Дихальна система: механізм дихання і газообмін

Дихання людини — це не просто вдих і видих. Це ціла низка процесів, які об'єднують зовнішнє дихання, транспорт газів кров'ю, газообмін у тканинах і клітинне дихання. Розберімося поетапно.

Етапи дихання

Загалом процес дихання поділяють на чотири етапи:

1. Зовнішнє дихання — обмін повітря між атмосферою й альвеолами (вентиляція легень) і газообмін між альвеолами й кров'ю в легенях.

2. Транспорт газів кров'ю — кисень і вуглекислий газ переносяться кров'ю від легень до тканин і назад.

3. Газообмін у тканинах — кисень переходить із крові в клітини, а вуглекислий газ — із клітин у кров.

4. Клітинне дихання — окиснення органічних речовин у мітохондріях із використанням кисню й утворенням CO₂ і води (його хімію розглядає курс про клітину).

Вентиляцію легень і газообмін у легенях називають зовнішнім диханням, транспорт газів кров'ю — окремим етапом, а газообмін у тканинах і клітинне дихання — внутрішнім (тканинним) диханням.

Повітроносні шляхи: яким шляхом проходить повітря

Повітря рухається через послідовні органи дихання. Ось цей шлях:

• Носова порожнина — перша лінія захисту. Її слизова вкрита війчастим епітелієм, який виділяє слиз, що затримує пил і мікроби. Густа сітка кровоносних судин зігріває повітря, а слиз його зволожує. Крім того, тут розташовані нюхові рецептори.

• Носоглотка — сполучає носову порожнину з гортанню.

• Гортань — орган голосоутворення.

• Трахея — трубка завдовжки 10–12 см.

• Бронхи — два головні бронхи (правий і лівий) розгалужуються у бронхіальне дерево.

• Бронхіоли — найтонші гілочки бронхіального дерева.

• Альвеоли — легеневі пухирці, де відбувається газообмін.

Ось чому дихати носом набагато корисніше, ніж ротом: у носовій порожнині повітря найефективніше очищається, зігрівається й зволожується, а далі цю роботу продовжують трахея й бронхи. Ротове дихання «впускає» холодне й неочищене повітря прямо в гортань і трахею.

Будова гортані та голосовий апарат

Гортань утворена хрящами. Найбільший із них — щитоподібний хрящ (його виступ на шиї називають «кадиком»). Крім нього є перснеподібний хрящ, два черпакуваті хрящі й надгортанник. Надгортанник під час ковтання закриває вхід у гортань, щоб їжа не потрапила в дихальні шляхи.

Усередині гортані між черпакуватими й щитоподібним хрящами натягнуті голосові зв'язки. Вони обмежують голосову щілину. Коли повітря під час видиху проходить через голосову щілину, зв'язки коливаються, і виникає звук.

Висота голосу залежить від довжини, товщини й натягу голосових зв'язок, а сила (гучність) — від сили струменя видихуваного повітря (амплітуди коливань зв'язок), а членороздільну мову формують язик, губи, зуби, а також ротова й носова порожнини, які змінюють резонанс.

Трахея, бронхи та легені

Трахея має 16–20 хрящових півкілець, які запобігають спаданню стінок під час вдиху. Її задня стінка м'яка й прилягає до стравоходу — це не заважає просуванню їжі стравоходом. Трахея ділиться на два головні бронхи, які розгалужуються в бронхіальне дерево — систему дедалі дрібніших трубок.

Легені — парний орган. Права легеня складається з трьох часток, ліва — із двох (бо поряд розташоване серце). Кожна легеня вкрита плеврою — серозною оболонкою з двох листків: легеневого (прилягає до легені) й пристінкового (вистилає грудну порожнину зсередини). Між ними — плевральна порожнина з невеликою кількістю рідини й тиском, нижчим за атмосферний. Це зчеплення тримає легені розправленими.

