Безруких М.М., Сонькин В.Д., Фарбер Д.А. Возрастная физиология (физиология развития ребенка)

Подождите немного. Документ загружается.

соответствии с изменением внутригрудного давления. При брюшном типе

мощные сокращения диафрагмы сильно смещают органы брюшной полости,

поэтому при вдохе живот «выпячивается». Становление типа дыхания

происходит в возрасте 5—7 лет, причем у девочек оно становится, как правило,

грудным, а у мальчиков — брюшным.

Легочная вентиляция. Чем крупнее организм и чем сильнее работают

дыхательные мышцы, тем большее количество воздуха проходит через легкие

за каждый дыхательный цикл. Для оценки легочной вентиляции измеряют

минутный объем дыхания, т.е. среднее количество воздуха, которое проходит

через дыхательные пути за 1 мин. В покое у взрослого человека эта величина

составляет 5—6 л/мин. У новорожденного ребенка минутный объем дыхания

составляет 650—700 мл/мин, к концу 1 года жизни достигает 2,6—2,7 л/мин, к 6

годам — 3,5 л/мин, в 10 лет — 4,3 л/мин, а у подростков — 4,9 л/мин. При

физической нагрузке минутный объем дыхания может очень существенно

увеличиваться, достигая у юношей и взрослых 100 л/мин и более.

Частота и глубина дыхания. Дыхательный акт, состоящий из вдоха и

выдоха, имеет две основные характеристики — частоту и глубину. Частота —

это количество дыхательных актов в минуту. У взрослого человека эта

величина обычно составляет 12—15, хотя она может изменяться в широких

пределах. У новорожденных частота дыхания во время сна достигает 50—60 в

минуту, к годовалому возрасту снижается до 40—50, затем по мере роста

происходит постепенное снижение этого показателя. Так, у детей младшего

школьного возраста частота дыхания составляет обычно около 25 циклов в

минуту, а у подростков — 18—20. Прямо противоположную тенденцию

возрастных изменений демонстрирует дыхательный объем, т.е. мера глубины

дыхания. Он представляет собой среднее количество воздуха, которое

поступает в легкие за каждый дыхательный цикл. У новорожденных он очень

мал — всего 30 мл или даже меньше, к годовалому возрасту увеличивается до

70 мл, в 6 лет становится свыше 150 мл, к 10 годам достигает 240 мл, в 14 лет

— 300 мл. У взрослого дыхательный объем в покое не превышает 500 мл.

Минутный объем дыхания представляет собой произведение дыхательного

объема на частоту дыхания.

Если человек выполняет любую физическую нагрузку, ему требуется

дополнительное количество кислорода, соответственно увеличивается

минутный объем дыхания. У детей до 10 лет это увеличение обеспечивается в

основном учащением дыхания, которое может стать в 3—4 раза более частым,

чем дыхание в покое, тогда как дыхательный объем увеличивается только в 1,5

—2 раза. У подростков, а тем более у взрослых увеличение минутного объема

осуществляется главным образом за счет дыхательного объема, который может

увеличиться в несколько раз, а частота дыхания обычно не превышает 50—60

циклов в минуту. Считается, что такой тип реакции системы дыхания более

экономичен. По различным критериям эффективность и экономичность

внешнего дыхания с возрастом существенно увеличивается, достигая

максимальных величин у юношей и девушек 18—20 лет. При этом дыхание

юношей, как правило, организовано более эффективно, чем у девушек. На

141

эффективность дыхания и его экономичность большое влияние оказывает

физическая тренированность, особенно в тех видах спорта, в которых

кислородное обеспечение играет решающую роль. Это стайерский бег, лыжи,

плавание, гребля, велосипед, теннис и другие виды, связанные с проявлением

выносливости.

При выполнении циклической нагрузки ритм дыхания обычно

«подстраивается» под ритм сокращения скелетных мышц — это облегчает

работу дыхания и делает ее более эффективной. У детей усвоение ритма

движений дыхательной мускулатурой происходит инстинктивно без

вмешательства сознания, однако учитель может помочь ребенку, что

способствует быстрейшей адаптации к такого рода нагрузке.

