U životinjskoj fiziologiji, disanje je prijenos kisika iz zraka u stanice tkiva te prijenos ugljikova dioksida u suprotnom smjeru. Ono je kontrast biokemijskoj definiciji disanja, koje se odnosi na stanično disanje: metabolički proces kojim organizam dolazi do energije reakcijom kisika s glukozom koja daje vodu, ugljikov dioksid i adenozin trifosfat (ATP) (energiju). Iako je fiziološko disanje potrebno kako bi opskrbilo stanično disanje, a tako i život životinja, procesi su različiti: stanično disanje zauzima mjesto u pojedinačnim stanicama životinja, dok se fiziološko disanje tiče dotoka mase i prijenosa metabolita između organizma i vanjske okoline.
U jednostaničnih organizama, obična je difuzija dovoljna za izmjenu plinova: svaka je stanica uvijek u dodiru s vanjskom okolinom, s kratkom udaljenošću koju plinovi moraju prijeći. Zauzvrat, složeni mnogostanični organizmi poput čovjeka imaju veću udaljenosti između okoline i njihovih unutarnjih stanica, pa je radi toga dišni sustav potreban za učinkovitu izmjenu plinova. Dišni sustav usklađeno djeluje s krvožilnim sustavom koji prenosi plinove iz i u tkiva.
Kod kralješnjaka koji dišu, respiracija kisika uključuje četiri stadija:
Disanje se sastoji od dvije radnje: udisaja i izdisaja.
Ventilacija i prijenos plinova zahtjevaju energiju radi pokretanja mehaničkih pumpa (dijafragma i srce), suprotno pasivnoj difuziji.
Svi poznati živi organizmi vrše izmjenu plinova s njihovim okolišom. Ova izmjena je poznat kao disanje. Za održavanje života, kisik se mora udisati u pluća, zatim procesom difuzije preko alveolo-kapilarne membrane, vezanjem za hemoglobin u eritrocitima, i otopljen krvi prenijet do tkiva, i potom prenijet u stanice u kojima se obavlja aerobni metabolizam.
Disanje se može opisati kao spontani, ritmički mehanički proces. Kontrakcijom i relaksacijom mišića tijekom disanja nastaje kretanja plinova iz atmosfere u pluća i obratno, čime tijelo dobija jedan plinoviti medij za razmjenu plinova.
Vanjsko disanje se odvija u alveolama pluća. Zrak, koji sadrži kisik, iz atmosfere mehaničkim procesom disanja ulazi u alveole pluća. Iz udahnutog zrak u alveolama, kisik difuzijom prelazi u krvotok. U isto vrijeme, ugljični dioksid difuzijom iz venske krvi prelazi u alveole odakle sa izdahnutim zrakom napušta pluća. Ciklus disanja je nesvjestan proces koji se neprekidno ponavlja, osim ako je zbog poremećaja svijesti nastao poremećaj u njegovoj regulaciji. Vanjsko disanje odvija se u dvije faze:
Kretanje zraka prema plućima je aktivna faza vanjskog disanja, ili udisanje. Ono je uzrokovano širenjem zida prsnog koša i spuštanjem ošita. Udah povećava volumen pluća i u njima stvara područje niskog tlaka. Budući da je veći tlak izvana, zrak prodire u pluća.
U tijeku mirnog disanja intrapleuralni tlak, u odnosu na atmosferski na početku udisanje, je oko (-2,5 mmHg) i smanjuje se na približno (-6 mmHg) na kraju inspirija. Za to vrijeme tlak u plućima varira u rasponu od 0 do -1,2 mmHg, tj. postaje blago negativan.
Pri maksimalnom udahu promjer prsnog koša povećava se za 20%. Normalna broj dišnih ciklusa je 12 udisaja u minuti, a zapremina udahnutog zraka pri jednom udahu je oko 500 ml. Prema tome,minutni volumen disanja(ili količina zraka koja prođe kroz pluća), prosječno je oko 6 litara u minuti.
