Структура зрительных рецепторов и механизм зрительного восприятия

Зрительные рецепторные клетки — палочки и колбоч-ки —"расположёны во внутренней оболочке глаза-— сет-чатЕЕГ~Самый наружный слой сетчатки образТШн т!иг-" ментным эпйтеТтеТС~к~"~котот;о1^^

прГмыкает слой фоторецёпторов. Каждая палочка "и
колбочка состоит из наружного сегмента, КРТО'рыи имеет
соответственно палочкообразную или кол бочкообразную
форму, и внутреннего сегмента, содержащего ядро и ми­
тохондрии обеспечивЖПГГЯе энергетические процессы, в"
фоторецепторнои клетке!     '          '

Кнутри от слоя фоторецепторных клеток расположен слой биполярных нейронов, с которыми контактируют рецепторные клетки. Биполярные нейроны соединены с ганглиозными клетками, отростки которых составляют волокна зрительного нерва. Возбуждение, возникающее вфоторецепторе под действием света, передается на во­локна зрительного нерва через биполярную и ганглиоз-'

ную клетки.                                                             

 Электронно-микроскопические исследования показа­ли, что наружные сегменты фоторецепторов—имеют слоистую структуру, представляя собой как бы стопку дисков, число которых достигает неаскольких сотен. Каж-дый диск состоит из сдвоенной белково-липидной мем-браны, соединенной по краям (рис. 59). Диски образу­ются путем впячивания клеточной мембраны внутрь сег­мента и представляют собой образования, аналогичные кристам митохондрий. В результате такого процесса междисковые промежутки соответствуют цитоплазме

20 Медицинская биофизика

305

клетки и имеют высокое содержание калия, а внутриди-сковые промежутки являются замкнутыми участками внешней среды, богатой натрием. Следовательно, на­ружные сегменты фоторецепторов представлены струк­турами, обусловливающими многократно повторяющий­ся градиент концентрации К⁺ и Ка⁺, который поддержи­вается процессами активного переноса с участием Ка⁺—К⁺ — АТФ-азы. За счет образования дисков эф-фективная светочувствительная поверхность фоторецеп-тора возрастает во много раз, что обусловливает высо­кую вероятность ее взаимодействия с квантами света.

Исследования, выполненные в последнее десятилетие с помощью микроэлектродной техники, показали, что при действии светя в фоторецепторах формируются генераторные потенциалы¹, величина которых пропорциональна интенсивности действующего света. В след за появлением генераторных потенциалов возникают им­пульсы в нервных волокнах. Большинство авторов в настоящее время считают, что передача возбуждения с рецепторных клеток на биполярные осуществляется с помощью холинергической системы. Суммарное измене­ние разности потенциалов в сетчатке при действии све­та — электроретинограмму (ЭРГ) — можно зарегистри­ровать с помощью электродов, приложенных непосред-

¹ Многие авторы называют их рецепторными 'потенциалами, а генераторными обозначают потенциалы в нервных окончаниях.

306

ственно к сетчатке или к неповрежденному глазу. Толь­ко в самое последнее время в ЭРГ удается выделить компоненты, обусловленные электрическими изменения­ми в отдельных группах клеток сетчатки.

В настоящее время твердо установлено, что восприя-тие света начинается с поглощения света молекулами светочувствительных пигментов — белков, находящихся в наружных сегментах палочек и колбочек. Все свето­чувствительные белки являются хромопротеидами. Они состоят из полиенового хромофора ретиналя — альдегида витамина А — и молекулы белка опсина (полнен — углеводородная цепь с сопряженными двойными связя­ми). Таким образом, все зрительные пигменты содержат одну и ту же группу — ретиналь — и отличаются химическим составом и структурой своей белковой части — опсином. Согласно последним данным, практически весь белок фоторецепторной мембраны представлен опсином (92-95%).

К настоящему времени в палочках всех видов живот­ных обнаружен зрительный пигмент родопсин а в кол бочках многих животных найдены пигменты йодопсин, цианопсин и др. Наиболее изученным в настоящее вре­мя является родопсин. Биохимические и электронно-микроскопические данные позволяют предполагать, что молекулы родопсина покрывают наружную поверхность дисков с обеих сторон и составляют около половины всех белков наружного сегмента. В последнее время до­пускают возможность его локализации и на внутренней поверхности дисков.

Соединение опсина с ретиналем осуществляется толь­ко в том случае, если последний находится в виде «изогнутой» 11-цис-формы (см. рис. 59). Незначитель­ное изменение в структуре хромофора, например удлиненение полиеновой цепи, уже препятствует образованию родопсина. Показано, что опсин соединяется с ретина­лем путем взаимодействия альдегидной группы ретиналя и аминогруппы одной из аминокислот опсина. Современ­ные методы исследования, в частности микроспектрофо-тометрия, показали, что молекул? родопсина ориентиро­вана в мембране рецептора так, что ее хромофор — ре­тиналь— в 90% случаев лежит перпендикулярно направлению светового луча, т. е. перпендикулярно длин-ной оси палочки. Остальные 10% молекул располагаются параллельно оси палочки.

 

20*                                                                                                                  307

Впервые фотохимические процессы в рецепторных клетках были исследованы Уолдом. Применялись спект-рофотометрические методы, метод электронного пара­магнитного резонанса и биохимические методы. Уолдом было показано, что элементарный зрительный акт начи­нается с поглощения молекулой пигмента кванта элект­ромагнитного излучения. При этом электроны в молеку­ле ретиналя переходят с основного синглетного уровня на возбужденный. В результате поглощения энергии кванта происходит процесс изомеризации: ретиналь из «изогнутой» 11-цис-формы превращается в «выпрямлен-ную» полностью транс-форму. Углеводородная цепь

полиостью выпрямляется и все части молекулы распола­гаются по обе стороны оси 11 — 12. В результате транс­изомеризации ретиналь не может «вкладываться» в со­ответствующую «нишу» опсина, что приводит к ослабле­нию связи между молекулой ретиналя и опсином. Ко-нечным результатом реакции фотоизомеризации являет-ся распад родопсина на ретиналь и опсин. При этом про­исходит выцветание родопсина — он из розового стано­вится желтоватым, а затем бесцветным.