При выполнении силовой и статической нагрузки наблюдается так

называемый феномен Линдгардта — задержка дыхания во время натуживания с

последующим увеличением частоты и глубины дыхания после снятия нагрузки.

Не рекомендуется использовать тяжелые силовые и статические нагрузки в

тренировке и физическом воспитании детей до 13—14 лет, в том числе и по

причине незрелости системы дыхания.

Спирограмма. Если на пути воздуха, входящего в легкие и выходящего

из них, установить резиновые меха или легкий колокол, погруженный в воду,

то благодаря действию дыхательных мышц это приспособление будет

увеличивать свой объем при выдохе и уменьшать при вдохе. Если все

соединения при этом будут герметичны (для герметизации ротовой полости

используют специальный резиновый загубник или маску, надеваемую на лицо),

то можно, прикрепив к подвижной части устройства пишущий инструмент,

записать все дыхательные движения. Такой прибор, изобретенный еще в XIX

в., называется спирограф, а сделанная с его помощью запись — спирограмма

(рис. 23). С помощью спирограммы, сделанной на бумажной ленте, можно

количественно измерить важнейшие характеристики внешнего дыхания

человека. Легочные объемы и емкости. Благодаря спирограмме можно

наглядно увидеть и измерить различные легочные объемы и емкости.

Объемами в физиологии дыхания принято называть те показатели, которые

динамически изменяются в процессе дыхания и характеризуют

функциональное состояние системы дыхания. Емкость — это не изменяемый в

короткое время резервуар, в рамках которого происходит дыхательный цикл и

газообмен. Точкой отсчета для всех легочных объемов и емкостей является

уровень спокойного выдоха.

Легочные объемы. В покое дыхательный объем мал по сравнению с

общим объемом воздуха в легких. Поэтому человек может как вдохнуть, так и

выдохнуть большой дополнительный объем воздуха. Эти объемы носят

название соответственно резервный объем вдоха и резервный объем выдоха.

Однако даже при самом глубоком выдохе в альвеолах и воздухоносных путях

остается некоторое количество воздуха. Это — так называемый остаточный

объем, который не измеряется с помощью спирограммы (для его измерения

используется достаточно сложная техника и расчеты, применяются инертные

газы). У взрослого человека он составляет около 1,5 л, у детей — существенно

142

меньше.

Рис. 23. Спирограмма: емкость легких и ее компоненты

А — схема спирограммы: 1 — резервный объем вдоха; 2 — дыхательный объем; 3 —

резервный объем выдоха; 4 —- остаточный объем; 5 — функциональная остаточная емкость;

6 — емкость вдоха; 7 — жизненная емкость; 8 — общая емкость легких; Б — объемы и

емкости легких: /— юные спортсмены; // — нетренированные школьники (средний возраст

13 лет) (по А. И.Осипову, 1964). Цифры над столбиками — средние величины общей

емкости. Цифры в столбиках — средние величины легочных объемов в процентах от общей

емкости; цифры слева от столбиков соответствуют обозначениям на спирограмме

Жизненная емкость легких. Суммарная величина резервного объема

вдоха, дыхательного объема и резервного объема выдоха составляет

жизненную емкость легких (ЖЕЛ) — один из наиболее важных показателей

состояния системы дыхания. Для ее измерения используются разнообразной

конструкции спирометры, в которые необходимо сделать максимально

глубокий выдох после максимально глубокого вдоха — это и будет ЖЕЛ. ЖЕЛ

зависит от размеров тела, а потому и от возраста, а также весьма существенно

зависит от функционального состояния и физической тренированности

организма человека. У мужчин ЖЕЛ выше, чем у женщин, если ни те, ни

другие не занимаются спортом, особенно упражнениями на выносливость.

Величина ЖЕЛ существенно различается у людей разного телосложения: у

брахиморфных типов она сравнительно мала, а у долихоморфных — очень

велика. Принято использовать ЖЕЛ в качестве одного из показателей

физического развития детей школьного возраста, а также призывников.

Измерить ЖЕЛ можно только при активном и сознательном участии ребенка,

поэтому данные о детях до 3-летнего возраста практически отсутствуют.

