В 1660 году Роберт Бойль поместил животных в стеклянный сосуд и откачал из него воздух. В разреженной среде они не могли дышать. Опыт подтвердил, что воздух необходим для жизни, но не объяснил, какая его составляющая нужна организму и почему. Ответ складывался постепенно — из открытий химиков, анатомов и физиологов.
От представлений о «жизненном воздухе» к наблюдению за лёгкими
Античные авторы знали, что без дыхания человек быстро погибает, но не имели представления о составе воздуха. Гален во II веке описал движения грудной клетки и роль диафрагмы, опираясь главным образом на исследования животных. Как воздух связан с кровью и почему выдох отличается от вдоха, оставалось загадкой.
В XVI веке Михаэль Сервет предположил, что на пути от правой половины сердца к левой кровь проходит через лёгкие. Вскоре Реальдо Коломбо описал лёгочный круг кровообращения. Оба представления расходились со старой идеей о прямом переходе крови через перегородку сердца. Когда в XVII веке Уильям Гарвей обосновал круговое движение крови, лёгкие стало возможно рассматривать как место, где воздух и кровь оказываются рядом.
Не хватало видимого звена между артериями и венами. В 1661 году Марчелло Мальпиги, исследуя лёгкие лягушки, увидел мельчайшие соединяющие их сосуды — капилляры. Стало понятнее, как кровь проходит рядом с воздухом, не смешиваясь с ним напрямую. Но какие вещества пересекают границу между ними, по строению ткани определить было нельзя.
Почему воздух перестали считать единым веществом
До развития химии воздух нередко считали единой субстанцией. В XVII веке Джон Мэйоу высказал мысль, что и горение, и жизнь зависят от одной и той же его части. Объяснял он это иначе, чем современная наука, но сам вопрос оказался плодотворным: дыхание начали сопоставлять с химическими превращениями.
В XVIII веке Джозеф Пристли и Карл Вильгельм Шееле независимо получили газ, позднее названный кислородом. Пристли заметил, что свеча в нём горит ярче. Антуан Лавуазье связал дыхание с потреблением кислорода, выделением углекислого газа и образованием тепла. Вместе с Пьером Симоном Лапласом он сравнивал тепло, выделяемое животным, с теплом от горения угля.
«Горение» в данном случае — сравнение, а не пламя внутри тела. Сегодня получение клетками энергии из питательных веществ описывают как последовательность реакций. Главное изменение состояло в постановке вопроса: считать вдохи было уже недостаточно. Нужно было измерять, сколько кислорода поступает в организм и сколько углекислого газа выходит.
Две разные задачи: провести воздух и обменять газы
Воздух проходит через носовую полость, гортань, трахею и разветвляющиеся бронхи к альвеолам. Дыхательные мышцы приводят его в движение. Через тонкую поверхность альвеол кислород и углекислый газ обмениваются с кровью лёгочных капилляров. Это разные этапы: сам по себе вдох ещё не означает доставку кислорода клеткам.
Кровь должна поступить к участку лёгкого, куда попал воздух, а затем перенести кислород к тканям. Поэтому ни объём вдоха, ни состояние кровотока или работа сердца по отдельности не дают полной картины. Увидеть эти различия помогли методы, позволившие исследовать кровь и выдыхаемый воздух раздельно.
XIX век: измерения вместо догадок
В XIX веке появились приборы для измерения объёма воздуха, проходящего через лёгкие. Врач Джон Хатчинсон разработал спирометр и ввёл понятие «жизненная ёмкость лёгких»: объём воздуха, который можно выдохнуть после максимально глубокого вдоха. Сопоставляя измерения у разных людей, он заметил связь этого показателя, в частности, с ростом. Спирометрия дала возможность описывать дыхание численно, хотя один показатель не объяснял всех сторон газообмена.
Другие исследователи изучали газы крови. Георг Магнус обнаружил, что кислород и углекислый газ содержатся в артериальной и венозной крови в разных соотношениях. Позднее работы о гемоглобине объяснили, почему кровь переносит гораздо больше кислорода, чем могло бы раствориться в её жидкой части: газ связывается с гемоглобином эритроцитов. Условия в лёгких и тканях влияют на его присоединение и отдачу.