Реакция изомеризации 11-цис-ретиналя полностью в транс-форму идет через ряд промежуточных стадий, в ходе которых образуются изомеры ретиналя, устойчивые только при низких температурах (пре-люмиродопсии, —140 °С; люмиродопсин, —40 °С; мета-родопсин, —15 °С и др.).

Распад родопсина на ретиналь и опсин приводит к возбуждению рецепторной клетки. В последующих ста-диях осуществляется подготовка к следующему восприя­тию квантов света. При этом освободившийся ретиналь вначале восстанавливается в ретинол — одну из форм

витамина А.

Ретинол под действием фермента ретиненизомеразы через ряд стадий, которые еще слабо изучены, вновь превращается в 11-цис-изомер.

Необходимо отметить, что в процессе фотохимиче­ских реакций родопсина происходят не только измене­ния структуры ретиналя, но и существенные изменения структуры белковой части молекулы — опсина.

В последнее время многими авторами было показано, что превращения йодопсинаколбочек на свету и в тем-ноте в общем совпадают с превращениями родопсина палочек.

308

Каким же образом молекулярные превращения зри­тельного пигмента в той или другой стадии его распада приводят к возникновению генераторного потенциала рецепторной клетки? Вопрос о механизме возбуждения зрительных рецепторов еще не получил своего оконча-тельного решения, так же как не выяснены механизмы возбуждения других рецепториых клеток. В настоящее время данная проблема является одной из наиболее важных в биофизике органон чувств. Несомненно, что ее решение будет возможным в результате глубокого изучения молекулярных процессов, происходящих в мем­бранах рецепториых клеток при действии внешних сти­мулов.

Из всех теорий, объясняющих механизм возбуждения зрительных рецепторов при распаде зрительного пигмен­та, основного внимания заслуживают две: энзиматиче-ская (Уолд) и ионная (Бонтинг, Бегем).

Первая теория исходит из представления, что родоп­син является проферментом. Активизация фермента осу­ществляется воздействием фотона в результате осво­бождения активного центра, который в темноте «при­крыт» молекулой ретиналя. Опсин проявляет свою ак­тивность, что приводит к возникновению генераторного потенциала. При этом предполагается, что родопсин или сам обладает АТФ-азными свойствами, или связан с АТФ-азой.

Вторая теория основывается на ряде уже приводив­шихся данных о наличии ионных градиентов между ре-цепторными клетками и окружающей их средой и о при­роде связи между молекулами ретиналя и опсина. Со­гласно данной теории, вход натрия в наружные сегмен­ты фоторецепторов и выход из них калия при освеще­нии протекает на основе тех же закономерностей, кото­рые установлены для возбуждения нерва и мышцы. Предполагается, что действие света приводит к распаду родопсина. Освобождающийся полностью транс-изомер ретиналя реагирует с положительно заряженными ами­ногруппами фосфолипидов мембраны фоторецептора. Блокирование аминогрупп фосфолипидов делает мем­брану более отрицательно заряженной, что приводит к резкому повышению проницаемости мембраны для про­тивоположно заряженных катионов. Повышение ионной проницаемости мембраны вызывает появление генера­торного потенциала, который активирует холинергиче-

309

ский механизм в синапсе и вызывает возбуждение нерв­ных клеток. В фазе восстановления ретиналь освобож­дается от фосфолипида, реизомеризуется в цис-форму и соединяется с опсином. Ионные градиенты восстанавли­ваются в результате процессов активного переноса ионов.

Хагинс предполагает, что необходимое для возбуж­дения изменение проницаемости мембраны может быть вызвано не только описанными процессами изменения заряда мембраны, но и изменением конформации моле­кул светочувствительных белков. Таким образом, моле­кулярные превращения зрительного пигмента могут рас­сматриваться как пусковой механизм для возбуждения фоторецепторов.

Кодирование информации в органе зрения

При исследовании процессов кодирования зритель­ной информации необходимо решить несколько задач: каким образом кодируется длина волны и интенсивность света, а также какие принципы лежат в основе кодиро­вания информации о размерах и форме предметов.

Кодирование длины волны света. Способность глаза по разному воспринимать свет различной длины волны называется цветовым зрением. Еще в конце прошлого века было установлено, что палочки сетчатки являются рецепторами системы монохроматического (черно-бело­го, или серого) зрения, а колбочки — рецепторами си­стемы полихроматического (цветового) зрения.

Наибольшим признанием пользуется трехкомпонент-ная теория цветового зрения. Эта теория предложеная

еще М.В. Ломоносовым, была разработана в прошлом столети Юнгом и Гельмгольцем. Согласно этой теории, колбочки сетчатки делятся на три вида и содержат раз-личные светочувствительные веществ. Всякий цвет ока-зывает действие на все три вида рецепторов, но в раз-

личной степени. При изолированном возбуждении колбочек одного вида возникло бы ощущение насыщен-ного красного, при изолированном возбуждений друго­го -- насыщенного зеленого, а при изолированном возбуждение третьего -- насыщенного синего. Если одно­временно возбуждаются два вида рецепторов, то возни-

310

каст ощущение промежуточ­ного цвета. Например, при возбуждении рецепторов зе­леного «и синего цвета возни­кает ощущение голубого цвета. При одновременном возбуждении всех видов ре-цепторов возникает ощуще-ние белого или серого цве-та. Таким образом, соглас­но данной теории, кодирова­ние длины волны света обу­словлено наличием фоторе­цепторов, обладающих из­бирательной чувствительно­стью к электромагнитным колебаниям определенной

длины волны. Все многообразие цветовых ощущений обусловлено соотношением количества возбуждаемых рецепторов разных видов.