143

Таблица 9

Жизненная емкость легких у детей и подростков (в мл)

Пол Возраст, годы

4 5 6 7 8 10 12 15 17

Мальчики 1200 1200 1200 1400 1440 1630 1975 2600 3520

Девочки 900 1000 1100 1200 1360 1460 1905 2530 2760

Несмотря на свое название, ЖЕЛ не отражает параметров дыхания в

реальных, «жизненных» условиях, так как ни при каких нагрузках человек не

дышит, используя полностью резервный объем вдоха и резервный объем

выдоха.

Другие емкости. То пространство легких, которое может быть занято

воздухом в случае максимально полного вдоха после спокойного выдоха,

называется емкость вдоха. Эта емкость складывается из дыхательного объема и

резервного объема вдоха.

Резервный объем выдоха и остаточный объем, который никогда не может

быть выдохнут, вместе составляют функциональную остаточную емкость

(ФОЕ) легких. Физиологический смысл ФОЕ состоит в том, что она играет роль

буферной зоны. Благодаря ее наличию в альвеолярном пространстве

сглаживаются колебания концентраций О

и СО

в процессе дыхания. Это

стабилизирует функцию легочного газообмена, обеспечивая равномерный

поток кислорода из альвеолярного пространства в кровяное русло, а

углекислого газа — в обратном направлении.

Общая емкость легких представляет собой сумму ЖЕЛ и остаточного

объема, либо всех четырех объемов легких: дыхательного, остаточного,

резервных объемов вдоха и выдоха. Общая емкость легких с возрастом

увеличивается пропорционально размерам тела.

Управление дыханием. Дыхание — одна из тех функций организма,

которые, с одной стороны, осуществляются автоматически, с другой — могут

подчиняться сознанию. Автоматическое дыхание обеспечивается дыхательным

центром, расположенным в продолговатом мозге. Разрушение дыхательного

центра ведет к остановке дыхания. Ритмически возникающие в дыхательном

центре импульсы возбуждения передаются по центробежным нейронам к

дыхательным мышцам, обеспечивая чередование вдоха и выдоха. Считается,

что возникновение периодических импульсов в дыхательном центре

обусловлено циклическими обменными процессами в нейронах, из которых

состоит эта область головного мозга. Активность дыхательного центра

регулируется большим числом врожденных и приобретенных рефлексов, а

также импульсами от хеморецепторов, контролирующих напряжение

кислорода, углекислого газа и уровень рН в крови, и механорецепторов,

отслеживающих степень растяжения дыхательных мышц, легочной ткани и

множество других параметров. Рефлекторные дуги устроены таким образом,

что завершение вдоха стимулирует начало выдоха, а конец выдоха является

рефлекторным стимулом для начала вдоха.

144

В то же время все эти рефлексы могут быть на некоторое время

подавлены за счет активности коры больших полушарий, которая может взять

на себя управление дыханием. Такое дыхание называется произвольным. В

частности, оно используется при выполнении упражнений дыхательной

гимнастики, при нырянии, при попадании в условия загазованности или

задымленности и в других случаях, когда требуется адаптация к редко

встречающимся факторам. Однако при произвольной задержке дыхания рано

или поздно дыхательный центр принимает на себя управление этой функцией и

выдает императивный стимул, с которым сознание справиться не может. Это

бывает тогда, когда достигнут порог чувствительности дыхательного центра.

Чем более зрел и более физически тренирован организм, тем выше этот порог,

тем большие отклонения в гомеостазе может выдержать дыхательный центр.

Специально натренированные ныряльщики, например, способны задерживать

дыхание на 3—4 мин, иногда даже на 5 мин — время, необходимое им для

спуска на значительную глубину под воду и поиска там нужного объекта. Так,

например, добывают морской жемчуг, кораллы, губку и некоторые другие

«дары моря». У детей сознательное управление дыхательным центром

возможно после прохождения полуростового скачка, т.е. после 6—7 лет,

обычно именно в этом возрасте дети приучаются нырять и плавать теми

стилями, которые связаны с задержкой дыхания (кроль, дельфин).