Бронхіоли закінчуються альвеолами — сотнями мільйонів крихітних пухирців (≈300 млн). Стінка альвеоли — один шар клітин, і вона густо обплетена капілярами. Саме тут через тонку стінку відбувається газообмін: кисень переходить в кров, а вуглекислий газ — з крові в альвеоли.

Легені не мають власних м'язів — вони не можуть самостійно розширюватися чи скорочуватися. Їхній рух повністю залежить від зміни об'єму грудної порожнини. Як саме це відбувається?

Механізм вдиху

Вдих — активний процес. Скорочуються діафрагма (вона сплощується й опускається) і зовнішні міжреберні м'язи (вони піднімають ребра вгору й назовні). Завдяки цьому об'єм грудної порожнини зростає, тиск у легенях стає нижчим за атмосферний, і повітря входить у дихальні шляхи — туди, де тиск нижчий.

Механізм спокійного видиху

Спокійний видих — пасивний процес. Діафрагма й міжреберні м'язи розслаблюються: діафрагма піднімається, ребра опускаються. Еластичні легені пасивно спадаються, об'єм грудної порожнини зменшується, тиск у легенях стає вищим за атмосферний — і повітря виходить назовні.

Під час посиленого (глибокого) видиху до роботи додаються внутрішні міжреберні м'язи та м'язи черевного преса, які стискають черевну порожнину й додатково виштовхують повітря.

Модель Дондерса та пневмоторакс

Уявіть скляний ковпак (грудна порожнина), затягнутий знизу гумовою плівкою (діафрагма). Усередині ковпака — повітряні кульки (легені). Якщо відтягнути гумову плівку вниз, об'єм ковпака зростає, тиск усередині падає — і кульки роздуваються. Це модель Дондерса.

Якщо поранення грудної клітки відкриває плевральну порожнину (пневмоторакс), тиск у ній зрівнюється з атмосферним, легеня спадається й перестає брати участь у диханні. Це небезпечний для життя стан.

Дихальні об'єми

У спокої доросла людина робить 16–20 дихальних рухів за хвилину. Об'єм повітря, що входить за один вдих, називають дихальним об'ємом. У спокої він становить близько 500 мл. Із них приблизно 150 мл залишається в повітроносних шляхах (трахеї, бронхах тощо) і не доходить до альвеол — це «мертвий простір».

Крім дихального об'єму, розрізняють резервні об'єми:

• Резервний об'єм вдиху (РОвд.) — близько 1500 мл; це додаткове повітря, яке можна вдихнути після спокійного вдиху.

• Резервний об'єм видиху (РОвид.) — близько 1500 мл; це додаткове повітря, яке можна видихнути після спокійного видиху.

• Залишкове повітря (ЗП) — близько 1000–1500 мл; воно залишається в легенях навіть після найглибшого видиху.

Життєва ємність легень (ЖЄЛ)

Життєва ємність легень — це максимальний об'єм повітря, який людина може видихнути після найглибшого вдиху. Її обчислюють за формулою:

ЖЄЛ = дихальний об'єм + резервний об'єм вдиху + резервний об'єм видиху

Для середньостатистичної дорослої людини: 500 + 1500 + 1500 = 3500 мл (3,5 л). ЖЄЛ вимірюють спірометром. Важливо: залишкове повітря до ЖЄЛ не входить — воно завжди залишається в легенях. У тренованих людей (спортсменів, плавців) ЖЄЛ може сягати 5–6 л.

Головна мета дихання — забезпечити клітини киснем і вивести вуглекислий газ. Це відбувається через газообмін — процес, що не потребує витрат енергії й підпорядковується законам дифузії.

Склад вдихуваного, видихуваного й альвеолярного повітря

Повітря, яке ми вдихаємо, і те, що видихаємо, суттєво відрізняються за вмістом кисню й вуглекислого газу. Ось орієнтовні значення:

Азот у газообміні участі не бере — його вміст скрізь однаковий. Зверни увагу: у видихуваному повітрі кисню більше (≈16 %), ніж в альвеолярному (≈14 %). Чому? Тому що видихуване повітря — це суміш альвеолярного повітря й повітря з повітроносних шляхів (трахеї, бронхів), яке не брало участі в газообміні й має склад, близький до атмосферного.

