Беглые мысли об альвеолярном воздухе. В честь великого физиолога Дж. Холдейна

Термин «дыхание» эволюционировал много раз, его конкретное содержание зависело от области применения. В физиологии этим термином обозначали процесс газообмена между организмом и средой его обитания, сопровождающийся поглощением кислорода, выведением углекислого газа и метаболической водой [1].

Основателем естественных наук в их современном виде признан Галилео Галилей (1564-1642). Именно он, сын музыканта и несостоявшийся врач, впоследствии философ и профессор математики, впервые ввел в практику эксперимент, поставленный специально для проверки той или иной идеи. Почему возникает то или иное явление?

Этот вопрос ставит перед собой человек тотчас после восприятия этого самого явления. И если на ощущение восприятия сравнительно легко находится ответ даже у животных, то ответить на вопрос, почему и как возникло данное событие, бывает нередко затруднительно. Это отчетливо показывает вся история развития человеческих знаний.

В прошлом, наблюдая те или иные явления и не зная их причин, человек ограничивался ссылками на Творца или на имманентную целесообразность, подменяя познание объективных причин явлений «целью» Творца или природы. Ортодоксальное, религиозное познание сковывало развитие, делало процесс познания плоским, умозрительным и беспредметным, поскольку в нем отсутствовал научный эксперимент и реальное представление о вещах. Однако есть научные события, к которым отрадно возвращаться в мыслях, – это великие открытия, связанные с проникновением человеческого ума в скрытые тайны организма.

Это прежде всего обширная область опытов над дыхательными движениями и дыхательными процессами и то, как они реализовались в исследованиях D.S. Haldane, J. Barcroft, D.D.Van-Slyke, N. Hasselbach и M. Krogh. Эта громадная работа, производившаяся с неизменной настойчивостью, привела к ясности понимания дыхания и его регуляции, связи дыхания с газовым составом крови, с нашими представлениями о крови как определенной физико-химической системе, что составляет один из наиболее изученных разделов физиологии и клинической медицины. То есть дыхание – это совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода, использование его в биологическом окислении и удалении из организма углекислого газа. Под газами артериальной крови стали подразумевать измерение рН, PCO₂ и PO₂, которые отражают состояние крови, покидающей малый круг кровообращения. При этом дополнительно происходят измерение насыщения (сатурация) гемоглобина кислородом (О2Нb), карбоксигемоглобина (COHb) и метгемоглобина (metHb), концентрация бикарбонатов и избыток оснований (ВЕ). Таким образом, данные показатели характеризуют способность легких насыщать кровь кислородом (оксигенировать) и выводить углекислый газ (вентилировать). В данном случае рН определяется присутствием в крови связанных кислот и способностью легких выводить углекислый газ.

Тем не менее чуть более 60 лет назад многие физиологи считали, что в легких происходит секреция кислорода в капилляры, то есть его перемещение против градиента парциального давления. В дальнейшем с помощью более точных методов было показано, что все газы в легких проходят через альвеолярную стенку путем пассивной диффузии, которая характеризуется тем количеством газа, которое проходит через альвеолярно-капиллярную мембрану за минуту из расчета на 1 мм рт.ст. разницы парциального давления газа по обе стороны мембраны [2]. Механизм, осуществляющий газообмен между атмосферой и кровью малого круга кровообращения, был назван внешним, или легочным, дыханием [1]. Существуют и другие элементы механизма, участвующие в акте дыхания: кровообращение, обеспечивающее транспорт газов и избавление от них [2]; кровь как специфическая газотранспортная среда [3]; внутреннее, или тканевое, дыхание, осуществляющее процесс клеточного окисления в тканях [4]; и, наконец, нейрогуморальный аппарат регуляции дыхания [5].

Первым звеном и значительным завоеванием в указанной области был метод извлечения из легких человека альвеолярного воздуха, разработанный английским физиологом Джоном Скоттом Холдейном (1860-1936). Будучи демонстрантом и ассистентом, а затем профессором, руководителем физиологической лаборатории и одновременно директором горнорудной лаборатории (1912-1936), он почти полвека, практически до конца жизни, работал на кафедре физиологии в Оксфорде.

Судя по всему, значение состава альвеолярного воздуха, то есть воздуха, остающегося в легких после спокойного выдоха, было понятно как ученым того периода, так и их предшественникам. Например, еще Edward F. Pfluger пытался извлекать альвеолярный воздух из легкого животных при помощи изобретенного им легочного катетера. Хотя этот метод и давал некоторые результаты, но был сложным, громоздким и не всегда надежным.