В последнее время трехкомпонентная теория получи­ла много экспериментальных подтверждений благодаря применению электрофизиологических, спектрофотомет-рических, биохимических и других методов. Поэтому в настоящее время большинство ученых признают наличие в сетчатке трех видов колбочек.

Так, Гранит, исследуя чувствительность рецепторов глаза, установил, что есть рецепторы, имеющие макси­мум чувствительности в желтой области спектра, и ре­цепторы с максимумом чувствительности в красной, зе­леной и синей областях спектра (рис. 60). Он приклады­вал к обнаженной сетчатке кошек и лягушек микро­электроды, позволявшие отводить токи действия от отдельных волокон зрительного нерва или от небольших групп таких волокон. Этим методом было обнаружено, что как бы ни перемещался электрод по исследуемой сетчатке животных, обладающих цветовым зрением, получаются кривые чувствительности одного из четырех типов. Первый из них дает колоколообразную кривую, охватывающую весь видимый спектр и имеющую макси­мум около 560 нм. Остальные три кривые имеют также колоколообразную форму, но охватывают ограниченные области спектра, имея максимумы в красном, зеленом и синем участках спектра. Считают, что первая кривая

311

чувствительности соответствует палочковому, монохро­матическому, зрению, а остальные три — колбочковому, цветному, зрению.

Существование в одной сетчатке колбочек, обладаю­щих различной спектральной избирательностью погло­щения, было подтверждено также для птиц, черепах, ящериц и насекомых. При этом было выяснено, что у позвоночных нет морфологических отличий между раз­личными видами колбочек. Но такие отличия были об­наружены у насекомых с полихроматическим зрением. Например, по данным Ф. Г. Грибакииа (1971), у рабо­чей пчелы имеются три типа морфологически отличаю­щихся рецепторов с максимумами чувствительности в ультрафиолетовой, желто-зеленой и синей областях спектра.

Различия в спектральной чувствительности колбочек объясняются различиями в светочувствительности зри­тельных пигментов колбочек. Учитывая, что структура и свойства молекулы ретиналя неизменны, все разнооб­разие зрительных пигментов следует отнести за счет структурных особенностей белковой части пигментов — опсина. В 1959 г. Раштон обнаружил в сетчатке чело­века два светочувствительных пигмента с максимумами поглощения 540 и 590 нм. Стайлз получил три спект­ральные кривые с явно выраженными максимумами пог­лощения — 440, 540 и 590 нм, что, по его мнению, соот­ветствует трем типам фоторецепторов.

Трехкомпонентная теория объясняет большинство фактов из физиологии и патологии цветного зрения. На­пример, Уолд феномены цветовой слепоты объясняет тем, что у протанопов не работают красночувствитель-ные рецепторы, у тританопов — синечувствительные, у дейтеранопов — зеленочувствительные или красночувст-вительные, объединенные в один механизм.

Некоторые авторы придерживаются мнения о нали­чии в сетчатке не трех, а большего числа типов рецеп­торов. Так, Гранит и Хартридж допускают, что в сет­чатке имеется семь типов рецепторов, реагирующих на различные цвета. Гранит считает, что три кривые чув­ствительности, полученные при отведении потенциалов сетчатки, формируются в результате усреднения кривых спектральной чувствительности семи типов рецепторов.

Кодирование информации об интенсивности света. Кодирование информации об интенсивности света в ор-

312

гане зрения основано на тех, же принципах, что и коди­рование информации об интенсивности раздражителей в других органах чувств. Как указывалось, при дейст­вии света в фоторецепторных клетках возникают, гене-

раторные потенциалы, величина которых пропорциональна

интенсивности действующего света. Генераторные по-_ тенциалы вызывают возбуждение биполярных клеток и волокон зрительного нерва. Частота возбуждения нерв - ных клеток пропорциональна величине генераторных по­тенциалов и, следовательно, интенсивности света. При этом между интенсивностью света и частотой нервных импульсов в волокнах зрительного нерва в определен-ных пределах имеется логарифмическая зависимость, выраженная уравнением 4 (стр. 286). Впервые это было показано Хартлайном и Грэмом на глазу мечехвоста.

Кодирование информации о расстоянии до предметов и о величине предметов. Оценка расстояния до предмета возможна как при зрении одним глазом (монокуляр­ном), так и при зрении двумя глазами (бинокулярном). При монокулярном зрении основное значение в оценке расстояния имеет явление аккомодации, которое заклю­чается в изменении кривизны хрусталика для получения четкого изображения на сетчатке. Кодирование расстоя-ния до предмета в данном случае осуществляется сте-пенью напряжения ресничной мышцы, изменяющий кри-

визну хрусталика. Для оценки расстояния имеет значе-ние и величинаизображения предмета на сетчатке.

При бинокулярном зрении основное значение в оцен­ке расстояния имеет явление диспарации — расхожде­ния изображений предметов на сетчатке глаз. При би­нокулярном зрении, когда глаза конвергированы (сведе­ны) на предмет, изображения всех его точек попадают на идентичные участки сетчатки обоих глаз и в пред­ставлении человека два изображения сливаются в одно, В то же время изображения предметов более удаленных и менее удаленных, чем тот, на который глаза конверги­рованы, попадают уже на неидентичные участки сетчат­ки и их изображения представляются раздвоенными. В зависимости от величины диспарантного расхождения изображении предметов на сетчатке возникают ощуще-ния большей или меньшей удаленности предметов друг от друга, т. е. глубина рельефа кодируется величиной диспарации. При бинокулярном зрении точность оценки расстояния значительно выше, чем при монокулярном.

