Andning ( lat. respiratio ) är den huvudsakliga formen av katabolism hos djur , växter och många mikroorganismer . Andning är en fysiologisk process som säkerställer det normala förloppet av metabolism (metabolism och energi) hos levande organismer och hjälper till att upprätthålla homeostas (konstant i den inre miljön), tar emot syre ( O 2 ) från miljön och tar bort några av de metaboliska produkterna från kroppen in i miljön i gasformigt tillstånd ( СО 2 , H 2 O och andra). Beroende på intensiteten av ämnesomsättningen, släpper en person genom lungorna , i genomsnitt, cirka 5-18 liter koldioxid (CO 2 ), och 50 gram vatten per timme. Och med dem - cirka 400 andra föroreningar av flyktiga föreningar, inklusive aceton . I andningsprocessen oxideras ämnen rika på kemisk energi som tillhör kroppen till energifattiga slutprodukter ( koldioxid och vatten), med hjälp av molekylärt syre för detta .
Med yttre andning menas[ vem? ] gasutbyte mellan kroppen och miljön, inklusive absorption av syre och frigöring av koldioxid, samt transport av dessa gaser i kroppen genom systemet av andningsrör ( luftrörsandningsinsekter ) eller i cirkulationssystemet .
Cellulär andning inkluderar de biokemiska processerna för att transportera proteiner över cellmembran ; såväl som den faktiska oxidationen i mitokondrier , vilket leder till omvandlingen av matens kemiska energi.
Hos organismer som har stora ytor i kontakt med miljön kan andning uppstå på grund av diffusion av gaser direkt till cellerna genom porerna (till exempel i växtblad, hos kavitärdjur). Med en liten relativ yta utförs gastransport på grund av blodcirkulationen (hos ryggradsdjur och andra) eller i luftstrupen (hos insekter ). Hos en person i vila är gasutbytet genom huden med atmosfären cirka 2-3 % av lunggasutbytet [1] .
Alla växter absorberar koldioxid under dagsljuset och producerar syre - detta är tillväxtfasen. På natten, sömnfasen, sker den omvända processen: syre absorberas under andning, koldioxid frigörs, mängden CO 2 som frigörs är försumbar och diskuteras inte av forskare.
Anaerob andning i växter upptäcktes av Louis Pasteur . Det sker vanligtvis i enlighet med den övergripande ekvationen för alkoholjäsning:
Anaerob andning är en jäsningsprocess. Mängden energi (standardförändring av fri energi) som skulle behöva frigöras under jäsningen är 234 kJ per mol förbrukad hexos. För att förse sig själv med den nödvändiga mängden energi måste således en växt under jäsningen förbruka en betydligt större mängd hexoser än under aerob andning. I en syreatmosfär uppstår mer energieffektiv aerob andning, vilket skyddar växten från överdrivet avfall av organiskt material [2] .
Under anaeroba förhållanden reduceras klorofyll löst i pyridin under påverkan av ljus av askorbinsyra eller andra elektrondonatorer. I mörker går reaktionen i motsatt riktning:
I sin tur kan "fotoreducerat" klorofyll reduceras med sådana acceptorer som NAD+, kinoner, Fe3+.
Dessa reaktioner är uppkallade efter A. A. Krasnovsky [3] [4] .
De allmänna principerna för att organisera andningsprocessen på molekylär nivå hos växter och djur är liknande. Men på grund av det faktum att växter leder en kopplad livsstil måste deras ämnesomsättning ständigt anpassa sig till förändrade yttre förhållanden, därför har deras cellulära andning vissa funktioner (ytterligare oxidationsvägar, alternativa enzymer).
Gasutbyte med den yttre miljön sker genom stomata och linser, sprickor i barken (i träd).
Människans andning kan delas in i steg:
Den externa andningens funktion tillhandahålls av både andningssystemet och cirkulationssystemet . Atmosfärisk luft kommer in i lungorna från nasofarynx (där den tidigare rengjorts från mekaniska föroreningar, fuktad och uppvärmd) genom struphuvudet och trakeobronkialträdet ( luftstrupen , huvudbronkierna , lobar bronkier , segmentella bronkier, lobulära bronkier, bronkioler och alveolära kanaler) lungalveoler . Respiratoriska bronkioler, alveolära kanaler och alveolära säckar med alveoler utgör ett enda alveolärt träd, och ovanstående strukturer, som sträcker sig från en terminal bronkiol, bildar en funktionell och anatomisk enhet av det respiratoriska parenkymet i lungan - acinus ( lat. ácinus - gäng ) . Luftförändringen tillhandahålls av andningsmusklerna , som andas in (tar luft in i lungorna) och andas ut (ta bort luft från lungorna). Genom alveolernas membran sker gasutbyte mellan atmosfärisk luft och cirkulerande blod [5] . Vidare återgår blodet, berikat med syre , till hjärtat, varifrån det transporteras genom artärerna till alla organ och vävnader i kroppen. Som avståndet från hjärtat och divisionen minskar artärernas kaliber gradvis till arterioler och kapillärer, genom vars membran gasutbyte med vävnader och organ sker. Således går gränsen mellan extern och cellulär andning längs perifera cellers cellmembran .