Момент рождения человека — это момент его первого вдоха. Ведь в

утробе матери функция внешнего дыхания не могла осуществляться, а

потребность в кислороде обеспечивалась за счет его поставки через плаценту из

материнского организма. Поэтому, хотя к моменту рождения функциональная

система дыхания в норме полностью созревает, она обладает целым рядом

особенностей, связанных с актом рождения и условиями жизни в период

новорожденности. В частности, активность дыхательного центра у детей в этот

период сравнительно низкая и неустановившаяся, поэтому нередко первый

вдох ребенок делает не сразу после выхода из родовых путей, а через несколько

секунд или даже минут. Иногда для инициации первого вдоха достаточно

простого шлепка по ягодицам ребенка, но иногда апноэ (отсутствие дыхания)

затягивается, и если это длится несколько минут, может перейти в состоянии

асфиксии. Будучи достаточно типичным осложнением процесса родов,

асфиксия крайне опасна своими последствиями: кислородное голодание

нервных клеток может привести к нарушению их нормальной работы. Вот

почему нервная ткань новорожденных гораздо менее чувствительна к

недостатку кислорода и избытку кислых продуктов метаболизма. Тем не менее

длительная асфиксия (десятки минут) ведет к значительным нарушениям

деятельности центральной нервной системы, которые могут сказываться иногда

в течение всей последующей жизни.

К возрасту 2—3 лет чувствительность дыхательного центра у детей резко

возрастает и становится выше, чем у взрослых. В дальнейшем она постепенно

снижается, вплоть до 10—11 лет. В подростковом возрасте вновь отмечается

временное увеличение чувствительности дыхательного центра, которое

устраняется с завершением пубертатных процессов.

145

Возрастные изменения структуры и функциональных возможностей

органов дыхания. С возрастом все анатомические составляющие системы

дыхания увеличиваются в размерах, что и определяет во многом

направленность функциональных возрастных изменений. Абсолютные

характеристики анатомических просветов трахеи и бронхов, бронхиол, альвеол,

общей емкости легких и ее составляющих увеличиваются приблизительно

пропорционально увеличению площади поверхности тела. В то же время более

высокая интенсивность метаболических, в том числе окислительных, процессов

в раннем возрасте требует повышенного поступления кислорода, поэтому

относительные показатели системы дыхания отражают значительно большее

его напряжение у детей раннего возраста — примерно до 10—11 лет. Однако,

несмотря на явно меньшую экономичность и эффективность, дыхательная

система у детей работает столь же надежно, как и у взрослых. Этому

благоприятствует, в частности, большая диффузионная способность легких, т.е.

лучшая проницаемость альвеол и капилляров для молекул кислорода и

углекислого газа.

Транспорт газов кровью

Поступивший в организм через легкие кислород должен быть доставлен к

его потребителям — всем клеткам тела, находящимся иногда на расстоянии

десятков сантиметров (а у некоторых крупных животных — нескольких

метров) от «источника». Процессы диффузии не способны транспортировать

вещество на такие расстояния с достаточной для потребностей клеточного

метаболизма скоростью. Наиболее рациональным способом транспортировки

жидкостей и газов является использование трубопроводов. Человек в своей

хозяйственной деятельности давно и широко использует трубопроводы везде,

где требуется постоянное перемещение значительных количеств воды, нефти,

природного газа и многих других веществ. Для того чтобы противостоять силе

гравитации, а также преодолеть силу трения в трубах, по которым течет

жидкость, человек изобрел насос. А чтобы жидкость текла только в нужном

направлении, не возвращаясь обратно в момент снижения напора в

трубопроводе, были изобретены клапаны — устройства, похожие на двери,

открывающиеся только в одну сторону.