U pasivnoj fazi vanjskog disanja – izdisanje, ošit se podiže, a zid prsnog koša se sužava, što dovodi do povećanja tlaka unutar pluća. Nakon što se otvori glotis, tlak unutar pluća izbacuje zrak, zajedno sa oslobođenim CO2 iz krvi, u atmosferu.
Unutarnje disanje je proces koji se odvija na razini tkiva i stanica, koje iz kisikom obogaćena krvi koriste kisik, a u nju vraćaju ugljični dioksid. Ovaj mehanizam, poznat je i kao metabolički procesa, proizvodnje energije neophodne za život. Unutarnje ili stanično disanje je isti proces, koji se odvija postupno, u nekoliko koraka, a čiji je rezultat pretvaranje energije pohranjene u molekulima glukoze u upotrebljivu kemijsku energiju u obliku ATP-a.
Živčani sustav prilagođava veličinu alveolarne ventilacije potrebama organizma. Zahvaljujući pri tome, da se tlakovi kisika i ugljičnog dioksida u krvi minimalno mijenjaju i kod teških opterećenja respiratornog sustava. Centar za disanje se nalazi u produženoj moždine i ponsu, a regulacija disanja se odvija kontinuiranim slanjem impulsa.
Krajnji cilj disanja je održavanje povoljnih koncentracija kisika, ugljičnog dioksida i vodikovih iona u tjelesnim tekućinama. Povećanje ugljičnog dioksida ili vodikovih iona utječe na respiraciju, tako što nadražuje centar za disanje i dovodi do uklanjanja viška plinova ubrzanjem respiracije. Regulacija ugljičnog dioksida se vrši mehanizmom povratne sprege, tako da u toku pneumonija, emfizema i drugih plućnih bolesti, ovaj sustav može povećati alveolarnu ventilaciju 5-7 puta.
Dišni sustav sastoji od dišnih putova i organa koji unose atmosferski zrak u organizam.
Usno nosni prolaz se sastoji iz usnica, usne šupljina, nosnica i nosne šupljine – nazalni prolaz. Ovaj prolaza oblaže sluznica koja je prekrivena cilijarnim epitelom, čija je osnovna uloga filtriranje i vlaženje zraka. Mehaničke nečistoća, iz udahnutog zraka, sa zadržavaju u usnoj i nosnoj šupljina na vlaženom epitelu odakle se mehaničkim putem odstranjuju iz nosa i ustiju (kašljanjem, kihanjem, slinom) ili gutanjem. Sluz sa uhvaćenim česticama se pokreće jedan centimetar u minuti do konačnog izbacivanja ili gutanja. U nosu i ustima zrak se zagrije i ovlaži vodenom parom, prije nego stigne u pluća. Kada bi čovjek udisao zrak kroz običnu cijev, suh i hladan zrak koji dopire u donje dijelove pluća pogodovao bi infekciji. Zrak koji ulazi kroz nosne šupljina je bolje filtrirani zrak od onoga koji ulazi kroz usta. Zato se savjetuje da se disanje kad god je to moguće obavlja preko nosa.
Ždrijelo je tjelesna šupljina koja s jedne strane spaja usnu i nosnu šupljina a sa druge grkljan. Glavna uloga ždrijela u procesu disanja je primiti zrak iz nosne i usne šupljina i zagrijati ga na temperaturu tijela prije njegovog ulaska u respiratorne sustav.
Grkljan je organ dišnog sustava koji je smješten u prednjem dijelu vrata. Organ je cijevastog obilika i počinje otvorom u donjem dijelu ždrijela (hipofarinks), a nastavlja se u dušnik (lat. trachea). Glavna funkcija grkljana je disanje, dok je kroz evoluciju prilagođen i fonaciji (govoru). Posebnu ulogu u zaštiti disanja ima grkljanski poklopac (lat. epiglotis), koji sprečava da hrana završi u grkljanu i dalje u dušniku, tj. sprečava aspiraciju i eventualno gušenje.
