Dýchací systém (respirační systém) je biologický systém organismu, který zavádí dýchací plyny do vnitřku a provádí výměnu plynů. U lidí a jiných savců patří mezi anatomické znaky dýchacího systému dýchací cesty, plíce a dýchací svaly. Molekuly kyslíku a oxidu uhličitého jsou pasivně vyměňovány difuzí mezi plynným vnějším prostředím a krví. Tento proces výměny probíhá v alveolární oblasti plic. Jiná zvířata, například hmyz, mají dýchací systém s velmi jednoduchými anatomickými znaky a u obojživelníků hraje při výměně plynů zásadní roli dokonce kůže.
Srovnávací anatomie a fyziologie
U lidí je dýchací ústrojí součástí anatomie, která se podílí na procesu dýchání.
Dýchací ústrojí je rozděleno do 3 segmentů:
Dýchací cesty jsou častým místem infekcí. Infekce horních cest dýchacích jsou pravděpodobně nejčastějšími infekcemi na světě.
Většina dýchacích cest existuje pouze jako potrubní systém pro vzduch cestovat v plicích, a plicní sklípky jsou jedinou částí plic, která vyměňuje kyslík a oxid uhličitý s krví.
Směrem dolů po dýchacích cestách, počínaje průdušnicí, se trubice zmenšují a dělí se na další a další trubice. Odhaduje se, že je tam asi 20 až 23 divizí, které končí v alveolu.
I když je průřezová plocha každé průdušky nebo průdušky menší, protože je jich tolik, celková plocha je větší. To znamená, že je menší odpor v koncových průduškách. (Největší odpor je kolem 3-4 dělení průdušnice v důsledku turbulence.)
Dýchací ústrojí je pokryto epitelem, jehož typ se v traktu liší. Jsou zde žlázy a hleny, které po částech produkují buňky poháru, stejně jako hladká svalovina, elastin nebo chrupavka.
Většina epitelu (od nosu k průduškám) je pokryta pseudostratifikovanými sloupcovými ciliovanými epitelovými buňkami, běžně nazývanými respirační epitel. Řasinky bijí jedním směrem, pohybují hlenem směrem k hrdlu, kde je polykán. Pohybují se po průduškách, buňky získávají více kuboidní tvar, ale jsou stále ciliované.
Chrupavka je přítomna až do malé průdušky. V průdušnici jsou to kroužky ve tvaru C, zatímco v průdušce jsou to proložené destičky.
Žlázy jsou hojné v horních dýchacích cestách, ale je jich méně níže a chybí od průdušek. Totéž platí pro pohárové buňky, i když v prvních průduškách jsou roztroušené.
Hladký sval začíná v průdušnici, kde se spojuje s kroužky chrupavky ve tvaru písmene C. Pokračuje průduškami a průduškami, které zcela obepíná.
Místo tvrdé chrupavky jsou průdušky a průdušky složeny z elastické tkáně.
Koně jsou povinni dýchat nosem, což znamená, že jsou odlišní od mnoha jiných savců, protože nemají možnost dýchat ústy a musí přijímat kyslík nosem.
Slon je jediným zvířetem, o kterém je známo, že nemá žádný pohrudniční prostor. Paretální a viscerální pohrudnice jsou spíše složeny z husté pojivové tkáně a navzájem se spojují přes volnou pojivovou tkáň. Tento nedostatek pohrudničního prostoru spolu s neobvykle silnou bránicí jsou považovány za evoluční adaptaci umožňující slonovi zůstat pod vodou po dlouhou dobu a zároveň dýchat přes chobot, který se vynoří jako šnorchl.
Anatomická struktura plic je u plazů méně složitá než u savců, u plazů chybí velmi rozsáhlá struktura stromu dýchacích cest, která se vyskytuje v plicích savců. Výměna plynů u plazů stále probíhá v plicních sklípcích, plazi však nemají bránici. Dýchání tedy probíhá prostřednictvím změny objemu tělní dutiny, která je řízena kontrakcí mezižeberních svalů u všech plazů kromě želv. U želv řídí kontrakce specifických párů svalů na boku inspiraci nebo expiraci.
