела меняет свою форму. Однако изменять объем грудной клетки все-таки нам помогают дыхательные мышцы.

Основная дыхательная мышца – это диафрагма. Внутри тела она перемещается вверх и вниз с амплитудой от 1,5 до 7 см (см. рис. 8). Это действительно уникальная мышца, она и в дыхании занимает центральное место, и пищевод пережимает, чтобы еда не шла обратно, и на внутренние органы брюшины давит, например для опорожнения кишечника, и подкачивает кровь из вен вверх, и лимфу от конечностей к верхней части тела, а сухожильный центр диафрагмы примыкает к сердцу и является одной из его внешних оболочек. По сути, движение диафрагмы и наше дыхание может в той или иной степени влиять на все эти органы. Вдобавок ко всему диафрагма может сокращаться частями, а не вся сразу. Так происходит, например, при рвоте, когда волокна, охватывающие пищевод, расслабляются, чтобы дать выход содержимому желудка, а остальные сокращаются, чтобы надавить на желудок и вытряхнуть из него все, что переварить не получилось.

Рис. 8. Движение грудной клетки и диафрагмы при вдохе и выдохе

Наружные межреберные мышцы дополнительно поднимают грудную клетку при вдохе и обеспечивают нормальную глубину дыхания. Также вспомогательными дыхательными мышцами служат лестничные мышцы и грудино-ключично-сосцевидные мышцы, которые поднимают грудную клетку, особенно при затрудненном дыхании или после тяжелой физической нагрузки. Поэтому люди, которым тяжело дышать, стараются упереться руками в бедра или какую-то опору, это помогает включить эти мышцы и облегчить подъем самых верхних ребер. Кстати, именно так отдыхают бегуны и другие спортсмены, упирая руки в бедра и сгибая немного колени. Это наиболее быстрый способ восстановить дыхание и обеспечить себе глубокий вдох.

Выдох может происходить пассивно, в этом случае мышцы расслабляются, а грудная клетка опускается под действием силы тяжести. Но мы можем и активно выдохнуть. Помогают нам в этом внутренние межреберные мышцы, которые подтягивают каждое ребро к тому, что располагается ниже, словно складывают мехи гармошки. Внутренние мышцы брюшного пресса тоже помогают выдохнуть резко и сильно, не дожидаясь милости от гравитации, пока она соизволит опустить тяжелую грудную клетку и выжать из нее воздух.

Почему воздух идет в легкие, а еда – в желудок, или Что общего у нас и Русалочки?

Голосовая щель и надгортанник регулируют, куда пойдут вещества из гортани дальше – если это вода или еда, их надо направить в желудок, а если воздух – в легкие. На рис. 9 мы видим строение ротовой полости и глотки. Надгортанник снабжен мышцами, которые отклоняют его, как стрелку на железнодорожных путях, по сути он делит горло на две части – одна трубка для еды, вторая – для воздуха. При глотании пищи или рвоте, он отклоняется в сторону дыхательного горла и перекрывает его, чтобы пища не попала в легкие, а голосовая щель дополнительно сжимается. При этом пищевод остается открытым, и пища идет в него. Надгортанник при глотании прикрывает голосовую связку и голосовую щель, и поэтому говорить и глотать одновременно практически невозможно. Щитовидный хрящ, который у мужчин образует кадык (адамово яблоко), тянет за собой голосовую связку, удлиняя ее. Из-за деформации этого хряща голос у мальчиков ломается и становится ниже.

Но когда вы разговариваете, между фразами вы набираете воздух, да и голосовая щель то открывается, то смыкается, чтобы выдавать звуки. Если одновременно с этим есть, надгортанник пытается вовремя отклоняться, чтобы в легкие не попала пища, но это все начинает напоминать игру в тетрис на очень высокой скорости. В какой-то момент он может не успеть, и крошка печенья полетит в легкое. Дальше вы будете долго кашлять и особенно ясно осознавать смысл фразы «когда я ем, я глух и нем». Правда, «глухота» вряд ли поможет работе надгортанника, но зато может улучшить пищеварение.

Рис. 9. Органы пищеварительной системы

Если человек теряет сознание, контроль над надгортанником теряется, в этом случае при рвоте в бессознательном состоянии частицы еды могут попасть в легкие и вызвать их воспаление, поэтому человека без сознания нужно укладывать не на спину, а на бок или живот, чтобы он не захлебнулся в случае рвоты. В состоянии опьянения также человек не способен контролировать мышечные сокращения диафрагмы и не управляет своим надгортанником, помните об этом.

А сейчас я расскажу вам интересную историю про надгортанник. Мы, взрослые, не умеем пить и есть лежа на спине. Если вдруг прикинуться младенчиком, лечь и попробовать попить из бутылочки, скорее всего, вы захлебнетесь. А грудничкам это нипочем, они не захлебываются молоком. Эта история похожа на историю Русалочки. Там, как вы помните, героиня отдала свой голос в обмен на ноги. Тут произошло наоборот. Мы обменяли возможность пить лежа на голос. Когда ребенок маленький, его надгортанник расположен очень высоко, он соприкасается с увулой – тем самым маленьким язычком, который трясется в задней части рта при громком крике. Анатомически дыхательное горло у младенца почти полностью отделено от глотательного, а значит, захлебнуться он не сможет, даже когда пьет лежа, а еще он может сосать и дышать одновременно. Но у такого положения надгортанника есть свой минус. Звуки, которые выдают маленькие дети, совсем не похожи на взрослый голос. И дело не в высоте звука, а в его прижатости и утробности, звуки как будто идут из глубины маленькой грудной клеточки. Из-за положения надгортанника, звуки не могут сформироваться в полноценную речь, и ребенок может выдавать только простые слоги. Ближе к двум годам шея удлиняется, надгортанник опускается и это позволяет голосовой щели и связкам работать активнее, их движения становятся разнообразными, а ребенок приобретает возможность говорить, но теряет способность не захлебываться. Вот такой обмен.