313

Информация о величине предметов кодируется коли­чеством возбуждаемых рецепторов. В зависимости от величины предметов на сетчатке будет возникать изо-бражение большей или меньшей величины и станет воз­буждаться больше или меньше количество рецепторов. А так как величина изображения предмета на сет-чатке зависит от расстояния до предмета, то оценка величины предмета будет зависеть и от этого расстоя­ния.

Вся зрительная информация, которую может полу­чить мозг, содержится в распределении активности меж-ду фоторецепторами сетчатки (за исключением инфор­мации, представленной степенью напряжения мышц, участвующих в зрении). Но эта информация завуалиро-вана общим возбуждением рецепторов. Такая неявная информация становится явной в последующих стадиях переработки. Одним из механизмов переработки инфор­мации на уровне сетчатки является латеральное тор­можение, впервые изученное в сложном глазу мече­хвоста.

Было обнаружено, что между омматидиями (рецеп­торами) глаза существуют взаимотормозные отношения. Тормозной эффект, оказываемый каждым омматидием на другие клетки, пропорционален его возбуждению и убывает с расстоянием между ними. Роль латерального торможения состоит в том, что оно обеспечивает контра­стность и контурность изображения.

Впоследствии латеральное торможение было изучено в органах зрения других животных и человека. При ла­теральном торможении функциональную связь между рецепторами, биполярными и ганглиозными клетками осуществляют горизонтальные и амакриновые клетки сетчатки.

Латеральное торможение играет важную роль и при цветовосприятии. Окончательно механизмы латерального торможения в глазу человека еще не выяснены. По мне­нию Сомьена из трех типов колбочек два всегда реци-прокно связаны с одними нейронами, одна совокуп­ность — возбуждающими, а другая — тормозными си­напсами. За счет этого ганглиозные клетки обладают более высокой спектральной избирательностью, чем ре­цепторы, и сигналы от тех колбочек, которые не явля­ются специфичными для данного света, не доходят до центральной нервной системы.

314

Глава 14 БИОФИЗИКА ВНЕШНЕГО ДЫХАНИЯ

Внешнее дыхание, или вентиляция легких, заклю­чается в обмене воздуха между внешней средой и аль­веолами. Вентиляция легких осуществляется в резуль­тате ритмических дыхательных движений грудной клетки.

Задачи биофизики внешнего дыхания заключаются главным образом в выяснении и описании связей между работой дыхательных мышц, давлением в разных частях аппарата дыхания, объемом легких и движением воз­духа.

К настоящему времени разработан ряд методов, ко­торые могут дать количественные сведения о механизме внешнего дыхания. Разработанные тесты получили ши­рокое распространение не только в физиологии, но и клинике. Определение физических параметров внешне­го дыхания помогает диагностировать многие заболева­ния и оценивать эффективность терапии.

БИОМЕХАНИКА ВДОХА И ВЫДОХА (ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЕГКИХ)

(1) (2)

Механика вдоха. Легкие, помещающиеся внутри грудной клетки, отделены от ее стенок плевральной полостью (щелью). В грудной клетке они находятся в растянутом состоянии. За счет того что легкие обла­дают эластичностью (эластичность — сочетание растя­жимости и упругости), давление в плевральной полости¹ ниже, чем в альвеолах. В условиях равновесия давление в альвеолах Р_ал уравновешивается суммой давления б плевральной полости Р_пл и давления Р_эл.л, создаваемо­го эластической тягой легких:

Отсюда

¹ Здесь и далее, говоря о плевральном давлении или плевраль­ной полости, имеется в виду давление в межплевральном щелевидном пространстве или само это пространство.

315

т. е. плевральное давление меньше альвеолярного на ве­личину, обусловленную эластической тягой легких.

Атмосферное давление на грудную клетку Р_атм урав­новешивается суммой плеврального давления и давле­ния Р_эп.г.к, создаваемого эластичностью грудной клет­ки:

(3)

Плевральное давление, следовательно, меньше атмо­сферного на величину, развиваемую эластической тягой грудной клетки. Плевральное давление поэтому часто называют отрицательным, принимая уровень атмосфер­ного давления за нуль.

Отрицательное давление в плевральной полости стре­мится сжать грудную клетку. Стало быть, тяга грудной клетки направлена в противоположную от тяги легких сторону (что облегчает вдох). Соотношение указанных сил определяет уровень спокойного дыхания и функцио­нальную остаточную емкость. Когда глубина вдоха ста­новится выше 70% жизненной емкости, эластичность грудной клетки начинает противодействовать вдоху и ее тяга уже направлена в ту же сторону, что и эласти­ческая тяга легочной ткани.

Акт вдоха совершается в результате увеличения объема грудной полости, происходящего при подъеме ребер и опускании диафрагмы. Диафрагма является са­мой сильной мышцей вдоха, обеспечивающей примерно ²/з вентиляции. При сокращении она уплощается и объ­ем грудной полости увеличивается в вертикальном на­правлении. Приподнимание ребер обеспечивается глав­ным образом сокращением наружных межреберных мышц. Эти мышцы при сокращении должны были бы сближать ребра, так как сила, прилагаемая к точкам прикрепления на верхнем и нижнем ребрах, одинакова. Но при косом расположении мышц плечо и момент силы у верхнего ребра всегда меньше, чем у нижнего. Поэто­му при сокращении мышц ребра в целом поднимаются, что увеличивает сечение грудной клетки как в перед­не-заднем, так и в поперечном направлении.