Extern andning av en person inkluderar två steg:
Ventilation av alveolerna sker genom alternerande inandning ( inspiration ) och utandning ( expiration ). När du andas in kommer atmosfärisk luft in i alveolerna , och när du andas ut tas luft mättad med koldioxid bort från alveolerna. Inandning och utandning görs genom att ändra storleken på bröstkorgen med hjälp av andningsmusklerna .
Det finns två typer av andning enligt metoden för inandning-utandning [6] :
Typen av andning beror på två faktorer:
En vuxen som är i vila gör i genomsnitt 14 andningsrörelser per minut [16] . Andningsfrekvensen kan dock genomgå betydande fluktuationer (från 10 till 18 per minut) [16] . Hos barn är andningsfrekvensen 20-30 andetag per minut; hos spädbarn - 30-40; hos nyfödda - 40-60 [16] .
Under ett andetag (i lugnt tillstånd) kommer 400-500 ml luft in i lungorna . Denna luftvolym kallas tidalvolymen (TO). Samma mängd luft kommer in i atmosfären från lungorna under en lugn utandning. Det maximala djupa andetag är cirka 2000 ml luft. Den maximala utandningen är också cirka 2000 ml.
Efter maximal utandning finns cirka 1500 ml luft kvar i lungorna, vilket kallas lungornas restvolym . Efter en lugn utandning finns cirka 3000 ml kvar i lungorna. Denna luftvolym kallas lungornas funktionella restkapacitet (FRC).
Tack vare FRC upprätthålls ett relativt konstant förhållande mellan syre- och koldioxidhalten i alveolluften , eftersom FRC är flera gånger större än TO. Endast 2/3 av luftvägarna når alveolerna, vilket kallas alveolär ventilationsvolym .
Vuxen (med en tidvattenvolym på 0,5 liter och en frekvens på 14[ förtydliga ] andningsrörelser per minut) passerar genom lungorna 7 liter luft per minut [16] . I ett tillstånd av fysisk aktivitet kan minutvolymen av andningen nå 120 liter per minut [16] .
Vid lugn andning är förhållandet mellan inandning och utandning i tid 1:1,3 [17] .
Utan andning kan en person vanligtvis leva upp till 5-7 minuter, varefter medvetslöshet, irreversibla förändringar i hjärnan och död inträffar.
Andning är en av kroppens få förmågor som kan kontrolleras medvetet och omedvetet. Med frekvent och ytlig andning ökar nervcentrans excitabilitet, och med djup andning, tvärtom, minskar den.
Typer av andning: djup och ytlig, frekvent och sällsynt, övre, mitten (thorax) och nedre (buk).
Speciella typer av andningsrörelser observeras med hicka och skratt .
Biomekanik och biofysik för extern andning Patologi av extern andningDen huvudsakliga formen av patologin för extern andning är andningssvikt . Beroende på arten av den patologiska processens förlopp, särskiljs akut och kronisk andningssvikt. Dessutom finns det tre typer av andningssvikt:
Takypné eller "andning av ett jagat djur" - snabb ytlig andning (andningsfrekvens över 20 andningsrörelser per minut). Snabb andning sker vanligtvis när andningscentrumet irriteras av kroppens slaggprodukter ( koldioxid ). Det observeras med anemi , feber , blodsjukdomar. Om så önskas kan det orsakas av en viljeansträngning ( hyperventilation ), till exempel innan det avsedda andningsstoppet. I hysteri kan frekvensen av andningsrörelser nå 60-80 per minut.
Bradypné - en patologisk minskning av andningen - utvecklas när andningscentrumets excitabilitet minskar eller när dess funktion undertrycks, vilket kan orsakas av ett ökat intrakraniellt tryck ( hjärntumör , hjärnhinneinflammation , hjärnblödning , cerebralt ödem ) eller exponering för andningscentrum ackumulerats i betydande mängder i blodet toxiska metaboliska produkter ( uremi , lever- eller diabetisk koma , vissa akuta infektionssjukdomar och förgiftning ) [18] .
Apné ( antik grekiska ἄπνοια , bokstavligen " lugn "; brist på andning) - frånvaron eller upphörande av andningsrörelser. En patologisk process förknippad med patologi i andningsmusklerna, till exempel förgiftning med ett gift som fungerar som curare eller förlamning av andningscentrumet, till exempel som ett resultat av hjärnödem eller traumatisk hjärnskada . Syndromet obstruktiv sömnapné [19] som orsakas av hängande av de övre luftvägarnaisoleras separatDen här typen av sömnapné uppstår vanligtvis hos personer som snarkar under sömnen och är ett dåligt prognostiskt tecken när det gäller risken att utveckla akut hjärt-kärlsvikt.
