Если бы мы летали, нам нужно было бы не 2000 ккал в сутки, а все 6000 ккал. И летали бы мы, видимо, от одного кафе к другому. Голуби так и делают, да и взлетать стараются в крайнем случае, потому что потом придется съесть огромное количество пищи, чтобы скомпенсировать это необдуманное действие. Ходить с метаболической точки зрения «дешевле».

Чем мы дышим?

Прежде чем рассказывать об особенностях работы дыхательной системы человека, мне необходимо представить вам главные действующие лица, то есть части, из которых эта система состоит.

У человека в ходе эмбрионального развития паренхима легких – ткань с пузырьками-альвеолами развивается отдельно, а трахея и бронхи – отдельно. Трахея разделяется на два главных бронха – это толстые хрящевые трубки, а они ветвятся на множество бронхиол – трубочек потоньше. Всего у нас около 150 000 бронхиол, на которых, как виноград на ветке, разместились 700 миллионов альвеол – маленьких пузыриков из эпителиальной ткани, достаточно тонких, чтобы газ легко проникал через их стенку. Именно в них кислород переходит из воздуха в кровь.

Если развернуть все альвеолы и сшить из них полотно, им можно будет застелить теннисный корт или пять однокомнатных хрущевок.

Бронхиальное дерево ветвится и заполняет собой всю предоставленную ему площадь, как корень растения, которое много лет не пересаживали. Такое ветвление помогает очень плотно и эффективно упаковать максимальное число альвеол и увеличить площадь поверхности для обмена кислородом между воздухом и кровью. Чтобы понять, как это работает, представьте, что вы открыли бутылку газировки и оставили ее без крышки. Скорее всего, газ выйдет из нее минут за 20–30. Если же вы выльете эту газировку в большое плоское блюдо, то на это понадобится 5–10 минут. Чем больше площадь поверхности этой жидкости, тем быстрее газообмен, тем быстрее газ из газировки перейдет в воздух комнаты. В легких это правило тоже работает, именно поэтому и необходима такая огромная площадь, только там процесс идет наоборот – газ из альвеол смешивается с жидкостью – кровью.

Чтобы альвеолы не слипались и не схлопывались при каждом выдохе, внутри они смазаны сурфактантом. Это особая смесь жиров и белков получилась настолько удачной, что почти не менялась на протяжении миллиардов лет и практически одинакова что у древних и более примитивных животных, что у человека. Ее состав немного меняется только в случае, если животное живет в очень холодном или очень жарком климате или на экстремальной высоте.

К самим легким не приделано никаких мышц, чтобы сжимать их или растягивать, они просто висят на трахее и бронхах в грудной полости, как груша на ветке. Сами-то они легкие, не зря так называются, но они пронизаны большим количеством кровеносных капилляров с кровью, а кровь не такая уж и легкая. Из-за сосудов и крови в них легкие весят 1,2–1,3 кг. Для сравнения, мозг весит примерно столько же. Растягиваются и сжимаются они исключительно за счет работы атмосферного давления и собственной эластичности. Как тугая трикотажная кофточка, которая растягивается на вас, когда вы вдыхаете, и стягивается, когда выдыхаете. Кофточка ничем к вам не прикреплена и не приклеена, но из-за эластичности и давления вашего тела меняет свою форму. Однако изменять объем грудной клетки все-таки нам помогают дыхательные мышцы.

Основная дыхательная мышца – это диафрагма. Внутри тела она перемещается вверх и вниз с амплитудой от 1,5 до 7 см (см. рис. 8). Это действительно уникальная мышца, она и в дыхании занимает центральное место, и пищевод пережимает, чтобы еда не шла обратно, и на внутренние органы брюшины давит, например для опорожнения кишечника, и подкачивает кровь из вен вверх, и лимфу от конечностей к верхней части тела, а сухожильный центр диафрагмы примыкает к сердцу и является одной из его внешних оболочек. По сути, движение диафрагмы и наше дыхание может в той или иной степени влиять на все эти органы. Вдобавок ко всему диафрагма может сокращаться частями, а не вся сразу. Так происходит, например, при рвоте, когда волокна, охватывающие пищевод, расслабляются, чтобы дать выход содержимому желудка, а остальные сокращаются, чтобы надавить на желудок и вытряхнуть из него все, что переварить не получилось.