Дифузія газів: як O₂ і CO₂ переходять через стінки

Газообмін відбувається завдяки дифузії — гази рухаються з місця, де їхній парціальний тиск вищий, туди, де він нижчий. Це пасивний процес, який не потребує АТФ.

Газообмін у легенях

В альвеолах парціальний тиск O₂ становить близько 100 мм рт. ст., а у венозній крові, що притікає до легень, — близько 40 мм рт. ст. Тому кисень дифундує з альвеол у кров. Натомість парціальний тиск CO₂ у венозній крові (≈46 мм рт. ст.) вищий, ніж в альвеолах (≈40 мм рт. ст.), тому CO₂ дифундує з крові в альвеоли. У результаті венозна кров стає артеріальною — насиченою киснем і зі зниженим вмістом CO₂.

Газообмін у тканинах

У тканинах усе відбувається навпаки. Артеріальна кров приносить O₂, парціальний тиск якого в ній (≈100 мм рт. ст.) вищий, ніж у клітинах (≈0–40 мм рт. ст., бо кисень постійно споживається мітохондріями). Тому O₂ дифундує з крові в клітини. CO₂ у клітинах утворюється внаслідок клітинного дихання, його парціальний тиск там вищий (≈50–60 мм рт. ст.), ніж в артеріальній крові, що надходить до тканин (≈40 мм рт. ст.), тому CO₂ дифундує з клітин у кров. Кров стає венозною.

Схема газообміну

Як саме кров переносить O₂ і CO₂ (оксигемоглобін, гідрогенкарбонати) — це тема окремого юніта про склад крові. Тут важливо запам'ятати напрямок дифузії: у легенях O₂ з альвеол у кров, CO₂ з крові в альвеоли; у тканинах O₂ з крові в клітини, CO₂ з клітин у кров.

Дихання регулюється двома механізмами — нервовим і гуморальним. Вони узгоджують частоту й глибину дихання з потребами організму.

Дихальний центр

Дихальний центр розташований у довгастому мозку. Його нейрони ритмічно посилають імпульси до діафрагми (через діафрагмальний нерв) і до міжреберних м'язів (через міжреберні нерви), забезпечуючи чергування вдиху й видиху. Цей центр працює автоматично, але зазнає впливу з боку вищих відділів мозку і хімічного складу крові.

Гуморальна регуляція: головний подразник — CO₂

Найсильніший подразник дихального центру — надлишок вуглекислого газу в крові (і пов'язане з ним підкислення крові, зниження pH), а не нестача кисню, як часто помилково думають. Хеморецептори розташовані в самому довгастому мозку, а також у стінках сонних артерій (каротидні тільця) і дуги аорти. Вони реагують на підвищення концентрації CO₂ і зниження pH крові — у відповідь дихальний центр посилає сильніші імпульси, і дихання стає глибшим і частішим.

Запам'ятай: саме надлишок CO₂, а не нестача O₂, є головним стимулом дихального центру. Лише за дуже низького вмісту кисню (наприклад, у розрідженому повітрі високо в горах) спрацьовують периферичні хеморецептори на кисень.

Нервова регуляція: рефлекси та довільне дихання

Коли легені розтягуються під час вдиху, рецептори розтягнення в стінках бронхів і бронхіол надсилають сигнали в дихальний центр, і вдих гальмується — починається видих. Це рефлекс Герінга — Брейєра, який запобігає надмірному розтягненню легень.

Захисні дихальні рефлекси:

• Кашель — різкий видих при подразненні гортані, трахеї або бронхів.

• Чхання — різкий видих при подразненні носової порожнини.