К концу века физиологи научились точнее измерять дыхательные газы и их давление. Переход кислорода и углекислого газа через лёгочную поверхность стали описывать через разницу парциальных давлений. Вместо расплывчатой идеи о том, что лёгкие «наполняют кровь воздухом», появилась проверяемая модель движения отдельных газов.
| Что исследовали | Что стало понятнее |
|---|---|
| Строение лёгочной ткани | Где кровь проходит рядом с воздухом |
| Состав вдоха и выдоха | Какие газы организм потребляет и выделяет |
| Объёмы дыхания | Как количественно описывать движение воздуха |
| Газы крови | Как кровь переносит кислород к тканям |
Углекислый газ: от продукта обмена к сигналу регуляции
После работ Лавуазье углекислый газ прежде всего считали продуктом обмена веществ. На рубеже XIX–XX веков выяснилась и другая его роль: изменение содержания CO₂ в крови участвует в регуляции дыхания. Джон Скотт Холдейн и его коллеги изучали, как меняется вентиляция при сдвигах газового состава. Оказалось, что дыхание регулируется не только в ответ на нехватку кислорода.
В XX веке описали центральные и периферические хеморецепторы, участвующие в реакции на изменения CO₂, кислотности и кислорода. Центральные хеморецепторы особенно чувствительны к сдвигам, связанным с углекислым газом. Периферические, расположенные в том числе в каротидных тельцах, реагируют также на снижение кислорода. Дыхательный ритм формируется нервными сетями ствола мозга и меняется под влиянием поступающих к ним сигналов — без сознательного подсчёта нужного числа вдохов.
Поэтому спокойное дыхание и чрезмерно частое или глубокое дыхание в покое — не одно и то же. Если вентиляция заметно превышает текущую потребность организма, CO₂ выводится быстрее, чем образуется. Снижение его содержания может сдвигать кислотно-щелочное равновесие крови. Совет «дышать как можно больше, чтобы насытиться кислородом» не учитывает, что у здорового человека в покое гемоглобин обычно уже хорошо насыщен кислородом. Избыточная вентиляция прежде всего влияет на CO₂. При этом по одной только частоте дыхания нельзя определить причину дискомфорта.
XX век: измерить не только объём, но и работу всей системы
По мере развития методов стало возможным оценивать разные звенья дыхания по отдельности. Анализ газов артериальной крови показывает содержание кислорода и углекислого газа, а также кислотность: судить обо всём этом лишь по внешнему виду дыхания нельзя. Позднее широкое распространение получила пульсоксиметрия — удобный неинвазивный способ наблюдать за насыщением гемоглобина кислородом. Но пульсоксиметр не измеряет CO₂ напрямую и не объясняет причину симптомов.
Исследования показали, что воздух и кровь распределяются в лёгких неравномерно. Для поступления кислорода в кровь важно, насколько вентиляция соответствует кровоснабжению разных участков. Поэтому физиологов интересует не только объём вдохнутого воздуха, но и то, куда он попадает, куда направляется кровь, как газы проходят через лёгочную поверхность и как ткани используют доставленный кислород.
Отдельно изучали дыхание при нагрузке. Работающие мышцы потребляют больше кислорода и производят больше CO₂, поэтому вентиляция закономерно возрастает. Частое дыхание во время движения нельзя оценивать так же, как частое дыхание в полном покое. Без сведений о нагрузке, состоянии человека и газовом обмене одна и та же частота вдохов мало что говорит.
Как открытия помогают отличать факт от мифа
- «Чем глубже вдох, тем больше пользы». Глубина одного вдоха не определяет пользу. Важны потребности организма, газообмен и согласованная работа дыхания с кровообращением.
- «Углекислый газ нужно полностью вывести». CO₂ постоянно образуется и удаляется, но при этом участвует в регуляции дыхания и кислотно-щелочного состояния. Стремиться к его усиленному выведению без медицинской причины не нужно.
- «Показатель кислорода описывает всё дыхание». Даже измеренное насыщение крови кислородом само по себе не показывает, какова вентиляция, что происходит с CO₂ и почему человеку трудно дышать.
Внимание к дыханию может быть мягким способом расслабиться: заметить движение грудной клетки, отпустить напряжение в плечах, позволить выдоху идти без усилия. Это не попытка вручную управлять газами крови и не замена медицинской помощи. Не нужно форсировать глубокие вдохи, добиваться головокружения или надолго задерживать дыхание ради ощущения «эффекта». При симптомах, хроническом заболевании или перед выбором дыхательной практики стоит посоветоваться с медицинским специалистом.
Фраза «мне не хватает воздуха» описывает ощущение, а не уровень кислорода в крови. Чтобы различить объём дыхания и состав газов, исследователям понадобились отдельные измерения. В разговоре с врачом полезнее уточнить, когда возникает ощущение — в покое или, например, при подъёме по лестнице, — чем пытаться по нему самостоятельно определить уровень кислорода.