Plíce i kůže slouží u obojživelníků jako dýchací orgány. Kůže těchto zvířat je vysoce vaskularizovaná a vlhká, přičemž vlhkost je udržována prostřednictvím sekrece hlenu ze specializovaných buněk. Zatímco plíce mají primární význam pro kontrolu dýchání, jedinečné vlastnosti kůže napomáhají rychlé výměně plynů, když jsou obojživelníci ponořeni do vody bohaté na kyslík.
Vzduch vstupuje do dýchacích systémů většiny hmyzu prostřednictvím řady vnějších otvorů zvaných spirály. Tyto vnější otvory, které u některých hmyzů fungují jako svalové chlopně, vedou do vnitřního dýchacího systému, což je hustě propojená soustava trubic zvaných tracheae. Vědecký tracheální systém uvnitř jedince se skládá ze vzájemně propojených příčných a podélných tracheae, které udržují rovnocenný tlak v celém systému. Tyto tracheae se opakovaně větví a nakonec vytvářejí tracheoly, což jsou slepě zakončené, vodou naplněné oddíly o průměru pouze jeden mikrometr. Právě na této úrovni tracheol je do buněk dodáván kyslík k dýchání. Průdušnice jsou naplněny vodou díky propustné membráně okolních tkání. Během cvičení se hladina vody stáhne kvůli zvýšení koncentrace kyseliny mléčné ve svalových buňkách. Tím se snižuje vodní potenciál a voda je vtahována zpět do buněk pomocí osmózy a vzduch je přiváděn blíže ke svalovým buňkám. Následně je omezena difuzní dráha a plyny mohou být snáze přenášeny.
Dříve se věřilo, že hmyz si plyny s okolím průběžně vyměňuje prostým rozptylem plynů do tracheálního systému. V poslední době však byly zdokumentovány velké odchylky ve ventilačních vzorcích hmyzu a respirace hmyzu se zdá být velmi proměnlivá. Některé malé druhy hmyzu skutečně vykazují nepřetržité dýchání a mohou postrádat svalové ovládání spirály. Jiné však využívají svalové stahy břicha spolu s koordinovaným stahem spirály a relaxací k vytváření cyklických vzorců výměny plynů a ke snižování ztrát vody do atmosféry. Nejextrémnější forma těchto vzorců se nazývá nespojité cykly výměny plynů (DGC).
Měkkýši mají obecně žábry, které umožňují výměnu kyslíku z vodního prostředí do oběhového systému. Tito živočichové mají také srdce, které pumpuje krev, která obsahuje hemokyaninin jako jeho molekulu zachycující kyslík. Proto je tento dýchací systém podobný dýchacímu systému obratlovců. Dýchací systém plžů může zahrnovat buď žábry, nebo plíce.
V respirační fyziologii se větráním (nebo rychlostí větrání) rozumí rychlost, jakou plyn vstupuje do plic nebo ji opouští. Kategorizuje se podle těchto definic:
Větrání probíhá pod kontrolou autonomního nervového systému z částí mozkového kmene, prodloužené míchy a z ponů. Tato oblast mozku tvoří respirační regulační centrum, řadu vzájemně propojených mozkových buněk v rámci dolního a středního mozkového kmene, které koordinují dýchací pohyby. Sekcemi jsou pneumotaxické centrum, apneustické centrum a dorzální a ventrální respirační skupiny. Tato sekce je zvláště citlivá v kojeneckém věku a neurony mohou být zničeny, pokud dítě upadne a/nebo se s ním prudce zatřese. Výsledkem může být smrt v důsledku „syndromu otřeseného dítěte“.