Кора великих півкуль дає змогу довільно затримати дихання або змінити його ритм (наприклад, під час розмови чи плавання під водою). Але це можливо лише ненадовго: накопичення CO₂ у крові змусить вдихнути незалежно від волі.

Дихання під час навантаження та гіпервентиляція

Під час фізичного навантаження м'язи активніше споживають кисень і утворюють більше CO₂. Надлишок CO₂ через хеморецептори стимулює дихальний центр, тому дихання частішає й поглиблюється — так організм отримує більше кисню й швидше позбувається вуглекислого газу.

Явище гіпервентиляції: якщо зробити кілька глибоких швидких вдихів і видихів, з крові «вимивається» надлишок CO₂. Рівень CO₂ падає, і дихальний центр отримує менше стимуляції — тому дихання можна затримати довше, ніж зазвичай. Саме на цьому ґрунтується пірнання на затримці дихання після гіпервентиляції, хоча це небезпечно: можна знепритомніти під водою через нестачу O₂, не відчувши позиву вдихнути.

Здоров'я дихальної системи залежить від звичок, середовища й навичок першої допомоги. Розгляньмо три важливі аспекти: гігієну, шкоду куріння та алгоритм порятунку людини, яка перестала дихати.

Гігієна дихання

Щоб дихальна система працювала безвідмовно, дотримуйся простих правил:

• Дихай носом — це забезпечує очищення, зігрівання й зволоження повітря.

• Провітрюй приміщення — свіже повітря знижує концентрацію пилу, мікробів і CO₂.

• Прибирай вологим способом — сухе прибирання піднімає пил, який осідає в бронхах.

• Бувай на свіжому повітрі — прогулянки підвищують вентиляцію легень.

• Тренуй дихальні м'язи — фізичні вправи, біг, плавання збільшують життєву ємність легень.

Основні хвороби органів дихання: ГРВІ й грип (вірусні інфекції), ангіна (запалення мигдаликів), бронхіт (запалення бронхів), пневмонія (запалення легень, часто бактеріальне), туберкульоз (бактеріальна інфекція, яку виявляють флюорографією), бронхіальна астма (алергічне звуження бронхів), рак легень (злоякісна пухлина).

Шкода куріння

Куріння — одна з головних причин хвороб дихальної системи. Ось що відбувається в організмі курця:

• Смоли й канцерогени осідають у бронхах і альвеолах, спричиняючи хронічне запалення та мутації клітин.

• Нікотин звужує кровоносні судини, погіршуючи кровопостачання легень.

• Чадний газ (CO) з тютюнового диму зв'язується з гемоглобіном у 200–300 разів міцніше за кисень, зменшуючи кисневу ємність крові.

• Війки епітелію бронхів перестають рухатися — слиз і мікроби не видаляються, виникає «кашель курця».

Наслідки: хронічний бронхіт, емфізема легень (розтягнення й руйнування альвеол), рак легень. Шкодить і пасивне куріння — вдихання диму від курців поруч. Електронні сигарети так само містять нікотин і шкідливі речовини, які уражають легені.

Серцево-легенева реанімація (СЛР) і штучне дихання

Якщо людина не реагує й не дихає нормально, негайно починай серцево-легеневу реанімацію. Ось алгоритм для дорослого:

1. Виклич 103 — або попроси когось викликати швидку допомогу.

2. Поклади постраждалого на спину на тверду поверхню.

3. 30 натискань на центр грудної клітки. Глибина 5–6 см, темп 100–120 за хвилину — це приблизно ритм пісні «Stayin' Alive».

4. 2 вдихи штучного дихання — і повтори цикл 30:2 без перерви до прибуття медиків.

Штучне дихання «рот до рота» роблять так: закинь голову постраждалого назад, підніми підборіддя (це відкриває дихальні шляхи), затисни його ніс, зроби звичайний вдих і вдихни повітря в рот постраждалого так, щоб його грудна клітка піднялася. Один вдих триває близько 1 секунди.