Для того чтобы получить воздух из альвеол легких человека, Холдейн разработал простой способ. В ротовую полость человек вводил один конец каучуковой трубки, длина которой приблизительно 1,5 м, в поперечнике – около 2 см, и некоторое время производил дыхательные движения обычной средней величины, затем делал интенсивный и форсированный экспираторный маневр, на какой был способен. Вслед за этим он языком закрывал отверстие трубки, находящейся во рту, в это время его ноздри были зажаты с самого начала опыта. Последняя порция выдохнутого при указанных условиях воздуха представляет собой альвеолярный воздух, который нужно только извлечь из части трубки, находящейся ближе ко рту человека. С самого начала эксперимента устанавливали отводную трубку с газовой пипеткой (газоприемником), в которую после сильного выдоха набирали экспираторный воздух.

Анализ показывал, что в альвеолярном воздухе, добытом таким образом, содержится около 5% углекислого газа. Процентное содержание углекислоты в альвеолярном воздухе у конкретного индивидуума было постоянным и представляло собой при обычных условиях характерную константу для данного организма. В результате эксперимента стало очевидным, что необходимым условием нормального газообмена является постоянство газового состава альвеолярного воздуха.

Зная состав альвеолярного воздуха и барометрическое давление, можно определить парциальное давление углекислого газа (PСО₂) в альвеолах и любого газа (Pх) в газовой смеси, если известно процентное содержание его в этой смеси (b) и общее давление (Р), которое рассчитывается по формуле Рх = Pbх100^-1. Так, например, при атмосферном давлении в 760 мм рт. ст. и 5,3% углекислого газа в альвеолярном воздухе РСО₂, будет 37,8 мм рт.ст. Это парциальное давление и есть, в сущности, та константа, которую установил Холдейн. Правда, этот метод неточен, так как во многом зависит от желания испытуемого и его физического состояния. Необходимым условием эксперимента является высокий объем выдоха, значительно превышающий объем анатомического мертвого пространства. Это условие не может быть выполнено у больных с тяжелыми поражениями легких, у которых резко снижен объем выдоха, поэтому состав выдохнутого газа в отдельных клинических случаях может не соответствовать газовому составу альвеолярного воздуха.

Конечно, для полного выяснения вопроса потребовалось проведение еще многих исследований. Однако даже этот краткий экскурс в историю физиологии дыхания показывает, что идея Холдейна использовать человеческий организм для определения альвеолярного воздуха увенчалась полным успехом. В дальнейшем стали использовать высокочувствительные безынерционные газоанализаторы, позволяющие непрерывно регистрировать содержание углекислого газа в выдыхаемом воздухе.

В начале выдоха регистрируется незначительное содержание СО₂ (в анализатор поступает газ мертвого пространства), затем концентрация СО₂ постепенно нарастает и устанавливается на максимальном уровне (в это время записывается горизонтальная кривая). Такая идеальная кривая наблюдается у здоровых лиц. При выраженной неравномерной вентиляции очень трудно получить точные данные об альвеолярной концентрации СО₂: кривая концентрации СО₂ у таких больных постоянно растет и иногда даже при максимальном выдохе не переходит в горизонтальную.

Нельзя сказать, что изучение свойств альвеолярного воздуха было всегда успешным, но факт остается фактом: феномен Холдейна и сегодня находится в поле зрения врачей и исследователей. Поскольку парциальное давление угольной кислоты, а не ее содержание, и есть константа, получается, что Холдейн доказал это тем, что, помещая исследуемого в камеру с высоким давлением, он определял у него состав добытого альвеолярного воздуха. Протокол одного из многих опытов Холдейна свидетельствует, что при давлении в камере 1540 мм угольной кислоты в альвеолах находится не 5,3%, а только 2,7%. Парциальное давление в таком случае равнялось 40,5 мм. Когда давление в камере было 2310 мм, содержание углекислоты в альвеолярном воздухе становилось 1,8%, а парциальное давление – 40,7 мм. При давлении в 4640 мм углекислоты в альвеолах еще меньше – 0,9%, а парциальное давление 41,3 мм. Цель регуляции дыхания сводится к тому, чтобы поддерживать одно и то же парциальное давление углекислоты в альвеолах. Другими словами, нужно поддерживать на одной и той же высоте напряжение углекислого газа крови, омывающей капилляры легочных альвеол на наружной стороне альвеолярно-капиллярной мембраны, иначе – артериальной крови, то есть той крови, которая, переправившись из легкого в левое предсердие, через короткое время попадает в капилляры дыхательного центра.

