Чудо дыхания. Как работают наши легкие и как поддержать их здоровье

Функция дыхания относится к критически важным для обеспечения жизни, и контролирующий ее центр расположен в одном из самых «древних» отделов головного мозга — продолговатом мозге. Он постоянно функционирует, даже при потере сознания, поддерживая эту жизненно важную способность организма. Дыхательный центр сообщается с диафрагмой через блуждающий нерв, что позволяет мозгу ускорять или замедлять дыхание. Поэтому, даже если мы спим или без сознания, до тех пор пока этот нерв сохраняет связь между стволом головного мозга и диафрагмой, дыхание не прекращается.

Казалось бы, в этой системе нужно было бы предусмотреть сенсоры, сигнализирующие мозгу о низком уровне кислорода. Мозг мог бы посылать сигналы обратно к легким, чтобы они чаще и глубже сокращались. Однако на самом деле организм решил эту проблему более искусно: в мозге существует резервная система, а также вход от периферических рецепторов, контролирующих не только уровень кислорода, но и кислотно-щелочной баланс крови. При растворении углекислого газа в крови он соединяется с водой и превращается в бикарбонат, играющий важную роль в регуляции кислотно-щелочного баланса крови (измеряемого в единицах pH). Наш организм исполняет сложную симфонию, в которой одновременно участвуют тысячи химических реакций, и все они имеют тонкую настройку на определенный уровень pH — 7,4. При уровне 7,0 этот показатель абсолютно нейтрален, а при 7,4 становится щелочным. Когда концентрация углекислого газа существенно меняется, то же происходит с pH крови. Если он сильно повышается, то кровь становится кислой, а при снижении — щелочной.

Можно представить легкие в виде конвейера, который с каждым дыхательным циклом обеспечивает получение кислорода и избавление от углекислого газа. Хеморецепторы, расположенные в сонной артерии, контролируют уровень кислорода, углекислого газа и pH крови, что определяет, с какой частотой нужно дышать. Если все работает как надо, организм снабжен достаточным количеством кислорода и необходимый уровень углекислого газа для поддержания pH составляет 7,4. Однако при сбое системы есть только два варианта развития событий — ускорить или замедлить дыхание. Данная система может поддерживать «нормальные» отклонения, такие как физические упражнения. Когда мы тренируемся, то обычно потребляем больше кислорода, но при этом также производим больше углекислого газа, от которого необходимо избавляться. Поэтому при ускорении наш «конвейер» решает обе эти проблемы.

Представим ситуацию полета на самолете. Каждый раз, поднимаясь на борт, мы невольно попадаем в ситуацию, к которой эволюция нас не готовила. Давление в самолете поддерживается примерно как на 2000–2500 м над уровнем моря. В то время как содержание кислорода во вдыхаемом воздухе на разной высоте стабильно, падение атмосферного давления на большей высоте приводит к снижению парциального давления кислорода. На уровне 2500 м этот показатель составляет приблизительно 34% от того, каким он бывает на уровне моря[4]. Парциальное давление соответствует доле, которую один газ занимает в смеси газов. Снижение парциального давления кислорода приводит к уменьшению его давления и содержания в крови. Организм отвечает попыткой чаще дышать, чтобы ускорить «конвейер». Но, в отличие от тренировки, когда потребности в кислороде и выработка углекислого газа довольно точно уравновешены, в данном случае ускорение «конвейера» для выработки большего количества кислорода сопровождается необходимостью избавления от слишком большого количества углекислого газа, что приводит к повышению pH крови. Если большее повышение достигается медленнее, то почкам, также играющим ключевую роль в поддержании pH крови, могут потребоваться дни или даже недели для возвращения этого показателя к норме. В самолете организм находится в условиях субоптимального снабжения кислородом, но при этом нарушение кислотно-щелочного баланса менее выражено. Если же подниматься на большую высоту быстрее и оставаться там, то сочетание низкого уровня кислорода и нарушения уровня pH может привести к появлению таких симптомов, как головная боль, утомляемость и тошнота, известным как приступы «горной болезни».