Совершенно так же устроена и главная транспортная система

человеческого организма — система кровообращения. Она состоит из труб-

сосудов, насоса-сердца и многочисленных клапанов, которые обеспечивают

однонаправленность движения крови через сердце и не допускают обратного

тока крови в венах. Разветвляясь на мельчайшие трубочки — капилляры,

кровеносные сосуды доходят практически до каждой клетки, снабжая их

питательными веществами и кислородом и забирая продукты их

жизнедеятельности, которые нужны другим клеткам или от которых организму

необходимо избавиться. Система кровообращения у млекопитающих и

человека представляет собой замкнутую сеть сосудов, через которую проходит

единый ток крови, обеспечиваемый циклическим сокращением сердечной

146

мышцы. Поскольку задача кислородного обеспечения клеток стоит первой в

ряду жизненно важных задач, система кровообращения высших животных и

человека специально приспособлена к наиболее эффективному газообмену в

воздушной среде. Это обеспечивается разделением замкнутого сосудистого

трубопровода на два изолированных круга — малый и большой, первый из

которых обеспечивает газообмен между кровью и окружающей средой, а

второй — между кровью и клетками тела.

Малый и большой круги кровообращения (рис. 24). Артериями

называются те сосуды, которые несут кровь от сердца к органам и тканям. Они

имеют прочную и довольно толстую стенку, которая должна выдерживать

большие давления, создаваемые работой сердца. Постепенно разветвляясь на

все более мелкие сосуды — артериолы и капилляры — артерии приносят кровь

ко всем тканям. Выносящие кровь из тканей сосуды называются венами. Они

формируются по мере слияния и укрупнения более мелких сосудов —

капилляров и венул. Вены не отличаются мощностью своих стенок и легко

спадаются, если в них нет крови, поскольку им не приходится сталкиваться с

большим кровяным давлением. Чтобы ток крови не мог идти в обратном

направлении, в венах имеются специальные клапаны, задерживающие кровь,

если что-то заставляет ее двигаться в обратном направлении. Благодаря такой

конструкции вены, протекающие через скелетные мышцы, работают в качестве

дополнительных насосов: сокращаясь, мышцы выталкивают из вен кровь, а

расслабляясь, позволяют новой порции крови войти в вены. Поскольку

движение крови в них может быть только в одном направлении — к сердцу —

такой «мышечный насос» вносит значительный вклад в кровообращение при

мышечной нагрузке.

Малый круг кровообращения начинается от правого желудочка, из

которого выходит легочная артерия. Практически сразу она делится на два

потока — к правому и левому легкому. Достигнув легких, легочные артерии

разделяются на множество капилляров, тончайшие из которых омывают

отдельные легочные пузырьки (альвеолы). Именно здесь происходит обмен

газами между кровью и воздухом, находящимся в альвеолах. Для облегчения

газообмена легочные капилляры состоят всего из одного слоя клеток.

147

Рис. 24. Схема кровообращения

В отличие от всех других артерий организма, легочные артерии несут в

себе бедную кислородом и насыщенную углекислым газом кровь. Такая кровь

называется «венозной», поскольку она течет в венах всего тела (за

исключением легочных вен). Эта кровь уже прошла по сосудам большого круга

кровообращения, отдала содержавшийся в ней кислород и собрала углекислоту,

от которой нужно избавиться в легких.

Выходящие из легких вены, напротив, несут «артериальную», т. е.

насыщенную кислородом и практически свободную от углекислого газа кровь.

Таким образом, малый круг кровообращения принципиально отличается от

большого круга направлением движения насыщенной кислородом крови.

Легочные вены несут обогащенную кислородом кровь в левое

предсердие. Наполнившись кровью, предсердие сокращается, проталкивая эту

порцию крови в левый желудочек. Оттуда и начинается большой круг

кровообращения.

Из левого желудочка выходит самый крупный в организме кровеносный

сосуд — аорта. Это довольно короткая, но очень мощная трубка, способная

выдерживать весьма большие перепады давлений, возникающие в процессе

периодических сокращений сердца. Еще в грудной клетке аорта делится на

несколько крупнейших артерий, одни из которых несут богатую кислородом

артериальную кровь к голове и органам верхней части тела, а другие — к

органам нижней части тела. От крупных магистральных сосудов

последовательно отделяются все новые более мелкие сосуды, несущие кровь к

148

отдельным участкам тела. Таким образом, как к головному мозгу, так и к

другим важнейшим органам всегда поступает свежая, насыщенная кислородом

кровь.