Холдейн при помощи опытов с альвеолярным воздухом человека показал, как чутко реагирует дыхательный центр на малейшее увеличение углекислоты в альвеолярном воздухе изменением дыхательного объема, глубиной и частотой дыхательных движений. При этом удерживается напряжение углекислого газа в легких, а следовательно, и в артериальной крови на одном и том же уровне. Зная напряжение СО₂ в альвеолярном воздухе, можно оценить напряжение этого газа в артериальной крови. Для определения альвеолярного PCO₂ используют показатели PCO₂ в артериальной крови. Для того, чтобы избежать пункции артерий, применяют метод Колье. Суть его заключается в том, что при дыхании смесью, содержащей 7-8% СО2, устанавливается равновесие PCO₂ альвеолярного воздуха со смешанной венозной кровью. По уровню PCO₂ смешанной венозной крови определяется венозно-артериальная разница. Для определения артериального (альвеолярного) PCO₂ из установленного PCO₂ смешанной венозной крови вычитается величина венозно-артериальной разницы PCO₂. Холдейн вместе со своими учениками Duglas, Piestley и Christiansen разработали метод, который позволил определить непрямым путем напряжение угольной кислоты в венозной крови человека. Оценивая напряжение угольной кислоты у одного и того же индивидуума в артериальной и венозной крови при помощи исследования альвеолярного воздуха, они определили уровень потери легкими углекислоты. Так, в одном из описанных авторами случаев, напряжение углекислоты в артериальной крови было 40,7 мм, в венозной – 46,3 мм. По разности – 5,6 мм – можно узнать, сколько каждые 100 см³ крови в легких теряют углекислоты.

В литературе долго обсуждался вопрос, можно ли определение газов венозной крови использовать по аналогии с определением газов артериальной крови. Окончательные выводы засвидетельствовали, что аналогии здесь нет. Поскольку газы артериальной крови отражают функцию легких, а газы венозной крови – адекватность оксигенации тканей и выведения из них углекислого газа, следовательно, их определение имело качественные различия. В настоящее время считается, что низкое PO₂ (<35 мм рт. ст.) смешанной венозной крови свидетельствует о тканевой гипоксии и может быть результатом ухудшения доставки кислорода в ткани, а также повышения потребления кислорода тканями. Как мы отмечали выше, PO₂ венозной крови ниже PO₂ артериальной крови, и нередко зависимость между ними крайне мала. Например, при снижении сердечного выброса, нормальной функции легких и высокой FiO₂ PО₂ смешанной венозной крови может быть низким, а PO₂ артериальной крови высоким. В норме PCO₂ смешанной венозной ненамного превышает PCO₂ артериальной крови, однако PCO₂ венозной крови зависит от кровотока. В случае снижения кровотока (например, при асистолии), PCO₂ венозной крови будет очень высоким, даже если PCO₂ артериальной крови будет нормальным или сниженным. Таким образом, газовый состав артериальной и смешанной венозной крови зависит от различных физиологических механизмов, поэтому по результатам исследования одного из них нельзя судить об остальных.

Имея в своем распоряжении так называемые диссоциационные кривые, которые получены при помощи выработанных авторами во время опытов над несколькими кубическими сантиметрами крови человека, Холдейн, а также J. Barcroft исследовали собственную кровь и установили очень точные кривые, выражающие зависимость содержания в крови углекислоты от ее парциального давления. Венозная кровь, транспортируясь, превращается в легких в артериальную и теряет согласно данным упомянутых кривых на каждые 100 см³ – 2,3 см³ углекислого газа, что соответствует указанному ранее падению парциального давления – 5,6 мм. Количественное исследование газового обмена у испытуемого показало, что объем углекислого газа в выдыхаемом воздухе за одну минуту составляет 190 см³. На основании вышеприведенных данных нетрудно заключить, что за 1 минуту через легкие проходит 8300 см³ крови, а так как число сердечных сокращений во время исследования было 53 раза в минуту, то в каждый сердечный выброс количество крови составляло 156 см³.