Rychlost dýchání se zvyšuje s koncentrací oxidu uhličitého v krvi, která je detekována periferními chemoreceptory v aortě a krkavici a centrálními chemoreceptory v medule. Cvičení také zvyšuje dechovou frekvenci, díky působení proprioceptorů, zvýšení tělesné teploty, uvolnění epinefrinu a motorických impulsů pocházejících z mozku. Kromě toho se může zvýšit v důsledku zvýšené inflace v plicích, která je detekována stretch receptory.
Inhalace je zahájena bránicí a podporována zevními mezižeberními svaly. Normální klidové dýchání je 10 až 18 vdechů za minutu, s časovým úsekem 2 sekundy. Během intenzivního vdechování (s rychlostí přesahující 35 vdechů za minutu), nebo při blížícím se respiračním selhání, jsou pro podporu získávány přídavné svaly dýchání. Ty se skládají ze sternocleidomastoidu, platysmy a šupinatých svalů na krku. Příslušenskými svaly jsou také pektorické svaly a latissimus dorsi.
Za normálních podmínek je bránice hlavním hnacím motorem inhalace. Když se bránice stáhne, hrudní koš se roztáhne a obsah břicha se posune směrem dolů. To má za následek větší objem hrudníku a záporný tlak (vzhledem k atmosférickému tlaku) uvnitř hrudníku. Jak tlak v hrudníku klesá, vzduch se přesouvá do vodivé zóny. Zde je vzduch filtrován, zahříván a zvlhčován, jak proudí do plic.
Při nucené inhalaci, stejně jako při hlubokém nádechu, napomáhají vnější mezižeberní svaly a přídavné svaly v dalším rozšiřování hrudní dutiny.
Při inhalaci se stahuje bránice.
Exhalace je obecně pasivní proces, nicméně aktivního nebo nuceného výdechu je dosaženo břišními a vnitřními mezižeberními svaly. Během tohoto procesu je vzduch nucen nebo vydechován.
Plíce mají přirozenou elasticitu: jak ustupují od úseku vdechování, vzduch proudí zpět, dokud tlaky v hrudníku a atmosféře dosáhnout rovnováhy.
Při nuceném výdechu, jako při sfoukávání svíčky, dochází u výdechových svalů včetně břišních svalů a vnitřních mezižeberních svalů ke vzniku břišního a hrudního tlaku, který vytlačuje vzduch z plic.
Hlavní funkcí dýchacího systému je výměna plynů mezi vnějším prostředím a oběhovým systémem organismu. U lidí a dalších savců tato výměna usnadňuje okysličení krve se současným odstraněním oxidu uhličitého a dalších plynných metabolických odpadů z oběhu. Při výměně plynů je v rámci homeostázy udržována acidobazická rovnováha organismu. Pokud není udržována správná ventilace, mohou nastat dvě protichůdné podmínky: respirační acidóza, život ohrožující stav, a respirační alkalóza.
Při vdechování dochází k výměně plynů v plicních sklípcích, drobných váčcích, které jsou základní funkční složkou plic. Alveolární stěny jsou extrémně tenké (cca. 0,2 mikrometru). Tyto stěny se skládají z jedné vrstvy epiteliálních buněk (epiteliálních buněk typu I a II) v blízkosti plicních kapilár, které se skládají z jedné vrstvy endoteliálních buněk. Těsná blízkost těchto dvou typů buněk umožňuje prostupnost pro plyny a tím i výměnu plynů.
Celý tento mechanismus výměny plynu je nesen jednoduchým jevem tlakové diference. Když je vysoký tlak vzduchu uvnitř plic, vzduch z plic proudí ven. Když je uvnitř nízký tlak vzduchu, pak vzduch proudí do plic.