Единственным исключением из этого правила является печень, в которой

артериальная и венозная кровь смешиваются. Однако это имеет глубокий

физиологический смысл. С одной стороны, печень получает свежую

артериальную кровь по печеночной артерии, т.е. ее клетки полностью

обеспечиваются необходимым количеством кислорода. С другой стороны, в

печень входит так называемая воротная вена, которая несет с собой

питательные вещества, всосавшиеся в кишечнике. Вся кровь, оттекающая от

кишечника, проходит через печень — главный орган защиты от разного рода

токсинов и опасных веществ, которые могли всосаться в пищеварительном

тракте. Мощные окислительные системы печени «сжигают» все

подозрительные молекулы, превращая их в неопасные продукты метаболизма.

От всех органов кровь собирается в вены, которые, сливаясь, образуют

все более крупные объединенные сосуды. Нижняя полая вена, собирающая

кровь из нижней части тела, и верхняя полая вена, в которую стекается кровь из

верхней части тела, впадают в правое предсердие, а оттуда выталкиваются в

правый желудочек. С этого момента кровь вновь попадает в малый круг

кровообращения.

Лимфатическая система. Второй транспортной системой организма

является сеть лимфатических сосудов. Лимфа практически не участвует в

транспорте кислорода, но имеет большое значение для распределения по

организму питательных веществ (особенно — липидов), а также для защиты

организма от проникновения чужеродных тел и опасных микроорганизмов.

Лимфатические сосуды по своему устройству похожи на вены, они также

имеют внутри себя клапаны, обеспечивающие однонаправленный ток

жидкости, но, кроме того, стенки лимфатических сосудов способны к

самостоятельному сокращению («лимфатические сердца»). Не имея

центрального насоса, лимфатическая система обеспечивает перемещение

жидкости благодаря этим лимфатическим сердцам и сокращению скелетных

мышц. На пути лимфатических сосудов, особенно в местах их слияния,

образуются лимфатические узлы, выполняющие главным образом защитные

(иммунные) функции. Отрицательное давление, создающееся в грудной

полости при вдохе, также работает в качестве силы, толкающей лимфу по

направлению к грудной клетке, где лимфатические протоки впадают в вены.

Таким образом, лимфатическая система объединяется с системой

кровообращения в единую транспортную сеть организма.

Сердце и его возрастные особенности. Главный насос кровеносной

системы — сердце — представляет собой мышечный мешок, разделенный на 4

камеры: два предсердия и два желудочка (рис. 25). Левое предсердие соединено

с левым желудочком отверстием, в створе которого располагается митральный

клапан. Правое предсердие соединено с правым желудочком отверстием,

которое закрывает трехстворчатый клапан. Правая и левая половины сердца

между собой не соединены, поэтому в правой половине сердца всегда

149

находится «венозная», т.е. бедная кислородом кровь, а в левой —

«артериальная», насыщенная кислородом. Выход из правого (легочная артерия)

и левого (аорта) желудочков закрыт сходными по конструкции полулунными

клапанами. Они не позволяют крови из этих крупных выходящих сосудов

возвращаться в сердце в период его расслабления.

Формирование сердечно-сосудистой системы у плода начинается очень

рано — уже на 3-й неделе после зачатия появляется группа клеток, обладающих

периодической сократительной активностью, из которых впоследствии

формируется сердечная мышца. Однако даже к моменту рождения некоторые

особенности эмбрионального кровообращения сохраняются (рис. 26).

Поскольку источником кислорода и питательных веществ в эмбриональном

периоде являются не легкие и пищеварительный тракт, а плацента, соединенная

с организмом плода через пуповину, строгого разделения сердца на две

независимые половины не требуется. Кроме того, легочный кровоток еще не

имеет функционального смысла, и этот участок не должен быть включен в

магистральное кровообращение. Поэтому у плода имеется овальное отверстие,

соединяющее между собой оба предсердия, а также специальный артериальный

проток, соединяющий аорту и легочную артерию. Вскоре после рождения эти

шунтирующие протоки закрываются, и два круга кровообращения начинают

функционировать, как у взрослых.

Рис. 25. Строение сердца

Овальное отверстие

150