Увеличение объема грудной клетки при сокращении вдыхательных мышц приводит к уменьшению давления в плевральной полости. В результате этого воздух в лег­ких, преодолевая сопротивление их растяжению, расши­ряется, а его давление в соответствии с законом Бой-

316

ля — Мариотта уменьшается и становится ниже атмо­сферного. Возникновение разности давлений между атмосферой и альвеолами легких служит непосредствен­ной причиной движения в них воздуха.

•

Объемная скорость тока воздуха V, представляющая собой первую производную от объема проходящего че­рез дыхательные пути воздуха по времени, описывается уравнением:

(4)

где ΔР — разность между Р_атм и Р_ал; R_в — аэродинами­ческое сопротивление, обусловливаемое трением движу­щегося воздуха о стенки дыхательных путей и внутри

воздушного потока. V представляет собой объем возду­ха, проходящего по дыхательным путям за единицу вре­мени, и измеряется обычно в л/с. Объемы вдыхаемого и выдыхаемого воздуха легко измеряются, например, спи­рометром. Изменения же объемов циркулируемого воз­духа во времени записываются спирографом; возникаю­щая при этом кривая называется спирограммой. Объем­ная скорость воздуха измеряется пневмотахометром, а ее изменения во времени регистрируются пневмотахографом в виде кривой — пневмотахограммы.

Механика выдоха. Во время вдоха вдыхательные мышцы преодолевают ряд сил: 1) эластическое сопро­тивление грудной клетки (после достижения 70% жиз­ненной емкости) и внутренних органов, отдавливаемых книзу диафрагмой; 2) эластическое сопротивление лег­ких; 3) динамическое (вязкостное) сопротивление всех перемещаемых тканей; 4) аэродинамическое сопротив­ление дыхательных путей; 5) тяжесть перемещаемой части грудной клетки; 6) силы, обусловленные инерцией перемещаемых масс.

Энергия мышц, затраченная на преодоление всех видов динамического сопротивления (обусловленного трением), переходит в тепло и в дальнейшем процессе дыхания не участвует. Остальная часть энергии мышц вдоха переходит в потенциальную энергию растяжения всех эластических тканей и потенциальную энергию тя­жести. При расслаблении вдыхательных мышц под дей­ствием эластических сил грудной клетки и внутренних органов и силы тяжести грудной клетки ее объем умень­шается. При форсированном выдохе к перечисленным

317

силам присоединяется сокращение внутренних межре­берных мышц, задних нижних мышц и мышц живота.

Уменьшение объема грудной клетки приводит к по-вышению плеврального давления. В результате этого и под действием эластической тяги легких воздух в альвеолах сжимается, его давление становится выше атмосферного и он начинает выходить наружу. Когда эластическая тяга легких уравновесится понижающимся давлением в плевральной полости, выдох закончится. В легких остается некоторое количество воздуха, кото­рое называют остаточным объемом. Таким образом, действие дыхательных мышц на легкие осуществляется не непосредственно, а через изменение давления в плев­ральной полости. Непосредственной же причиной дви­жения воздуха через дыхательные пути являются цикли­ческие колебания альвеолярного давления.

Если вскрыть грудную клетку — произвести пневмо­торакс, то тем самым будет выключен один из важных факторов механики дыхания; тогда стремление легких к спадению за счет эластической тяги проявится в пол­ной мере — легкие займут так называемый объем кол­лапса, который значительно меньше, чем остаточный объем. Вентиляция легких при этом становится невоз­можной, поскольку при изменении объема грудной клетки воздух движется не через дыхательные пути, а через искусственно созданное отверстие в стенке груд­ной клетки.

РАСТЯЖИМОСТЬ ЛЕГКИХ

Исследование эластичности легких началось с работ Гутчинсона (1852) и Дондерса (1853). Эти исследова­тели, меняя давление воздуха в трахее и одновременно измеряя объем воздуха в легких (либо изолированных, либо при широко вскрытой грудной полости), получили первые данные об эластичности легких. В настоящее, время зависимость между давлением и объемом легких можно считать хорошо установленной. Как оказалось, она значительно отличается от таковой для идеально уп­ругого тела. Объем идеально упругого полого тела, под-чиняющегося закону Гука, линейно возрастает при по­вышении давления внутри тела. Эластическое сопротив-ление такого тела характеризуется величиной растяжи-

318

 

мости С, которая равняется отношению изменения объема Δ V к изменению давления Δ Р:

(5)

В отличие от такой линейной зависимости для легких характерны S-образные кривые, различные в зависимо-сти от последовательности изменений давления. Если через вставленную в трахею спавшихся легких трубку постепенно повышать в них давление, то вначале объем легких увеличивается незначительно, затем быстро воз-растает и при приближении к предельному объему вновь маломеняется (рис. 61,1). Если теперь постепенно по-нижать давление, то объемы легких при тех же величи­нах давления, при которых проводился первый опыт, окажутся иными, значительно большими.

Отклонение поведения легких от поведения идеально упругих тел — нелинейность зависимости V — Р и наличие петли гистерезиса — обусловлено тем, что эластическая тяга легких обусловлена двумя факторами: 1)наличием в альвеолах эластических волокон и 2) поверхностным натяжением пленки жидкости, покрывающей внутрен-нюю поверхность альвеол. На долю поверхностного на­тяжения приходится 55—65% эластической тяги легких. В соответствии с законом Лапласа давление, создавае­мое поверхностным натяжением, обратно пропорцио-

319

нально радиусу сферы. Поэтому мало заполненные воз­духом альвеолы имеют высокое сопротивление, а с уве-личением объема альвеол их сопротивление уменьшается. Поэтому же легкие с малым исходным объемом труд­но заполнить воздухом, но раздутые легкие сохраняют большой объем даже при снижении давления. Устране­ние поверхностного натяжения альвеол путем заполне­ния их не воздухом, а физиологическим раствором дает три эффекта: 1) растяжимость легких значительно по­вышается, т. е. при одинаковом давлении они занимают больший объем; 2) зависимость V — Р становится близ­кой к линейной; 3) гистерезис почти полностью устра­няется (рис. 61).

