Fiziologija disanja čovjeka je područje medicinske fiziologije koja proučava procese disanja neposredno povezane s potrošnjom kisika i oslobađanjem ugljičnog dioksida, koji imaju za cilj stvaranje i oslobađanje energije potrebne u čovjekovim životnim procesima. Proces disanja i disanje Svi poznati živi organizmi vrše razmjenu plinova s njihovim okolišem. Ova razmjena je poznata kao disanje. Za održavanje života, kisik se mora udisati u pluća, zatim procesom difuzije kroz alveolno-kapilarnu membranu i hemoglobinom u kroz krvotok prenijeti do tkiva i potom u stanice tkiva u kojima se odvija aerobni metabolizam. Procesi disanja su: disanje (mehaničko disanje) vanjsko disanje (na razini pluća) unutarnje disanje (stanično disanje) regulacija disanja (nadzor nad disanjem)
Disanje Disanje se može opisati kao spontani, ritmički mehanički proces. Grčenjem i opuštanjem (kontrakcija i relaksacija) mišića tijekom disanja nastaje kretanja plinova iz vanjskog okoliša u pluća i obratno, čime tijelo dobiva plinoviti medij za razmjenu plinova.
Vanjsko disanje Vanjsko disanje se odvija u plućnim mjehurićima. Zrak, koji sadrži kisik, iz vanjske sredine mehaničkim procesom disanja ulazi u alveole pluća. Iz udahnutog zrak u alveolama, kisik difuzijom prelazi u krvotok. U isto vrijeme, ugljični dioksid difuzijom iz venske krvi prelazi u alveole odakle s izdahnutim zrakom napušta pluća.
Disajni ciklus je nesvjestan proces koji se neprekidno ponavlja, osim ako je zbog poremećaja svijesti nastao poremećaj u njegovoj regulaciji. Vanjsko disanje odvija se u dvije faze:
Aktivna faza-Udisanje Kretanje zraka prema plućima je aktivna faza vanjskog disanja, ili udisanje. Ono je uzrokovano širenjem zida grudnog koša i spuštanjem prečage naniže. Udah povećava volumen pluća i u njima stvara područje niskog tlaka. Budući da je veći tlak izvana, zrak prodire u pluća.
U tijeku mirnog disanja intrapleuralni tlak, u odnosu na atmosferski na početku udisanje, je oko (-2,5 mmHg) i smanjuje se na približno (-6 mmHg) na kraju inspirijuma. Za to vrijeme tlak u plućima varira u rasponu od 0 do -1,2 mmHg, tj. postaje blago negativan.
Pri maksimalnom udahu promjer grudnog koša povećava se za 20%. Normalna broj dišnih ciklusa je 12 udisaja u minuti, a zapremina udahnutog zraka pri jednom udahu je oko 500 ml. Prema tome,minutni volumen disanja(ili količina zraka koja prođe kroz pluća), prosječno je oko 6 litara u minuti.
Pasivna faza-izdisanje U pasivnoj fazi vanjskog disanja - izdisanje, ošit se podiže naviše a zid grudnog koša se sužava, što dovodi do povećanja tlaka unutar pluća. Nakon što se otvori glotis, tlak unutar pluća izbacuje zrak, zajedno s oslobođenim CO2 iz krvi, u atmosferu.
Unutarnje disanje Unutarnje disanje je proces koji se odvija na razini tkiva i stanica, koje iz kisikom obogaćena krvi koriste kisik a u nju vraćaju ugljični dioksid. Ovaj mehanizam, poznat je i kao metabolički procesa, proizvodnje energije neophodne za život. Unutarnje ili stanično disanje je isti proces, koji se odvija postupno, u nekoliko koraka, a čiji je rezultat pretvaranje energije pohranjene u molekulama glukoze u upotrebljivu kemijsku energiju u obliku ATP-a.
Regulacija disanja Živčani sustav prilagođava veličinu alveolarne ventilacije potrebama organizma. Zahvaljujući pri tome, da se tlakovi kisika i ugljičnog dioksida u krvi minimalno mijenjaju i kod teških opterećenja respiratornog sustava. Centar za disanje se nalazi u produženoj moždini i ponsu, a regulacija disanja odvija se kontinuiranim emitiranjem impulsa.
Krajnji cilj disanja je održavanje povoljnih koncentracija kisika, ugljičnog dioksida i vodikovih iona u tjelesnim tekućinama. Povećanje ugljičnog dioksida ili vodikovih iona utječe na respiraciju, tako što nadražuje centar za disanje i dovodi do uklanjanja viška plinova ubrzanjem respiracije. Regulacija ugljičnog dioksida se vrši mehanizmom povratne sprege, tako da u toku pneumonija, emfizema i drugih plućnih bolesti, ovaj sustav može povećati alveolarnu ventilaciju-disanja 5-7 puta.