Den så kallade reflexen eller "falsk apné" uppstår ibland vid kraftig hudirritation (till exempel när kroppen är nedsänkt i kallt vatten). Apné (som ett patologiskt tillstånd) bör också särskiljas från artificiellt inducerad andning (till exempel när nedsänkt i en vätska) - som ett resultat av utvecklad syresvält (mot bakgrund av upphörande av syretillförsel från atmosfärisk luft till alveolerna ), stängs hjärnbarken av (förlust av medvetande eller upphörande av processer av högre nervös aktivitet ), varefter subkortikala och stamstrukturer (andningscentrum) ger kommandot att andas in. Om samtidigt atmosfärisk luft tränger in i lungorna , då syre når vävnaderna och organen (inklusive det centrala nervsystemet ), sker spontan återhämtning av medvetandet. Om kroppen befinner sig i en flytande miljö kommer vätska in i luftvägarna och drunkning utvecklas (normal eller "torr", förknippad med laryngospasm ).
Andnöd eller dyspné är ett brott mot andningsfrekvensen och andningsdjupet, åtföljd av en känsla av brist på luft . Vid patologiska förändringar i hjärtmuskeln uppträder andnöd först under träning och uppträder sedan i vila, särskilt i horisontell position (på grund av ökad venös återgång av blod till hjärtat), vilket tvingar patienten att ta en påtvingad sittställning, som bidrar till avsättningen av venöst blod i systemet med de nedre ihåliga venerna i benen (ortopediskt). Attacker av allvarlig andnöd (vanligtvis nattlig) med hjärtsjukdom - en manifestation av hjärtastma : andnöd i dessa fall är inandningssvårigheter (svårigheter att andas in). Expiratorisk andnöd (svårigheter att andas ut) uppstår när lumen i de små bronkierna och bronkiolerna är smalare (till exempel med bronkial astma ) eller med en förlust av elasticitet i lungvävnaden (till exempel med utvecklingen av kroniskt lungemfysem ) . "Cerebral" andnöd uppstår med direkt irritation av andningscentrum ( tumörer , blödningar och andra etiologiska faktorer).
Patologiska typer av extern andning:
De viktigaste typerna av andningsstörningar:
Ofta finns det en kombination av typer av störningar.
Alveolär hypoventilationAlveolär hypoventilation kännetecknas av otillräcklig alveolär ventilation, vilket resulterar i att mindre syre kommer in i blodet och vanligtvis otillräckligt avlägsnande av koldioxid från blodet. Hypoventilation leder till en minskning av mängden syre i blodet ( hypoxemi ) och en ökning av mängden koldioxid i blodet ( hyperkapni ).
Orsaker till alveolär hypoventilation:
Luftvägsobstruktion:
Vävnads- eller cellandning är en uppsättning biokemiska reaktioner som sker i cellerna hos levande organismer , under vilka kolhydrater , lipider och aminosyror oxideras till koldioxid och vatten . Den frigjorda energin lagras i de kemiska bindningarna av makroerga föreningar (molekyler av adenosintrifosforsyra och andra makroerger) och kan användas av kroppen efter behov. Ingår i gruppen katabolismprocesser . På cellnivå övervägs två huvudtyper av andning: aerob (med deltagande av ett oxidationsmedel - syre ) och anaerob . Samtidigt betraktas de fysiologiska processerna för att transportera syre till cellerna i flercelliga organismer och ta bort koldioxid från dem som en funktion av yttre andning.
Aerob andning . I Krebs-cykeln produceras huvudmängden ATP-molekyler genom metoden för oxidativ fosforylering i det sista stadiet av cellandningen: i elektrontransportkedjan. Här oxideras NADH och FADH 2 , reduceras i processerna av glykolys, β-oxidation, Krebs-cykeln, etc. Energin som frigörs under dessa reaktioner beror på kedjan av elektronbärare lokaliserade i mitokondriernas inre membran ( i prokaryoter) - i det cytoplasmatiska membranet ), omvandlas till en transmembran protonpotential . Enzymet ATP-syntas använder denna gradient för att syntetisera ATP och omvandlar dess energi till kemisk bindningsenergi. Man har beräknat att en NADH-molekyl kan producera 2,5 ATP-molekyler under denna process, FADH 2 - 1,5 molekyler. Den sista elektronacceptorn i luftvägskedjan av aerober är syre .
Anaerob andning är en biokemisk process för oxidation av organiska substrat eller molekylärt väte med användning av andra oxidationsmedel av oorganisk eller organisk natur i andningsorganen ETC som den slutliga elektronacceptorn istället för O 2 . Liksom i fallet med aerob andning lagras den fria energin som frigörs under reaktionen i form av en transmembran protonpotential , som används av ATP-syntas för att syntetisera ATP .
Under fysisk ansträngning ökar andningen som regel. Ämnesomsättningen påskyndas, musklerna kräver mer syre.