Dušnik ili trahea, je cijev kroz koju zrak dospijeva u bronhije.
Faze vanjskog disanja
Zrak iz dušnika nastavlja kretanje dolje kroz bronhije i bronhiole, ka sve manjim prolazim, ili duktusima, dok ne dospije u alveole plućnog tkiva. Glavna dušnica, po ulasku u pluća, silazi koso nadole i oblikuje bronhalno stablo. Plućni režnjić, je osnovna jedinica građe pluća, ima oblik piramide, veličine oko 1 cm². Kroz njegov vrh ulazi bronhiola koja se grana dajući sitne alveole, poluloptasta proširenja njezinih zidova. Bronhiola formira strukture koje liče na grozd a svaka bobica predstavlja alveolu.
Alveola je najvažniji dio pluća, oblika mjehurića promjera 0,3 mm i u prosjeku ih ima oko 150 milijuna. Alveole su tvorevina vrlo tankih zidova, kojih u plućima ima oko 300 milijuna, sa ukupnom površinom koja je u kontaktu sa kapilarama od oko 70 m². Svaka mala alveola okružena je mrežom kapilara kojima se pridružuju arterije i vene. Na mikroskopskom pregledu kapilara se vidi da promjer njegovog zid čini samo jedna stanica. Plućni kapilara su toliko uske da se crvena krvna zrnca mogu kretati kroz njih samo u jednom nizu. Razmjena plinova CO2 i O2 se odvija na razini alveola.
Primarna funkcija disanja je unos kisika. Kisik ulazi u tijelo putem dišnog suustava, a zatim se u tijelu kroz cirkulacijski sustav dostavlja do svih njegovih dijelova. Sve stanice u tijelu za potrebe metabolizma hrane imaju potrebu za kisikom.
Ugljični dioksid je jedan od nusproizvoda u metaboličkim procesima. Ugljični dioksid se prenosi iz tkiva do pluća odakle se on izbacuje iz tijela.
Kada ugljični dioksid uđe u kapilare, on reagira s vodom, te nastaje ugljična kiselina. Ta reakcija se ubrzava enzimima do 5000 puta. Već u sljedećem trenutku ova kiselina disocira na bikarbonatne ione i u ovom bezopasnom stanju se prenosi do pluća. Ovim procesom je omogućeno da se ugljični dioksid 15-20 puta lakše transportira.
Tjelesna temperature se obično održava u rasponu od (36.1 do 37,0 °C). Isparenje tjelesnih tekućina (kao što je znojenje) je jedna od metoda koja pomaže uklanjanju topline i održavanju toplinske ravnoteže tijela. Vlažan zrak tokom izdisanja također pomaže u procesu eliminacije topline. Negativan efekt može biti gubitak velike količine topline zbog velike površine pluća.
U tijelu postoji složena ravnoteža između količine kisika i ugljičnog dioksida. Kretanje ugljičnog dioksida i kisika odvija se kroz brojne kemijske promjene u hemoglobinu i krvnoj plazmi. Poremećaj u radu ovih kemijskih puteve mijenja kemijsku ravnotežu tijela.
Pod normalnim uvjetima, relativni nivo acido-bazne ravnoteže (pH razina) u tijelu je u rasponu od 7,35 do 7,45. Tijekom disanja raste parcijalni tlak ugljičnog dioksida, povećava se razina kiselosti, i pH vrijednost se snižava na manje od 7,3. Isto tako, premalo ugljičnog dioksida izaziva porast bazne reakcije krvi i porast pH vrijednosti. Budući da ljudsko tijelo održava acido-baznu ravnotežu unutar uskih granica, dišni centar mozga reagira pri svakoj promjeni pH i parcijalnog tlaka ugljičnog dioksida (pCO2) u krvi. Kada dođe do promjena acido-bazne ravnoteže i pH, kemijski receptore aktiviraju dišni proces kako bi se pCO2 i pH razina normalizirali. Raspon od 7,2 do 7,6 je kritična granica nužne za kretanje kisika kroz krv i ulazak kisika u tkiva.
