1. Rola układu oddechowego:
zaopatrywanie organizmu w tlen i uwalnianie go od dwutlenku węgla
w układzie oddechowym zachodzi wymiana gazowa
tlen pobierany jest z powietrza - wypełnia on płuca
wypełnianie płuc powietrzem i opróżnianie płuc powietrzem ubogim w tlen jest nazywane wentylacją płuc
ruch powietrza do płuc podczas wdechu, oraz z płuc podczas wydechu, jest spowodowany zmienną różnicą ciśnień między powietrzem atmosferycznym a płucami
2. Pęcherzyki płucne:
są oplecione sprężystymi włóknami białkowymi (kolagenowymi), które nadają tkance płucnej odpowiednie właściwości sprężyste
siły sprężyste usiłują zmniejszyć objętość płuc, dlatego w otwartej klatce piersiowej płuca są skurczone i zapadnięte
w zamkniętej klatce piersiowej płuca wypełniają ją całkowicie
dzieje się tak dzięki ciśnieniu między płucami a przestrzenią opłucnową
3. Ciśnienie śródpęcherzykowe i ciśnienie wewnątrzopłucnowe:
a) ciśnienie śródpęcherzykowe jest większe od ciśnienia wewnątrzopłucnego -
ta różnica ciśnień rozciąga płuca, działa przeciw naprężeniom sprężystym tkanki płucnej
b) różnica ciśnień między balonem a powietrzem atmosferycznym rozciąga balon przeciw jego siłom sprężystości - wynikiem działania siły sprężystości tkanki płucnej jest ciśnienie sprężysto-tkankowe, w stanie równowagi jest ono równe różnicy ciśnień śródpęcherzykowych, w stanie spoczynku ciśnienie śródpęcherzykowe jest równe ciśnieniu atmosferycznemu
c) przyjmując ciśnienie atmosferyczne jako ciśnienie odniesienia za zero otrzymujemy, że Pa=Pp=0
d) ciśnienie wewnątrzopłucnowe, które musi być mniejsze od ciśnienia śródpęcherzykowego jest ujemne, ciśnienie wewnątrzopłucnowe wynosi w stanie spoczynku od -2 do -4 mm Hg,
rozciągnięte płuca wypełniają wtedy całą klatkę piersiową, także opłucna przylega do opłucnej ściennej
e) podczas wdechu mięśnie oddechowe powodują wzrost objętości klatki piersiowej,
ciśnienie wewnątrzopłucnowe zmienia się wtedy, przy spokojnym wdechu płuca rozciągają się jeszcze bardziej, wzrost objętości płuc powoduje wzrost objętości pęcherzyków płucnych,
ze wzrostem objętości gazu zmienia się jego ciśnienie
f) ciśnienie w pęcherzykach płucnych staje się nieco mniejsze od ciśnienia atmosferycznego,
w ten sposób dochodzi do spadku ciśnienia w drogach oddechowych, który chowa strumień powietrza do pęcherzyków płucnych, w miarę zwiększania się spadku ciśnienia rośnie strumień powietrza, staje się on maksymalny gdy ciśnienie w pęcherzykach płucnych osiągnie 1,5 mm Hg, od tej chwili tłoczące się do pęcherzyków powietrze zacznie zwiększać panujące w nich ciśnienie, niwelując stopniowo spadek ciśnienia w drogach oddechowych, aż do jego zaniku, kiedy ciśnienie śródpęcherzykowe zrówna się z ciśnieniem atmosferycznym
g) podczas spokojnego wydechu mięśnie oddechowe rozluźniają się, klatka piersiowa zmniejsza swoją objętość, siły sprężyste zmniejszają objętość pęcherzyków, ciśnienie wewnątrzopłucnowe rośnie do wartości ok. -2,5 mm Hg, a ciśnienie śródpęcherzykowe staje się nieco dodatnie
h) wzrost ciśnienia w pęcherzykach płucnych wypiera z nich powietrze, jego strumień staje się najwyższy, gdy ciśnienie śródpęcherzykowe wzrośnie do ok. 1,5 mm Hg; po czym maleje, ustając kiedy ciśnienie w pęcherzykach płucnych zrówna się z ciśnieniem atmosferycznym
i) ciśnienie wewnątrzopłucnowe zmienia się w rytmie oddychania w granicach od -2,5 do 6 mm Hg; pociąga to za sobą zmianę ciśnienia śródpęcherzykowego w granicach od -1,5 do 1,5 mm Hg
j) podczas wdechu zostaje wprowadzona do płuc określona objętość powietrza zwana objętością oddechową, przy spokojnym wdechu wynosi ona 0,5 litra
k) objętość powietrza wdychanego i wydychanego w ciągu minuty zwana jest wentylacją minutową, wentylacja minutowa przy spokojnym oddychaniu wynosi ok. 15 oddechów na minutę czyli 8 litrów na minutę, podczas dłużej trwającego wysiłku fizycznego wentylacja minutowa może wzrosnąć dziesięcio, a nawet dwudziestokrotnie, wzrost ten jest wynikiem zwiększonej objętości oddychania jak i zwiększonej częstości oddychania