Видихуване рятівником повітря містить близько 16 % O₂ — цього цілком достатньо, щоб підтримати життя постраждалого. Якщо ти не вмієш або не можеш робити вдихи, роби лише натискання грудної клітки (тільки СЛР руками).

Розгляньмо типові завдання з теми «Дихальна система», які можуть трапитися на НМТ.

Приклад 1. Механізм спокійного вдиху

Завдання. Яка з подій відбувається під час спокійного вдиху?

А. Діафрагма розслаблюється й піднімається, об'єм грудної порожнини зменшується.

Б. Легені самостійно скорочуються й засмоктують повітря.

В. Діафрагма скорочується й опускається, об'єм грудної порожнини збільшується.

Г. Скорочуються внутрішні міжреберні м'язи, ребра опускаються.

Розв'язання. Спокійний вдих — активний процес, під час якого діафрагма скорочується, сплощується й опускається, а зовнішні міжреберні м'язи піднімають ребра. Об'єм грудної порожнини зростає, тиск у легенях стає нижчим за атмосферний, і повітря входить.

Відповідь. Варіант В.

Чому інші неправильні. Варіант А описує видих (діафрагма розслаблюється). Б — хибне твердження, легені не мають м'язів. Г — це посилений видих, а не вдих.

Приклад 2. Логічні пари: показник дихання — значення

Завдання. Установи відповідність між показником дихання (1–4) та його орієнтовним значенням (А–Д).

1. Дихальний об'єм у спокої

1. Життєва ємність легень дорослої людини

1. Частота дихання в спокої

1. Вміст O₂ у видихуваному повітрі

А. Близько 500 мл

Б. Близько 3500 мл

В. 16–20 за хвилину

Г. Близько 16 %

Д. Близько 21 %

Розв'язання. Дихальний об'єм у спокої ≈ 500 мл (1 → А). ЖЄЛ = 500 + 1500 + 1500 ≈ 3500 мл (2 → Б). Частота дихання в спокої — 16–20 за хвилину (3 → В). Видихуване повітря містить ≈ 16 % O₂ (4 → Г). Значення ≈ 21 % O₂ — це вдихуване повітря, воно зайве.

Відповідь. 1А, 2Б, 3В, 4Г.

Приклад 3. Обчислення життєвої ємності легень

Завдання. У людини дихальний об'єм становить 500 мл, резервний об'єм вдиху — 2000 мл, резервний об'єм видиху — 1200 мл, залишковий об'єм — 1300 мл. Яка життєва ємність легень (ЖЄЛ) цієї людини?

А. 5000 мл

Б. 2500 мл

В. 3700 мл

Г. 3200 мл

Розв'язання. ЖЄЛ = дихальний об'єм + резервний об'єм вдиху + резервний об'єм видиху. Залишковий об'єм до ЖЄЛ не входить. Отже: 500 + 2000 + 1200 = 3700 мл.

Відповідь. Варіант В (3700 мл).

Чому інші неправильні. 5000 мл (А) — додали залишковий об'єм. 2500 мл (Б) — не врахували резервний об'єм видиху. 3200 мл (Г) — не врахували дихальний об'єм.

Приклад 4. Два судження про регуляцію дихання

Завдання. Оціни правильність двох суджень.

Софія: «Після кількох глибоких швидких вдихів дихання можна затримати довше, бо в крові стає менше CO₂».

Андрій: «Дихальний центр найсильніше збуджує нестача O₂».

А. Лише Софія має рацію

Б. Лише Андрій має рацію

В. Обоє мають рацію

Г. Ніхто не має рації

Розв'язання. Софія має рацію: гіпервентиляція знижує рівень CO₂, тому дихальний центр отримує менше стимуляції, і дихання можна затримати довше. Андрій помиляється: головний подразник дихального центру — надлишок CO₂, а не нестача O₂.

Відповідь. Варіант А (лише Софія).