Рис. 8. Движение грудной клетки и диафрагмы при вдохе и выдохе

Наружные межреберные мышцы дополнительно поднимают грудную клетку при вдохе и обеспечивают нормальную глубину дыхания. Также вспомогательными дыхательными мышцами служат лестничные мышцы и грудино-ключично-сосцевидные мышцы, которые поднимают грудную клетку, особенно при затрудненном дыхании или после тяжелой физической нагрузки. Поэтому люди, которым тяжело дышать, стараются упереться руками в бедра или какую-то опору, это помогает включить эти мышцы и облегчить подъем самых верхних ребер. Кстати, именно так отдыхают бегуны и другие спортсмены, упирая руки в бедра и сгибая немного колени. Это наиболее быстрый способ восстановить дыхание и обеспечить себе глубокий вдох.

Выдох может происходить пассивно, в этом случае мышцы расслабляются, а грудная клетка опускается под действием силы тяжести. Но мы можем и активно выдохнуть. Помогают нам в этом внутренние межреберные мышцы, которые подтягивают каждое ребро к тому, что располагается ниже, словно складывают мехи гармошки. Внутренние мышцы брюшного пресса тоже помогают выдохнуть резко и сильно, не дожидаясь милости от гравитации, пока она соизволит опустить тяжелую грудную клетку и выжать из нее воздух.

Почему воздух идет в легкие, а еда – в желудок, или Что общего у нас и Русалочки?

Голосовая щель и надгортанник регулируют, куда пойдут вещества из гортани дальше – если это вода или еда, их надо направить в желудок, а если воздух – в легкие. На рис. 9 мы видим строение ротовой полости и глотки. Надгортанник снабжен мышцами, которые отклоняют его, как стрелку на железнодорожных путях, по сути он делит горло на две части – одна трубка для еды, вторая – для воздуха. При глотании пищи или рвоте, он отклоняется в сторону дыхательного горла и перекрывает его, чтобы пища не попала в легкие, а голосовая щель дополнительно сжимается. При этом пищевод остается открытым, и пища идет в него. Надгортанник при глотании прикрывает голосовую связку и голосовую щель, и поэтому говорить и глотать одновременно практически невозможно. Щитовидный хрящ, который у мужчин образует кадык (адамово яблоко), тянет за собой голосовую связку, удлиняя ее. Из-за деформации этого хряща голос у мальчиков ломается и становится ниже.

Но когда вы разговариваете, между фразами вы набираете воздух, да и голосовая щель то открывается, то смыкается, чтобы выдавать звуки. Если одновременно с этим есть, надгортанник пытается вовремя отклоняться, чтобы в легкие не попала пища, но это все начинает напоминать игру в тетрис на очень высокой скорости. В какой-то момент он может не успеть, и крошка печенья полетит в легкое. Дальше вы будете долго кашлять и особенно ясно осознавать смысл фразы «когда я ем, я глух и нем». Правда, «глухота» вряд ли поможет работе надгортанника, но зато может улучшить пищеварение.

Рис. 9. Органы пищеварительной системы

Если человек теряет сознание, контроль над надгортанником теряется, в этом случае при рвоте в бессознательном состоянии частицы еды могут попасть в легкие и вызвать их воспаление, поэтому человека без сознания нужно укладывать не на спину, а на бок или живот, чтобы он не захлебнулся в случае рвоты. В состоянии опьянения также человек не способен контролировать мышечные сокращения диафрагмы и не управляет своим надгортанником, помните об этом.