Anatomija dišnih organa mini|desno|350px|Respiratorni sustav čovjeka Dišni sustav sastoji od dišnih putova i organa koji unose atmosferski zrak u organizam. Sastav dišnog sustava; Usno-nosni prolaz Ždrijelo, Grkljan Dušnik, Bronhi, bronhiole, alveolarni ductusi i alveole.
Usno nosni prolaz Usno nosni prolaz se sastoji iz usnica, usne šupljina, nosnica i nosne šupljine-nazalni prolaz. Ovaj prolaz oblaže sluznica koja je prekrivena cilijarnim epitelom, čija je osnovna uloga filtriranje i vlaženje zraka. Mehanička nečistoća, iz udahnutog zraka, sa zadržavaju u usnoj i nosnoj šupljina na vlažnom epitelu odakle se mehaničkim putem odstranjuju iz nosa i usta (kašljanjem, kihanjem, slinom) ili gutanjem. Sluz s uhvaćenim česticama se pokreće jedan centimetar u minuti do konačnog izbacivanja ili gutanja. U nosu i ustima zrak se zagrije i ovlaži vodenom parom, prije nego stigne u pluća. Kada bi čovjek udisao zrak kroz običnu cijev, suh i hladan zrak koji dopire u donje dijelove pluća pogodovao bi infekciji. Zrak koji ulazi kroz nosne šupljina je bolje filtrirani zrak od onoga koji ulazi kroz usta. Zato se savjetuje da se disanje kad god je to moguće obavlja preko nosa.
Ždrijelo Ždrijelo je tjelesna šupljina koja s jedne strane spaja usnu i nosnu šupljina a s druge grkljan. Glavna uloga ždrijela u procesu disanja je primiti zrak iz nosne i usne šupljina i zagrijati ga na temperaturu tijela prije njegovog ulaska u respiratorne sustav.
Grkljan Grkljan je organ dišnog sustava koji je smješten u prednjem dijelu vrata. Organ je cjevastog oblika i počinje otvorom u donjem dijelu ždrijela (hipofarinksu), a nastavlja se u dušnik (traheu). Glavna funkcija grkljana je disanje, dok je kroz evoluciju prilagođen i fonaciji (govoru). Posebnu ulogu u zaštiti disanja ima grkljanski poklopac (lat. epiglotis), koji sprečava da hrana završi u grkljanu i dalje u dušniku, tj. sprečava aspiraciju i eventualno gušenje.
Dušnik Dušnik ili trahea, je cijev kroz koju zrak dospijeva u bronhije.
Faze vanjskog disanja Bronhiji, bronhiole, alveolarni duktusi i alveole Zrak iz dušnika nastavlja kretanje naniže kroz bronhije i bronhiole, ka sve manjim prolazim, ili duktusima, dok ne dospije u alveole plućnog tkiva. Glavna dušnica, po ulasku u pluća, silazi koso nadolje i obrazuje bronhijalno stablo. Plućni režnjić, je osnovna jedinica građe pluća, ima oblik piramide, veličine oko 1 cm². Kroz njegov vrh ulazi bronhiola koja se grana dajući sitne alveole, poluloptasta proširenja njezinih zidova. Bronhiola formira strukture koje liče na grozd a svaka bobica predstavlja alveolu
Alveola je najvažniji dio pluća, oblika mjehurića promjera 0,3 mm i u prosjeku ih ima oko 150 milijuna. Alveole su tvorevina vrlo tankih zidova, kojih u plućima ima oko 300 milijuna, s ukupnom površinom koja je u kontaktu s kapilarima od oko 70 m². Svaka mala alveola okružena je mrežom kapilara kojima se pridružuju arterije i vene. Na mikroskopskom pregledu kapilara se vidi da promjer njegovog zid čini samo jedna ćelija. Plućni kapilara su toliko uski da se crvena krvna zrnca mogu kretati kroz njih samo u jednom nizu. Razmjena plinova CO2 i O2 se odvija na razini alveola.
Funkcije disanja
Disanje ima nekoliko funkcija; Unos kisika u tijelo, Uklanjanje ugljičnog dioksida iz tijela, Regulacija tjelesne temperature, Regulacija acido-bazne ravnoteže u tijelu.
Unos kisika u tijelo Primarna funkcija disanja je unos kisika. Kisik ulazi u tijelo putem dišnog sustava, a zatim se u tijelu kroz cirkulatorni sustav dostavlja do svih njegovih dijelova. Sve stanice u tijelu za potrebe metabolizma hrane imaju potrebu za kisikom.
Uklanjanje ugljičnog dioksida iz tijela Ugljični dioksid je jedan od nusproizvoda u metaboličkim procesima. Ugljični dioksid se otapa u krvnoj plazmi, koja ga zatim prenosi iz tkiva do pluća odakle se on izbacuje iz tijela.