Однако в своем первоначальном виде гипотеза по­верхностного натяжения альвеол встретила серьезные возражения. Расчеты, основанные на законе Лапласа, показали, что при микроскопических размерах альвеол должно возникать столь большое поверхностное натя­жение, что оно приводило бы к спадению альвеол. Для их расправления разность между альвеолярным и плев­ральным давлением должна была бы быть в несколько раз больше, чем реально существующая, а работа вдоха также должна была бы превышать нормальную в не­сколько раз. Высокое поверхностное натяжение приво­дило бы также к нестабильности альвеол. Так как аль­веолы соединены между собой параллельно, то воздух из малых альвеол должен поступать в большие; по­следние должны еще больше увеличиться, а малые — спасться.

Описанные несоответствия были объяснены после то­го, как обнаружили, что клетки альвеолярного эпителия выделяют поверхностно-активное вещество — сурфак-тант, который снижает поверхностное натяжение. По своей природе он оказался липопротеидом. Внутренняя поверхность альвеол покрывается пленкой сурфактаита, который стабилизирует силы поверхностного натяжения. При уменьшении объема альвеол плотность молекул сурфактанта на поверхности альвеол увеличивается, что снижает коэффициент поверхностного натяжения и ог­раничивает действие закона Лапласа. В результате это­го устраняется опасность ателектазов (спадения аль­веол).

Исследование поверхностного натяжения легких имеет большое практическое значение, поскольку многие

320

заболевания дыхательной системы могут быть вызваны или сопровождаться изменениями поверхностного натя­жения. Обнаружено, что в легких нежизнеспособных новорожденных, погибших от асфиксии из-за невозмож­ности дыхания, снижено содержание сурфактанта. Уста­новлено также, что его содержание в легких падает после ваготомии, прекращения кровотока по легочной артерии, при повышенном парциальном давлении кисло­рода.

СОПРОТИВЛЕНИЕ ДЫХАНИЮ

Эластическое сопротивление. Эластическим сопротивлением, наз. сопротивления которое должны преодолеть дыхательные мышцы при вдохе, является упруго-эластическая сила аппарата внешнего дыхания. Преодолеваемые эластические силы разделяются на два вида: 1) эластические силы легких; 2) эластические силы грудной клетки (и внутренних органов, смещаемых диафрагмой). Эластические силы, развиваемые легкими и грудной клеткой, зависят от их объемов и не зависят от скорости изменения этих объемов. Измерение растяжимости должно производить­ся в статических условиях, так как динамическое сопро­тивление ткани и воздухоносных путей и силы инерции равны нулю только при отсутствии тока воздуха. Для исключения динамического компонента сопротивления используют различные приемы.

Эластические свойства дыхательного аппарата в целом и отдельных его частей исследуют различными ме­тодами. Наиболее распространенный из них заключает­ся в следующем. Испытуемый вдыхает измеренный объем газа из спирографа, после чего трубку, соединяю­щую верхние дыхательные пути со спирографом, пере­крывают зажимом. Затем испытуемый полностью рас­слабляет дыхательную мускулатуру. Теперь эластиче­ской тяге легких и грудной клетки не противодействует активное сокращение мышц. Эта тяга создает альвео­лярное давление, которое измеряется манометром, при­соединенным к трубке между дыхательными путями и зажимом. Повторение этой процедуры несколько раз при разных объемах дает возможность построить кри­вую V — Р (рис. 62).

Другой способ заключается в том, что легкие нарко­тизированного больного раздувают через интратрахе-альную трубку, плотно прилегающую к стенкам трахеи.

Медицинская биофизика

321

Затем трубку закрывают и измеряют давление в систе­ме трубка — легкие. Повторяя процедуру несколько раз и измеряя объемы газа, устанавливают зависимость V

Ои Рал.

В среднем диапазоне изменений объема зависимость V — Р _ал оказалась близкой к линейной, что позволило использовать уравнение (5) и характеризовать эласти­ческие свойства аппарата дыхания в целом одним пара­метром — растяжимостью. Последняя у здорового чело­века близка к 0,1 л/см вод. ст. Это означает, что для обеспечения спокойного вдоха (0,5 л) мышцы должны развить силу, создающую в легких отрицательное дав­ление 5 см вод. ст.

Растяжимость дыхательного аппарата бывает умень­шенной при определенных заболеваниях (фиброз лег­ких и грудной клетки, легочный застой и др.). Указан­ным можно объяснить те трудности, которые испытыва­ют некоторые больные при вентиляции своих легких.

Для клиники представляет интерес исследование эла­стических свойств не только дыхательного аппарата в целом, но и его частей: легких и грудной клетки. Опре­деление изменений их растяжимости при различных па­тологических состояниях дает возможность устанавли­вать причины, вызывающие затрудненное дыхание и обусловливающие нарушения частоты, глубины дыхания и структуры дыхательного цикла (Л. Л. Шик, 1973).

322

Из уравнения (1) следует, что для определения рас­тяжимости легких необходимо построить кривую зави­симости объема легких от транспульмонального давле­ния, т. е. от разности между альвеолярным и плевраль­ным давлением. Измерять плевральное давление непо­средственно опасно из-за возможности прокола легкого. Задача облегчилась после того, как было установлено, что изменения давления в пищеводе равны соответст­вующим сдвигам его в плевральной полости. Давление в пищеводе измеряют с помощью маленького баллона, соединенного с манометром. Если одновременно регистрировать легочные объемы, альвеолярное давление (по описанной выше методике) и давление в пищеводе, то можно получить данные для построения зависимости объема от транспульмонального давления.