Оставалось выяснить, как связывается в крови углекислый газ и благодаря чему происходит отдача его кровью? Безусловно, благодаря парциальному давлению, на что указывали кривые диссоциации соединений углекислоты в крови, которые подобны кривым диссоциации оксигемоглобина (рис.).

На рисунке точка А на нижней кривой соответствует напряжению углекислоты, равному 40 мм рт. ст., то есть тому напряжению, которое фактически наблюдается в артериальной крови. При таком напряжении становится связанным 52 об.% СО₂. Точка V на верхней кривой соответствует напряжению углекислого газа – 46 мм рт. ст., то есть фактически имеющемуся в венозной крови. При таком напряжении венозная кровь связывает 58 об.% углекислого газа. Линия АV, соединяющая верхнюю и нижнюю кривые, соответствует изменениям способности связывать углекислый газ, которые происходят в результате превращения артериальной крови в венозную или наоборот. С еще большей определенностью можно сказать о том, что венозная кровь благодаря Hb, переходящему в оксигемоглобин, в капиллярах легких отдает около 6 об.% СО₂. Если бы в легких гемоглобин не превращался в оксигемоглобин, то, как видно из кривой, венозная кровь при имеющемся в альвеолах PСО₂, равном 40 мм рт. ст., связывала 54 об.% СО₂, следовательно, отдавала бы не 6 об.%, а только 4 об.%. Если бы артериальная кровь в капиллярах большого круга не отдавала своего кислорода, то есть Hb ее оставался насыщенным кислородом, то эта артериальная кровь при рСО₂, имеющемся в капиллярах тканей тела, могла бы связывать не 58 об.% СО₂, а лишь 55 об.%. Таким образом, переход гемоглобина в оксигемоглобин в легких и оксигемоглобина в гемоглобин в тканях тела способствует поглощению и отдаче примерно 3-4 об.% углекислого газа из тех 6 об.%, которые поглощает кровь в тканях, возвращая его в легкие. Около 25-30% выделяемого в легких углекислого газа переносится карбогемоглобином [4].

Физическое растворение СО₂, как и в случае с О₂, подчиняется закону Генри, однако растворимость СО₂ примерно в 20 раз выше, поэтому растворенная форма СО₂ весьма важна для его транспорта. На ее долю приходится около 10% углекислого газа, переходящего в легкие из крови. Вследствие бесферментной реакции диссоциации угольной кислоты содержание ионов НСО₃– в эритроците повышается, они диффундируют в кровь. Однако ионы Н⁺ не могут следовать за ними, так как мембраны эритроцитов слабо проницаемы для катионов. Для поддержания электронейтральности из плазмы в эритроциты входят ионы Сl– (так называемый хлоридный сдвиг).

В результате диффузии хлорид-ионов на основании правила равновесия Гиббса-Доннана высвобождаются ионы Н⁺, которые частично связываются с гемоглобином. Эта реакция облегчается тем, что восстановленный Hb представляет собой более слабую кислоту, которая является лучшим акцептором протонов, чем оксигенированный Hb. Таким образом, присутствие восстановленного Hb в венозной крови способствует связыванию СО₂, тогда как его окисление в легочных капиллярах облегчает отдачу углекислого газа. Увеличение сродства крови к СО₂ при ее дезоксигенации часто называют эффектом Холдейна [5]. Всякое появление кислых продуктов в крови уменьшает общее количество связанной углекислоты, поскольку поступившая в кровь кислота, например молочная, захватывает часть щелочи. Вытесненная при этом угольная кислота, повышая концентрацию ионов Н⁺, через усиленное раздражение дыхательного центра (ДЦ) приводит к тому, что эта же избыточная угольная кислота удаляется легкими вследствие усиления дыхательных движений.

Идеи Холдейна основаны на предположении о том, что в конце выдоха анатомическое мертвое пространство заполнено газом альвеолярного воздуха. Холдейн обратил внимание и на то, что вентиляция разных участков легких неодинакова. Неравномерность вентиляции разных участков легких в дальнейшем была доказана Фоулером в опытах, проведенных с помощью нитрометра, позволяющего непрерывно автоматически регистрировать концентрацию азота в выдыхаемом воздухе. Более того, метод Холдейна, по которому при помощи вдыхания окиси углерода у человека определяется количество крови, позволяет узнать и длительность круговорота крови, если при этом учесть емкость желудочков.

Благодаря упомянутым методикам исследования у человека альвеолярного воздуха и в связи с исследованием газового содержания крови стало возможным решить давний вопрос о том, что является раздражителем для ДЦ – повышение количества угольной кислоты (гиперкапния) или недостаток кислорода (гипоксемия).