Na razmjenu plinova kroz plućne membrane utječu sljedeći čimbenici;
Uloga eritrocita i hemoglobina u dišnom procesu
Kada kisik dospije u alveole pluća, ona prolazi tanku staničnu barijeru alveola i kreće sa prema plućnim kapilarama gdje se u krvi veže u slabu vezu sa hemoglobinom. Dakle, dolazi do zasićenje hemoglobina u eritrocitima krvi kisikom.
Glavnu ulogu u ovom procesu obavljaju eritrociti, kojih u organizmu ima 25 000 milijardi. Pošto se kisik prenosi slobodnom difuzijom, potrebno je da eritrocit primi molekulu kisika. Prisustvo hemoglobina u eritrocitima omogućava krvi da prenese 30-100 puta više kisika, nego što bi mogla prenijeti da je kisik otopljen u plazmi (svega 0,3%). U svakoj molekuli hemoglobina ima 4 atoma željeza, a svaki atom željeza veže jedanu molekulu kisika. Molekula hemoglobina tijekom disanja mijenja svoj oblik, a to je najmanja molekularna struktura koja diše. Kada hemoglobin veže kisika – skuplja se, a kada otpušta kisika – širi se. To je paradoksalan proces u odnosu na onaj koji se događa u plućima. Hemoglobin pokazuje izuzetnu kompleksnost i fleksibilnost da bi odigrao ulogu stalnog koordinatora količine kisika i ugljičnog dioksida.
Lokacija | pO2 (mmHg) | pCO2 (mmHg) | pH2O (mmHg) | pN2 (mmHg) |
Udahnuti zrak | 158,0, | 0,3 | 5,7 | 596,0 |
Alveolarni zrak | 100,0 | 40,0 | 47,0 | 573,0 |
Izdahnuti zrak | 116,0 | 32,0 | 47,0 | 565,0 |
Desno srce | 40,0 | 46,0 | 47,0 | 573,0 |
Lijevo srce | 95,0 | 40,0 | 47,0 | 573,0 |
Tkiva | -40,0 | +46,0 | 47,0 | 573,0 |
Količina kisika i ugljičnog dioksida razmenjena difuzijom preko alveolo-kapilarne membrane i krvi zavisi prije svega od razlike parcijalnog tlaka kisika i ugljičnog dioksida u alveolarnom zraku i njihovog parcijalnog tlaka u venskom dijelu kapilara.
Taj tlak, i njegova diferencijalna razlika bitna je za pravilnu saturaciju krvi kisikom posade zrakoplova, jer s visinom pada zasićenje krvi kisikom, zbog snižavanja atmosferskog tlaka zraka. Ovaj pad u zasićenju krvi kisikom može dovesti do hipoksije, koja je posljedica smanjene količine kisika u tkivima tijela.