У темі «Дихальна система» учні часто припускаються таких помилок.

• Вважають, що дихальний центр найсильніше стимулює нестача O₂. Насправді головний подразник — надлишок CO₂ (і пов'язане з ним зниження pH крові). Хеморецептори на кисень спрацьовують лише за дуже низького його рівня.

• Вважають, що легені розширюються самі, бо мають м'язи. Легені не мають м'язової тканини — вони пасивно повторюють зміни об'єму грудної порожнини завдяки зчепленню листків плеври.

• Вважають спокійний видих активним процесом зі скороченням діафрагми. Спокійний видих — пасивний: діафрагма й міжреберні м'язи розслаблюються. Активним видих стає лише під час посиленого дихання, коли скорочуються внутрішні міжреберні м'язи та м'язи черевного преса.

• Додають залишкове повітря до життєвої ємності легень. ЖЄЛ = дихальний об'єм + резервний об'єм вдиху + резервний об'єм видиху. Залишкове повітря (≈1000–1500 мл) у цю суму не входить.

• Вважають, що видихуване повітря зовсім не містить кисню, або плутають його з альвеолярним. У видихуваному повітрі ≈16 % O₂ (більше, ніж в альвеолярному — ≈14 %), бо це суміш альвеолярного повітря й повітря з повітроносних шляхів.

• Вважають, що гази переходять активним транспортом із витратою АТФ. Газообмін — це дифузія: гази рухаються за градієнтом парціального тиску без витрат енергії.

• Розміщують дихальний центр у мозочку чи корі, а не в довгастому мозку. Дихальний центр знаходиться саме в довгастому мозку. Кора великих півкуль лише дає змогу довільно змінювати дихання на короткий час.

Тема «Дихання» (пункт 4.7 програми) вимагає знати етапи дихання, органи дихання, частоту й глибину дихання в спокої, дихальний і резервні об'єми, залишкове повітря, дихальний центр, порівнювати склад повітря й газообмін у легенях і тканинах та прогнозувати зміни дихання під час навантаження.

У демоваріанті НМТ-2026 окремого завдання з теми 4.7 немає. Оскільки зміст НМТ охоплює всю програму, тему можуть перевірити будь-якою з трьох форм завдань:

• Вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г) — 1 бал.

• Логічні пари 1–4 → А–Д — до 4 балів.

• Три групи (по одному варіанту з кожної) — до 3 балів.

Довідкових матеріалів на НМТ немає. Склад повітря й типові дихальні об'єми треба пам'ятати, а числа для розрахунку ЖЄЛ дають в умові завдання. Рисунок, схема чи фото є в 15 із 30 завдань демоваріанта 2026 — органи дихання й модель дихальних рухів теж можуть бути подані рисунком.

Стратегія для розрахунку ЖЄЛ

Коли в завданні дають кілька об'ємів (дихальний, резервні, залишковий), випиши три складники, що входять у ЖЄЛ: дихальний об'єм, резервний об'єм вдиху, резервний об'єм видиху. Додай їх — і не чіпай залишковий об'єм. Саме цього числа шукай серед варіантів відповіді.

• Шлях повітря: носова порожнина → носоглотка → гортань → трахея → бронхи → бронхіоли → альвеоли.

• Вдих активний (діафрагма й зовнішні міжреберні м'язи), спокійний видих пасивний.

• ЖЄЛ = дихальний об'єм + резервні об'єми вдиху й видиху; залишкове повітря в ЖЄЛ не входить.

• Газообмін — дифузія: O₂ з альвеол у кров і з крові в тканини, CO₂ — навпаки.

• O₂ / CO₂: вдихуване ≈ 21 % / 0,03 %, видихуване ≈ 16 % / 4 %, альвеолярне ≈ 14 % / 5,5 %.

• Дихальний центр — у довгастому мозку; головний подразник — надлишок CO₂.

• Реанімація: виклик 103, 30 натискань : 2 вдихи.