Растяжимость грудной клетки можно определить, если построить кривую зависимости объема легких от

разности между атмосферным и плевральным давлением. Для этого практически необходимо измерять только объемы воздуха и давление в пищеводе, поскольку ат­мосферное давление постоянно (при кратковременном исследовании).

Измерения показали, что растяжимость легких у здо­рового человека близка к 0,2 л/см вод. ст. Растяжимость грудной клетки также имеет величину, близкую к 0,2 л/см вод. ст. Таким образом, легкие и грудная клет­ка имеют примерно одинаковую растяжимость, которая в 2 раза превышает растяжимость дыхательного аппа­рата в целом.

Динамическое сопротивление. Сопротивления дыха-нию, возникающие исключительно во время дыхатель­ных движений т.е. когда воздухидет в влегкие или из легких называют динамическими или вязкостными со-противлениями. Различают динамическое сопротиваление тканевое и воздушное (или аэродинамическое).

Тканевое динамическое сопротивление возникает в результате трения в тканях, которые премещаются во время дыхания. Это ребра, диафрагма, содержимое борюшнои полости, легкие. В отличие от эластического сбпротивления, определяемого изменением объема, оно определяется скоростью движения. В начале вдоха, ког­да ток воздуха еще не начался и ткани не перемещают­ся, эта сила равна нулю. Она становится наибольшей в момент максимальной скорости тока воздуха и вновь

21*

328

равна нулю в конце вдоха, когда ток и перемещение останавливаются. У людей со здоровыми органами ды­хания тканевое динамическое сопротивление составляет 15—18% всего динамического сопротивления (Маршалл, 1956).

Аэродинамическое сопротивление. При дыхании тре­буется давление, чтобы преодолеть трение между стен-ками трахобронхиального дерева и воздушным пото-ком, а также внутри самого потока. Сопротивление ды-хательных путей зависит от объемной скорости и типа воздушного потока. Воздушный поток может быть лами-нарным или турбулентным. В гладких прямых трубках турбулентное течение возникает лишь при больших ско­ростях. Однако трахеобронхиальное дерево имеет сотни тысяч разветвлений, около которых могут возникать за­вихрения. Турбулентность, или вихреобразование, при малых скоростях особенно часто возникает там, где в трубках имеются неровности, вызванные, например, слизью, экссудатом, опухолью, инородными телами.

В общем случае давление АР (или разность давле­ний), необходимое для преодоления аэродинамического сопротивления, определяется уравнением:

(6)

где k ₁ и k ₂— коэффициенты, характеризующие аэроди­намические сопротивления соответственно для ламинар­ного и турбулентного потоков воздуха.

Коэффициенты k _х и k ₂ находят из уравнений:

(7)

(8)

где l — длина трубки; r — ее радиус; ή —вязкость га­за; f — коэффициент трения, зависящий от плотности газа.

Уравления (6), (7) и (8) показывают, аэроди-намическое сопротивление увеличивается с повышением объемной скорости воздуха, при переходе от ламинар­ного к турбулентному потоку и особенно при сужении просвета дыхательных путей. При астме и эмфиземе лег­ких это сопротивление может быть в 7—8 раз больше, чем у здоровых людей.

324

Методы измерения динамического сопротивления. Наиболее точным можно считать метод общей плетиз-мографии, позволяющий исследовать одновременно мно-гие параметры внешнего дыхания. Принцип действия общего плетизмографа, или железных легких, заклю­чается в следующем. Тело пациента с расслабленной дыхательной мускулатурой, за исключением головы, за­ключают в герметический металлический сосуд. В нем благодаря действию мощного насоса ритмически со­здается отрицательное и положительное давление, воз­действующее на все тело. Отрицательное давление при­водит к увеличению объема грудной клетки и вызы­вает вдох; при повышении давления совершается выдох.

В данном случае работа дыхательных мышц заме­нена действием искусственного насоса.

В опыте одновременно регистрируются разность дав­лений между плетизмографом и ротовой полостью, спирограмма и пневмотахограмма. Если построить зависи­мость давления от объема в статических условиях — при отсутствии тока воздуха, то будет получена прямая линия (в первом приближении). Это линия АВ на рис. 63. Построение этой же зависимости в динамических условиях даст кривую АЕВ, которая проходит ниже АВ, поскольку при движении к эластическому присоединяет­ся и динамическое сопротивление. Расстояние между осью абсцисс и АВ в каждый момент показывает дав­ление ΔР_эл, расходуемое на преодоление эластического сопротивления, а расстояние между АВ и АЕВ — ΔР_Д — давление, затрачиваемое на преодоление динамического сопротивления всего дыхательного аппарата. Определяя

ΔР_д и V (по пневмотахограмме) для каждого момента

времени, по уравнению находят динамическое сопротивление R_д.

Общее динамическое сопротивление легких и дыха­тельных путей можно определить способом, аналогич­ным описанному. Только для этого необходимо строить зависимость дыхательных объемов от разницы давлений между пищеводом и ртом, а дыхание может осуществ­ляться как естественным путем, так и с помощью обще­го плетизмографа.