4. Rola właściwości sprężystych tkanki płucnej i napięcia powierzchniowego warstwy pęcherzyków płucnych:
a) właściwości mechaniczne tkanki płucnej bada się na płucu wyizolowanym, płuca nadmuchuje się powietrzem (inflacja) mierząc ciśnienie i odpowiadajacom im objętość to samo czyni się przy opróżnianiu płuc (deflacja), można zauważyć, że inaczej zmienia się objętość płuc przy podwyższeniu ciśnienia niż przy jego obniżeniu, zjawisko to nosi nazwę histrezji objętościowo-ciśnieniowej
b) odpowiadające za to zjawisko są włókna sprężyste tkanki płucnej oraz napięcie powierzchowne warstwy pęcherzyków płucnych
c) zapewnienie ciągłej (bez zmian odskokowych) zmiany objętości płuc wymaga działania dodatkowych mechanizmów, mechanizmy te związane są ze zmianą (zmniejszeniem się) napięcia powierzchownego warstw pęcherzyków płucnych
d) ściany pęcherzyków płucnych pokryte są substancjami czynnymi, są nimi związki lipoproteinowe, których napięcie powierzchniowe zależy od grubości warstwy, grubsze warstwy tzw. surfaktantów mają małe napięcie powierzchniowe od 0,510 - 2 N/m do 110 -2 N/m; cienkie warstwy, zbliżone do monomolekularnych, mają zmniejszony wzrost napięcia powierzchniowego w przybliżeniu o 510 - 2 N/m co odpowiada napięciu powierzchniowemu osocza
e) przy wdechu zmniejsza się grubość surfaktantów, tym samym zwiększa się napięcie pęcherzykowe, zwiększenie napięcia powierzchniowego daje większe ciśnienie, które wspólnie z ciśnieniem w tkance płucnej pozwala na utrzymanie równowagi
f) wzrost objętości odbywa się w sposób ciągły bez obawy zmian skokowych, podczas wydechu zwiększa się ilość surfaktantów, zmienia się napięcie powierzchniowe, tym samym zmienia się ciśnienie - wobec tego zmiana objętości w sposób ciągły może odbywać się w stałej równowadze z ciśnieniem śródpęcherzykowym
5. Zależność objętościowo-ciśnieniowa płuc:
a) w pierwszej fazie inflacji płuca są mało podatne na odkształcenia, potrzebne jest pewne wstępne ciśnienie tzw. ciśnienie otwarcia, ciśnienie to jest dla płuc odgazowane mniej niż jeden kilopaskal
b) w następstwie wzrostu objętości dochodzi do wzrostu ciśnienia, najpierw nieznacznie, potem coraz gwałtowniej, wiąże się to z tzw. rekrutacją pęcherzyków płucnych, najpierw napełniają się pęcherzyki mniej oporne, dopiero gdy napełnią się one w całości, wzrasta gwałtownie objętość tych pęcherzyków, nie dochodzi jednak do zapadnięcia się płuc, gdyż zmniejszające się napięcie powierzchniowe zapewnia ciągłą zmianę objętości
c) włączenie się do ostatniej fazy sił sprężystych ograniczy dalszy wzrost objętości
d) w pierwszej fazie deflacji ciśnienie spada gwałtownie przy nieznacznym zmniejszeniu się objętości, płuca są nadal mało podatne na spadek objętości, opróżnianie pęcherzyków odbywa się powoli
e) w drugiej fazie deflacji objętość maleje ze zmniejszonym ciśnieniem, zmniejszające się w miarę zmniejszania pęcherzyków napięcie powierzchniowe zapewnia ciągłą zmianę objętości, przy ciągłej zmianie ciśnienia.
f) dwa zjawiska przemawiają za słusznością wyżej podanych koncepcji funkcjonowania płuc - jeżeli inflację płuc przeprowadzi się zamiast powietrzem - cieczą np. roztworem fizjologicznym chlorku sodowego działanie napięcia powierzchniowego zostaje wyeliminowane, pozostaje działanie wyłącznie sił sprężystych płuc, podczas deflacji histereza jest nieznaczna; drugie zjawisko ma miejsce przy braku surfaktantów, co spotyka się u noworodków, zwłaszcza u wcześniaków (płuca hialinowe), wdech wymaga wtedy dużego wysiłku na otwarcie zapadniętych pęcherzyków, przy wydechu następuje zapadanie pęcherzyków, ponowne ich otwarcie wymaga ponownego wysiłku, powtarzanie się tych procesów jest dla noworodka nie do pokonania
.