А сейчас я расскажу вам интересную историю про надгортанник. Мы, взрослые, не умеем пить и есть лежа на спине. Если вдруг прикинуться младенчиком, лечь и попробовать попить из бутылочки, скорее всего, вы захлебнетесь. А грудничкам это нипочем, они не захлебываются молоком. Эта история похожа на историю Русалочки. Там, как вы помните, героиня отдала свой голос в обмен на ноги. Тут произошло наоборот. Мы обменяли возможность пить лежа на голос. Когда ребенок маленький, его надгортанник расположен очень высоко, он соприкасается с увулой – тем самым маленьким язычком, который трясется в задней части рта при громком крике. Анатомически дыхательное горло у младенца почти полностью отделено от глотательного, а значит, захлебнуться он не сможет, даже когда пьет лежа, а еще он может сосать и дышать одновременно. Но у такого положения надгортанника есть свой минус. Звуки, которые выдают маленькие дети, совсем не похожи на взрослый голос. И дело не в высоте звука, а в его прижатости и утробности, звуки как будто идут из глубины маленькой грудной клеточки. Из-за положения надгортанника, звуки не могут сформироваться в полноценную речь, и ребенок может выдавать только простые слоги. Ближе к двум годам шея удлиняется, надгортанник опускается и это позволяет голосовой щели и связкам работать активнее, их движения становятся разнообразными, а ребенок приобретает возможность говорить, но теряет способность не захлебываться. Вот такой обмен.

Что находится между легкими и ребрами?

Легкие – очень нежная ткань, вместе с тем они очень активно движутся внутри грудной клетки при каждом вдохе и выдохе. Сила трения очень быстро стерла бы их о ребра в сплошную кровавую мозоль, если бы не несколько хитрых приспособлений. Во-первых, легкие обернуты в специальную очень мягкую ткань – плевру. Это своеобразная пупырчатая пленка для упаковки хрупких легких, только она еще и скользит. Такой же слой ткани выстилает изнутри ребра и грудную полость, а между слоями этой защитной оболочки есть жидкость, которая как смазка уменьшает трение легких и бережет их от стирания, она называется плевральная жидкость. Ее совсем немного – 15–20 мл, тонкий слой между двумя слоями ткани. По сути, легкие, как игла со смертью Кощеевой, которая в яйце, которое в утке, которая в зайце, – упакованы максимально бережно. С одной стороны, легкие скользят внутри грудной клетки, с другой стороны, благодаря жидкости-смазке они очень плотно прилегают к внутренней поверхности ребер. Это заставляет легкие двигаться вместе с грудной клеткой, не будучи прикрепленными к ней. Вспомните, как иногда блюдце присасывается к донышку чашки чая, особенно если чай немного пролили, вот тут такой же принцип. При дыхании не воздух раздувает легкие и они расширяются, а легкие увеличиваются в объеме, потому что их растянула грудная клетка, и в этот объем засасывается воздух, как в резиновую грушу, которую вы сперва сжали, а потом отпустили.

На рис. 10 показана модель работы легких. Только у нас вместо пластиковой бутылки – грудная клетка, вместо резиновой мембраны – диафрагма и плевральная полость, а вместо шариков – сами легкие. Когда мембрана снизу оттягивается и места в бутылке становится больше, в шарики набирается воздух. Когда мембрана не оттянута, шарики сдуваются, ведь нет никакого отрицательного давления вокруг и дополнительного места, куда им можно было бы расширяться.

Рис. 10. Модель работы легких

Внутри плевральной полости, между легкими и грудной клеткой, давление ниже атмосферного, что совсем уж странно. По законам физики, воздух из области высокого давления идет в область низкого давления, именно поэтому на земле существуют ветра. Та же история, но в меньшем масштабе, происходит в легких. Так как внутри давление ниже, чем в атмосфере, воздух легко заходит в легкие. Например, сегодня, когда я пишу эту книгу атмосферное давление 757 мм рт. ст., а значит, давление внутри моей грудной клетки 754,5 мм рт. ст. При этом на вдохе грудная клетка расширяется, диафрагма опускается, а значит, объем внутри грудной полости увеличивается и давление внутри плевральной полости становится еще более отрицательным, а воздух затягивается внутрь, то есть вот сейчас я вдохну и давление внутри моих легких упадет до 751 мм рт. ст., если вдохнуть очень глубоко, оно может упасть даже до 727 мм рт. ст.