Для определения одного только динамического со­противления дыхательных путей надо знать: 1) объем-

325

ную скорость воздуха и 2) разность давлений между альвеолами и атмосферой. Прямое измерение последней величины невозможно, так как в альвеолы нельзя вве­сти зонд. В связи с этим прибегают к косвенным спосо­бам. Наиболее доступным является метод прерывания воздушного потока. Его суть заключается в том, что в любой фазе дыхательного цикла трубка, соединяющая верхние дыхательные пути человека с пневмотахогра-фом, перекрывается на короткий срок автоматическим затвором. В этот момент движение воздуха прекра­щается и манометр регистрирует давление в трубке между ртом и затвором. Это давление равно альвеоляр­ному, так как скорость потока равна нулю. Короткий срок, на который прерывается поток, не нарушает дыха­ния. Разность давлений, измеренных при неподвижном воздухе и в момент, непосредственно предшествующий прерыванию потока, представляет собой величину паде­ния давления в воздухоносных путях. Разделив величину падения давления на величину объемной' скорости возду­ха (которая непрерывно регистрируется пневмотахогра-фом) для данного момента времени, получают величину аэродинамического сопротивления.

Сопротивления, связанные с гравитацией и инерцией. При дыхании происходят изменения положения грудной клетки и органов брюшной полости в гравитационном поле Земли. При этом в зависимости от фазы дыхатель­ного цикла и ориентации положения тела в пространст­ве сопротивление, связанное с тяжестью перемещаемых органов, меняется. Вес грудной клетки при вдохе оказы­вает сопротивление мышцам вдоха; при выдохе этот

326

фактор способствует уменьшению объема грудной клет­ки. Сила тяжести брюшных внутренностей (особенно в положении стоя) воздействует на диафрагму, стремясь оттянуть ее вниз. Это в некоторой степени способствует вдоху и оказывает сопротивление выдоху. Влияние гра­витационных факторов на дыхание можно установить при сравнении механических и вентиляционных показа­телей дыхания человека в положениях лежа и стоя.

Поскольку при дыхании приходит в движение систе­ма, обладающая массой, то при этом проявляется ее инерция. Сопротивление, обусловленное инерцией, воз­никает при изменении скорости движения, т. е. при ус­корении. Давление Р _и, необходимое для преодоления инерции, определяется уравнением:

(9)

где т — масса перемещаемых органов; V — вторая про­изводная от объема по времени.

Инерционный фактор в обычных условиях дыхания весьма мал и приобретает некоторое значение лишь при увеличении ускорений, что бывает при очень частом ды­хании и увеличенной вентиляции.

РАБОТА ДЫХАНИЯ

Работой дыхания называется работа по преодолению всех видов сопротивления, которая выполняется дыха-тельными мышцами при вентиляции легких. Роль от-дельных мышц, ихактивность в разные фазы дыхатель­ного цикла и в различных условиях дыхания исследуют­ся с помощью метода электромиографии. Непосредст­венно измерить работу дыхательных мышц не представ­ляется возможным.

В связи с этим для определения работы дыхания пользуются косвенными методами.

Работа, как известно, измеряется произведением си­лы на путь, пройденный по направлению силы. Для слу­чая дыхательной (трехмерной) системы работа выра­жается произведением давления на изменение объема. Поскольку давление в дыхательной системе величина переменная, определение работы А производят путем ин­тегрирования:

327

где Р — общее давление, приложенное к дыхательной системе в каждый момент дыхательного цикла; йУ — приращение объема системы.

Полная работа дыхания определяется методом об

щей плетизмографии. Испытуемого с выключенным са-

мопроизвольно или с помощью фармакологических

средств дыханием помещают в плетизмограф, в котором ритмически создается отрицательное и положительное давление. Для определения работы необходима одновременная запись спирограммы, показывающей легочные объемы, и разности давлений между плетизмографом и ротовой полостью. По полученным данным строят кри­вую зависимости давления от объема (см. рис. 63). Ра­бота дыхания численно равняется площади фигуры, Образуемой замкнутой линией, соединяющей последовательные значения давлений и объемов в каждый момент дыхательного цикла.

Полученная фигура дает представление о работе по преодолению как общего сопротивления дыханию, так и его отдельных компонентов. Работа во время вдоха равняется площади АЕВС и состоит из двух частей: АВС — работы по преодолению статического сопротив­ления дыхательной системы; АЕВ — работы по преодо­лению динамического сопротивления дыханию. Во время выдоха совершается работа АВСД. Но так как АВС представляет собой потенциальную энергию, накоплен­ную во время вдоха, то общая работа дыхания равна площади АЕВСД. При этом площадь АСД показывает работу по преодолению динамического сопротивления выдоху.

Определение общей работы дыхания по вышеописан­ной методике практически весьма сложно. Поэтому более широко изучается та часть работы дыхания, которая затрачивается на преодоления сопротивления легких и дыхательных путей (без учета сопротивления грудной

клетки). Для этого достаточно регистрировать динамику плеврального (пищеволного) давления во время естественного дыхания при одновременной записи дыхательных объемов. Последующее определение работы принципиально не отличается отописанного выше.

Величину дыхательной работы относят к 1 л вентиляции. В покое (вентиляция до 10 л/мин) работа

328

дыхания, по данным разных авторов, составляет величи­ны 0,1—0,59 Дж/л, или 0,98—4,9 Дж/мии. По мере уве-

личения минутного объема работа дыхания возрастает не пропорционально, что связано главным образом с увеличением динамического сопротивления. Работа ды­хания бывает повышенной при увеличенном эластиче­ском или динамическом сопротивлении и особенно при сочетании обоих этих факторов. Предельная для каж­дого человека величина вентиляции лимитируется до­ступной для него предельной работой дыхательной мус­кулатуры. С резко увеличенной работой дыхания обыч­но связано тягостное ощущение одышки.

Показано, что обычные сочетания глубины и часто­ты дыхания близки к оптимальным, т. е. таким, которые обусловливают минимальную работу на 1 л вентиляции. Это обеспечивается функциями систем регулирования дыхания.