Visina(m) | Atmosferski tlak (mmHg) | pАО2(mmHg) | pVO2(mmHg) | Razlika tlaka(mmHg) | Zasićenje krvi kisikom(%) |
na razini mora | 760 (664-803) | 100 | 40 | 60 | 98 |
3.000 | 523 | 61 | 31 | 29 | 87 |
5.500 | 380 | 38 | 26 | 12 | 72 |
7.000 | 282 | 7 | 4 | 3 | 9 |
11.000 | 179 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Prema fiziološkom učinku dostignute visine na procese disanja u organizmu čovjeka izvršena je sljedeća podjela atmosfere;
Na manjim visinama (do 3000 metara) alveolarni parcijalni tlak kisika (pO2) ne smanjuje se u tolikoj mjeri kao pO2 u atmosferi, jer smanjen tlaka kisika donekle nadoknađuje povećana ventilacija pluća i veće naprezanje kardiovaskularnog sustava. Međutim na većim visinama pO2 se daleko više smanjuje u alveolama pluća nego u atmosferskim zraku, zbog razređenja kisiku u udahnutom zraku. Razlog za ovo smanjenja je;
Visina (m) | Atmosferski tlak (kPa) | pО2 u zraku(kPa) | pCO2 u alveolama (kPa) | рО2 u alveolama (kPa) | Arterijsko zasićenje krvi kisikom |
na razini mora | 101,3 | 21,2 | 5,3 | 13,9 | 0,97 |
3.000 | 69,7 | 14,7 | 4,8 | 8,9 | 0,90 |
6.000 | 46,5 | 9,7 | 3,2 | 5,3 | 0,73 |
9.000 | 30,1 | 6,3 | 3,2 | 2,8 | 0,30 |
12.000 | 18,8 | 3,9 | 3,2 | 1,6 | 0,15 |
15.000 | 11,6 | 2,4 | 3,2 | 0,3 | 0,02 |
Ako pretpostavimo da barometarski tlak padne na 13,3 kPa, od te vrijednosti na parcijalni tlak vodene pare (pH2O) otpada 6,3 kPa, za sve ostale plinove ostaje 7 kPa. (13,3-6,3 = 7). Na velikim visinama od 7 kPa, mora se oduzeti tlak CO2 tako da u zraku ostaje svega 3,8 kPa (7-3,2 = 3,8) plina. Pod uvjetom da se kisik ne troši od 3,8 kPa treba oduzeti 4/5 koliko zauzima dušik, tako da na pO2 otpada 0,8 kPa. Imajući u vidu da su do tog momenta tkiva iznimno anoksična, značajnu količinu kisika apsorbiratće krv, tako da u plućima ostaje svega 0,26 kPa tlaka kisika, što je nedovoljno za normalan proces disanja. Na temelju ovoga zaključujemo da čovjek na atmosferskom tlaku od 13,3 kPa, ne bi mogao preživjeti ako bi udisao samo atmosferski zrak.
Primjer: na visini od 15.500 metara barometarski tlak zraka je 11,6 kPa, što je nedovoljno za normalan proces disanja, zato je potrebno udisanje 100% kisika pojačati i nadtlakom. Vrijednost nadtlaka možemo izračunati ako od donje granice tlaka na kojoj se obavlja proces disanja 100% kisika (18,8 kPa) oduzmem vrijednost tlaka na zadanoj visini (18,8-11,6 = 7,2 kPa). Sa ovim nadtlakom, od 7,2 kPa, postiže se vrijednost parcijalnog tlaka kisika na visini od 15.500 metara koja osigurava zasićenje hemoglobina u krvi oko 90%.
Disanje pod nadtlakom je umjetno povećanje smanjenog parcijalnog tlaka kisika u udahnutom zraku, kao jedna od osnovnih mjera u borbi protiv smanjenog barometarskog tlaka atmosferskog zraka i pojave hipoksije u tijelu pilota za vrijeme letenja na većim visinama.
Tlak plina ostvaruje se samo za vrijeme udisanja, dok tijekom izdisanja tlaka nema. Na ovaj način je promijenjen normalni respiratorni ciklus jer je sada udah pasivna faza a izdah aktivna faza. Tijekom izdisanja potrebno je izvšiti određeni rad da bi se stvorio povećan negativan tlak u grudnom košu, koji će istisnuti zrak kako bi se tlak izjednačio sa vanjskim. Dok disanje dovodi u pluća pozitivni tlak ostali dijelovi tijela su izloženi okolnom pritisku zraka.