Epiteliální buňky dýchacích cest mohou vylučovat celou řadu molekul, které pomáhají při obraně plic. Tajné imunoglobuliny (IgA), kolektiny (včetně Surfaktantu A a D), defensiny a další peptidy a proteázy, reaktivní druhy kyslíku a reaktivní druhy dusíku jsou vytvářeny epiteliálními buňkami dýchacích cest. Tyto sekrety mohou působit přímo jako antimikrobiální látky, které pomáhají udržet dýchací cesty bez infekce. Epiteliální buňky dýchacích cest také vylučují celou řadu chemokinů a cytokinů, které rekrutují tradiční imunitní buňky a další do míst infekce.
Většina dýchacího systému je lemována sliznicemi, které obsahují sliznici asociovanou lymfatickou tkáň, která produkuje bílé krvinky, jako jsou lymfocyty.
Metabolické a endokrinní funkce plic
Kromě své funkce při výměně plynů mají plíce řadu metabolických funkcí. Vyrábějí povrchově aktivní látky pro místní použití, jak je uvedeno výše. Obsahují také fibrinolytický systém, který rozkládá sraženiny v plicních cévách. Uvolňují různé látky, které vstupují do systémové arteriální krve a ze systémové žilní krve odstraňují další látky, které se k nim dostávají přes plicní tepnu. Prostaglandiny jsou z oběhu odstraňovány, ale jsou také syntetizovány v plicích a uvolňovány do krve, když je plicní tkáň natažena.
Plíce také aktivují jeden hormon; fyziologicky neaktivní dekapeptid angiotensin I je v plicním oběhu přeměněn na presor, aldosteronem stimulující oktapeptid angiotensin II. Reakce se objevuje i v dalších tkáních, ale zvláště výrazná je v plicích. Velké množství angiotensin konvertujícího enzymu zodpovědného za tuto aktivaci se nachází na povrchu endoteliálních buněk plicních kapilár. Konvertující enzym také inaktivuje bradykinin. Doba cirkulace plicními kapilárami je méně než jedna sekunda, přesto se 70% angiotensinu I, který se dostane do plic, v jediném průchodu kapilárami přeměňuje na angiotensin II. Na povrchu plicních endoteliálních buněk byly identifikovány čtyři další peptidázy.
Pohyb plynu hrtanem, hltanem a ústy umožňuje lidem mluvit, nebo fonovat. Vokalizace, nebo zpěv, u ptáků dochází přes syrinx, orgán umístěný na bázi průdušnice. Vibrace vzduchu proudícího přes hrtan (hlasivky), u lidí, a syrinx, u ptáků, má za následek zvuk. Z tohoto důvodu, pohyb plynu je mimořádně důležité pro účely komunikace.
Lapání po dechu u psů, koček a některých dalších zvířat poskytuje prostředek pro regulaci tělesné teploty. Tato fyziologická reakce se používá jako chladicí mechanismus.
Podráždění nervů v nosních dutinách nebo dýchacích cestách, může vyvolat kašel a kýchání. Tyto reakce způsobí, že vzduch je nuceně vytlačen z průdušnice, respektive nosu. Tímto způsobem jsou dráždivé látky zachycené v hlenu, který vystýlá dýchací cesty, vytlačeny nebo přesunuty do úst, kde mohou být spolknuty. Během kašle, kontrakce hladkého svalstva zužuje průdušnici tím, že přitahuje konce chrupavkových destiček k sobě a vytlačuje měkkou tkáň ven do lumen. Tím se zvyšuje rychlost proudění vydechnutého vzduchu k uvolnění a odstranění všech dráždivých částic nebo hlenu.