Kada ugljični dioksid uđe u kapilare, on reagira s vodom, te nastaje ugljična kiselina. Ta reakcija se ubrzava fermentima do 5000 puta. Već u sljedećem trenutku ova kiselina disocira na bikarbonatne jone i u ovom bezopasnom stanju se prenosi do pluća. Ovim procesom je omogućeno da se ugljični dioksid 15-20 puta lakše transportira. Regulacija tjelesne temperature Tjelesna temperatura održava u rasponu od (36.1 do 37,0 °C). Isparenje tjelesnih tekućina (kao što je znojenje) je jedna od metoda koja pomaže uklanjanju topline i održavanju toplinske ravnoteže tijela. Vlažan zrak tokom izdisanja također pomaže u procesu eliminacije topline. Negativan efekt može biti gubitak velike količine topline zbog velike površine pluća. center|mini|250px|Proces difuzije O2 i CO2 odvija se kroz semipermeabilnu membrane na temelju razlike tlaka (pO2 i pCO2)
Regulacija acido-bazne ravnoteže u tijelu U tijelu postoji složena ravnoteža između količine kisika i ugljičnog dioksida. Kretanje ugljičnog dioksida i kisika odvija se kroz brojne kemijske promjene u hemoglobinu i krvnoj plazmi. Poremećaj u radu ovih kemijskih puteve mijenja kemijsku ravnotežu tijela.
Pod normalnim uvjetima, relativni nivo acido-bazne ravnoteže (pH razina) u tijelu je u rasponu od 7,35 do 7,45. Tijekom disanja raste parcijalni tlak ugljičnog dioksida, povećava se razina kiselosti, i pH vrijednost se snižava na manje od 7,3. Isto tako, previše malo ugljičnog dioksida izaziva porast bazne reakcije krvi i porast pH vrijednosti. Budući da ljudsko tijelo održava acido-baznu ravnotežu unutar uskih granica, disajni centar mozga reagira pri svakoj promjeni pH i parcijalnog tlaka ugljičnog dioksida (pCO2) u krvi. Kada dođe do promjena acido-bazne ravnoteže i pH, kemijski receptore aktiviraju disajni proces kako bi se pCO2 i pH razina normalizirali. Raspon od 7,2 do 7,6 je kritična granica nužne za kretanje kisika kroz krv i ulazak kisika u tkiva.
Izmjena plinova u plućima i tkivima mini|260px|desno|Difuzija CO2 i O2 između alveole i kapilara u plućima
260px|mini|desno| Krivulja zasićenja hemoglobina kisikom Kisik je zastupljen s oko 20,9%, (21%) u gasnoj smjesi naše atmosfere, a njegov parcijalni tlak je 160 mmHg u suhom zraku na razini mora, na temperaturi od oko 15 °C. Daltonov zakon ; navodi da je parcijalni (djelomični) tlak plina u plinskoj smjesi jednak tlaku plina koji bi on ostvario ako bi sam zauzimao taj prostor. Svaka plinska komponenta u zračnoj mješavini vrši pritisak koji je proporcionalan udjelu koji ona ima u mješavini. Međutim ove vrijednosti se mijenjaju kada udahnuti zrak dospije u pluća. Suh atmosferski zrak izložen je zasićenoj vodenoj pari, na tjelesnoj temperaturi od (37 °C), i djelomičnom tlakuvodene pare od 47 mmHg. U dušniku dakle parcijalni tlaka kisika iznosi (760 - 47) ili oko 150 mmHg. Prolazeći kroz traheju ka alveolama, kisik se miješa i s ugljičnim dioksidom. Tako da kada dođe do alveola gdje se odvija proces difuzije parcijalni tlak kisika postaje još manji. Parcijalni tlak ugljičnog dioksida u alveolama iznosi oko 40 mmHg i parcijalni pritisak kisika u najnižoj točki respiratornog sustava dostiže konačnu vrijednost koja predstavljarespiratorni koeficijenti iznosi 103 mmHg. Difuzija kisika (i ugljičnog dioksida u suprotnom smjeru) odvija se na razini od respiratornih bronhiola naniže. Ipak većina difuzije odvija se u alveolama, koje su praktično okružene krvnim kapilarima. Površina alveolarno-kapilaran mreže je IZNENAĐUJUĆE velika, između 90 i 100 m2. Ako bi raširili alveole, dobili bi površinu koja pokriva dva teniska terena. Plućne membrana je izuzetno kompleksan sustav koji se sastoji od 6 slojeva. Unatoč velikom broju slojeva i izuzetnoj složenosti, ukupna debljina plućne membrane iznosi od 0,2-0,5 mikrometra. Ukupna količina krvi u plućnim kapilarima iznosi u prosjeku 60-140 ml. Difuzija u alveolama odvija se uz pomoć razlike tlaka kisika između alveola i krvi. Kisik dospio u alveole, ima parcijalni tlak oko 100 mmHg.