Еще в опытах Фредерика с перекрестным кровообращением показано, что деятельность ДЦ изменяется при изменении напряжения СО₂ и О₂ в крови, особенно СО₂. Повышение напряжения углекислоты вызывает возбуждение ДЦ, приводящее к увеличению вентиляции легких, а понижение ее в крови угнетает деятельность ДЦ, что приводит к уменьшению вентиляции легких. В дальнейшем роль углекислоты в регуляции дыхания Холдейн изучал в опыте, в котором человек находился в замкнутом пространстве небольшого объема.

В другой серии экспериментов Холдейн определял объем вентиляции легких и содержание углекислого газа в альвеолярном воздухе при дыхании газовой смесью с разным содержанием углекислого газа (табл.).

Приведенные в таблице данные показывают, что с увеличением содержания СО₂ во вдыхаемом воздухе нарастает его содержание в альвеолярном воздухе, а значит, и в артериальной крови. При этом усиливается и вентиляция легких, а состояние ДЦ зависит от содержания углекислого газа в альвеолярном воздухе. Выявлено также, что повышение содержания СО₂ в альвеолах на 0,2% вызывает увеличение вентиляции легких на 100%, и наоборот, уменьшение содержания СО₂ в альвеолярном воздухе снижает деятельность ДЦ. В дальнейшем, в результате экспериментов, проведенных Винтерштейном, удалось доказать, что возбуждение ДЦ вызывает не сама угольная кислота, а повышение концентрации водородных ионов вследствие увеличения их содержания в клетках ДЦ. Это мнение основано на том, что усиление дыхательных движений наблюдается при введении в артерии, питающие мозг, не только угольной кислоты (Н₂СО₃), но и других кислот, например молочной. Водородный ион служит, как выражаются некоторые специалисты, гормоном для ДЦ.

Установленные Винтерштейном факты нашли подтверждение в ряде экспериментальных исследований, однако отрицание специфической роли угольной кислоты в возбуждении ДЦ оказалось преждевременным. Как было показано, при одной и той же концентрации водородных ионов угольная кислота возбуждает ДЦ сильнее, чем другие кислоты. На этом основании большинство исследователей признали, что Н₂СО₃ оказывает специфическое действие на ДЦ. Впервые это было доказано в опытах Джекобса.

Итак, всякое повышение напряжения угольной кислоты в крови приводит к повышению концентрации водородных ионов и, следовательно, к раздражению ДЦ. При сильной недостаточности О₂ в крови центр тоже раздражается. Но раздражающей причиной служит не недостаток кислорода, а последствия, которые влечет за собой для крови недостаток кислорода. В последнем случае процесс окисления не завершается образованием конечных продуктов – воды и углекислоты. Он останавливается на стадии образования кислых продуктов, прежде всего молочной кислоты, которая появляется в крови и приводит к увеличению концентрации водородных ионов и таким образом – к раздражению ДЦ. Избыток углекислоты в крови и недостаток кислорода вызывают повышение концентрации водородных ионов и только таким путем раздражают ДЦ.

Вместо заключения

Едва ли можно сомневаться в том, что мы описали величайшие физиологические завоевания, раскрывшие суть дыхательного процесса в норме и патологии. В истории были и есть люди, которые умели самостоятельно, без прецедентов, уставов и положений творить среди научного хаоса. Таким пионером был Дж. Холдейн, ученый, ставший для последующих поколений одним из вдохновеннейших научных воспитателей и экспериментаторов в области физиологии.

Литература

1. Словарь-справочник по физиологии и патофизиологии дыхания / Под ред. д-ра мед. наук В.А. Березовского. – К.: Наукова думка. – 1984. – С. 77-117.
2. Справочник по функциональной диагностике/ Под ред. академика АМН СССР И.А. Кассирского. – М.: Медицина. – 1970. – С. 244-303.
3. Секреты пульмонологии /Полли Э. Парсонз, Джон Э. Хеффнер; пер. с англ. – М.: МЕДпресс-информ. – 2004. – С. 45-78.
4. Бабский Е.Б., Зубков А.А., Косицкий Г.И., Ходоров Б.И. Физиология человека.- М.: Медицина. – 1966. – С.134-172.
5. Уэст Дж. Физиология дыхания. Основы / Пер. с англ. – М.: Мир. – 1988. – 200с.