Dýchací soustava leží během těhotenství nečinně v lidském plodu. Při porodu se dýchací soustava stává plně funkční po vystavení vzduchu, i když určitý vývoj a růst plic pokračuje po celé dětství. Předčasný porod může vést ke kojencům s nedostatečně vyvinutými plícemi. Tyto plíce vykazují neúplný vývoj alveolárních buněk typu II, tedy buněk, které produkují povrchově aktivní látku. Plíce předčasně narozených dětí nemusí fungovat dobře, protože nedostatek povrchově aktivní látky vede ke zvýšenému povrchovému napětí uvnitř alveol. Tak se mnoho alveol zhroutí tak, že v některých nebo většině oblastí plic kojence nemůže dojít k výměně plynů, což je stav nazývaný syndrom respirační tísně. Základní vědecké experimenty, prováděné za použití buněk z kuřecích plic, podporují potenciál pro použití steroidů jako prostředku pro další vývoj alveolárních buněk typu II. Ve skutečnosti, jakmile je předčasný porod ohrožen, je vynaloženo veškeré úsilí k oddálení porodu a série steroidních injekcí je často podávána matce během tohoto oddálení ve snaze podpořit růst plic.
Poruchy dýchací soustavy lze rozdělit do čtyř obecných oblastí:
Kašel má zásadní význam, protože je hlavní metodou těla k odstranění prachu, hlenu, slin a dalších nečistot z plic. Neschopnost kašle může vést k infekci. Hluboké dechové cvičení může pomoci udržet jemnější struktury plic bez částic, atd.
Dýchací ústrojí je kvůli rozsáhlé ploše povrchu neustále vystaveno mikrobům, a proto dýchací ústrojí obsahuje mnoho mechanismů, jak se bránit a zabránit vstupu patogenů do těla.
Poruchy dýchacího systému jsou obvykle léčeny interně pulmonologem a respiračním terapeutem.
objem plic – vitální kapacita – funkční zbytková kapacita – respirační minutový objem – uzavírací kapacita – mrtvý prostor – spirometrie – pletyzmografie těla – průtokoměr vrcholu – objem nezávislý na hrudníku – zátěžový test průdušek
ventilace (V) (pozitivní tlak) – dech (inhalace, výdech) -dechová frekvence – respirometr – plicní povrchově aktivní látka – compliance – hysterezivita – odpor dýchacích cest
plicní oběh – perfuze (Q) – hypoxická plicní vazokonstrikce – plicní zkrat
poměr ventilace/perfuze (V/Q) a sken – zóny plic – výměna plynů – tlaky plicních plynů – rovnice alveolárního plynu – hemoglobin – křivka disociace kyslík-hemoglobin (2,3-DPG, Bohrův efekt, Haldanův efekt) – karboanhydráza (chloridový posun) – oxyhemoglobin – respirační kvocient – arteriální krevní plyn – difuzní kapacita – Dlco
pons (pneumotaxické centrum, apneustické centrum) – medulla (dorzální respirační skupina, ventrální respirační skupina) – chemoreceptory (centrální, periferní) – pulmonální stretch receptory – Hering-Breuerův reflex
vysoká nadmořská výška – toxicita kyslíku – hypoxie
Infekce horních cest dýchacích · Běžné nachlazení · Rýma · Sinusitida · Faryngitida (Streptokok v krku) · Tonsillitida · Laryngitida · Tracheitida · Záchvat · Epiglottitida
Chřipka · Pneumonie (virová, bakteriální, bronchopneumonie) · Závažný akutní respirační syndrom
Bronchitida (akutní, chronická) · Bronchiolitida
Rozedma plic · CHOPN · Astma · Status asthmaticus · Bronchiektázie
Pneumokonióza (Coalworker’s pneumoconiosis, Asbestosis, Silicosis, Bauxite fibrosis, Berylliosis, Siderosis) · Byssinosis · Hypersensitivní pneumonitida (Farmer’s lung, Bird fancier’s lung)
Syndrom akutní dechové tísně · Plicní edém · Hammanův-Richův syndrom · Intersticiální plicní nemoc
Plicní absces · Pleurální výpotek · Empyema
Pneumotorax · Hemothorax · Hemopneumothorax · Mendelsonův syndrom · Respirační selhání · Atelektáza · Mediastinální emfyzém · Mediastinitida
viz také vrozené (Q30-Q34, 748)