Disanje 100% kisika pod nadtlakom od 11,7 kpa osiguralo bi trajnu uspješnu zaštitu od hipoksije na bilo kojoj visini. Međutim ovako veliki nadtlak je neostvarljiv jer dovodi do; dekompresijske bolesti i fizioloških poremećaja u radu respiratornog sustava.
Mogućnosti disanja kisika pod nadtlakom nisu neograničene, te nakon prelaska vrijednosti od 7,8 kPa dolazi do značajnih poremećaja u radu kardiovaskularnog i respiratornog sustava, a na većim tlakovima moglo bi doći i do rupture pluća.
Da bi se ovo spriječilo uvedena su specijalna odijela sa nadtlakom koja stvaraju tlak sa vanjske strane tijela pilota, s ciljem da se vanjski tlak izjednači s unutrašnjim tlakom. Samo sa ovakvim odijelom dobro se podnosi disanje pod nadtlakom i do 20,7 kPa
Kako je disanje kisika pod nadtlakom veoma naporno, njegova primjena nije preporučljiva duži vremenski period, a i sama oprema koja se koristi za tu namjenu znatno otežava rad pilota. Zato su suvremeni avioni tako konstruirani da su njihove kabine pod nadtlakom, što omogućava normalan rad pilota, a odijelo se koristi samo u slučaju nastanka izvanredne situacije (rashermetizacija kabine ne velikim visinama).
Kako bi čovjek osigurao normalan proces disanja na visini on mora disanje nadopuniti nizom zaštitnih mjera:
U slučaju disfunkcije pluća i nedostatku rada srca, kod pacijenta se provodi reanimacija putem umjetnog disanja i masaže srca. Umjetno disanje se sprovodi usta na usta ili usta na nos (kao sto je gore opisano). Masaža srca se sprovodi tako što se dlan jedne ruke postavi na donjoj trećini grundnog koša te se druga ruka stavi preko nje. Vrši se pritisak od otprilike 3-4 cm u dubinu pri čemu često dolazi do loma prsnog mosta. U ovom slučaju dolazi do manjeg otpora te se jačina pritiska smanjuje. Reanimacija se započinje umjetnim disanjem te se nastavlja masažom srca u odnosu 2:15. Brzina reanimacije je određena prosječnom brzinom disanja te brzinom rada srca kod pacijenata u stabilnom stanju. Time se pri reanimaciji nastoji postići frekvencija disanja od oko 16 te srca između 60-80. Kod male djece frekvencija se povisuje na 20-22 disanja te do 200 otkucaja srca. Zbog manjeg grudnog koša kod dojenčadi i male djece, za masažu srca se ne koriste ruke nego samo dva prsta. Pritisak se vrši otprilike 1-2cm u dubinu.
Za potrebu reanimacije u hitnim slučajevima, bolnice i vozila hitne pomoći upotrebljavaju defibrilator. Po vrsti rada on može biti automatski ("peacemaker"), poluautomatski ili manualni. Automatski defibrilatori su malih dimenzija te se koriste kod hroničnih oboljenja srca kao preventiva, te se nose stalno na ili u tijelu. Poluautomatski defibrilatori su u posljednjoj deceniji u većem dijelu evropskih zemalja uvedeni u sanitetske službe.
Ovakvi poluautomati spasiocu oduzimaju odluku kada izvršiti električni udar putem elektrokardiografskog mjerenja rada srca. Do električnog udara dolazi samo pri vidljivoj mišićnoj funkciji srčanih komora. Njihova upotreba je jednostavna i ne donosi opasnost za pacijenta. Manualni defibrilatori se koriste uglavnom u bolnicama. Odluku o električnom udaru u ovom slučaju donosi doktor. Externi defibrilatori električni udar donose putem elektroda najčešće zaljepljenih ili postavljenih na grudni koš. Interni defibrilatori se koriste direktno na srcu putem dviju elektroda pri operacijama ili transplatacijama. Za vrijeme ovakve vrste reanimacije, umjetno disanje se vrši putem ambu-vrećice ili putem intubacije.