Отдельно стоит упомянуть о таком явлении, как пневмоторакс, когда в легком образуется отверстие, через которое воздух начинает поступать в плевральную полость. По мере увеличения количества воздуха вокруг легкого оно может спадаться, и в наихудшем случае утечка воздуха может быть настолько выраженной, что происходит сдавливание сердца и другого легкого. Такое состояние называется напряженным пневмотораксом и расценивается как неотложное, требующее немедленной декомпрессии. Для этого в плевральную полость вводится игла, которая соединяется с катетером, обеспечивающим отток воздуха. Хотя в целом пневмоторакс — явление не редкое, к счастью, подобное неотложное состояние наблюдается нечасто. «Спонтанный» пневмоторакс, происходящий без видимых причин, чаще возникает у мужчин. Врачам хорошо известны характеристики пациентов, имеющих повышенный риск развития пневмоторакса: высокий рост, худощавое телосложение, мужской пол, часто подростковый возраст. В некоторых случаях лечение не требуется. Если количество воздуха в плевральной полости увеличивается или состояние ухудшается, для дренажа можно использовать катетер. В редких случаях для того, чтобы расправить легкое, может потребоваться хирургическое вмешательство.

Механика дыхания

Большинство из нас никогда не задумывались о том, как мы дышим. Механику дыхания нельзя назвать полностью интуитивной. Теоретически есть два способа попадания воздуха в легкие: проталкивание (под положительным давлением) и всасывание (при отрицательном давлении). В обоих случаях воздух попадает из области высокого давления в область низкого давления. В первом случае создается область высокого давления, когда воздух силой проталкивается в область низкого давления. Во втором случае создается область низкого давления, когда воздух уходит из области высокого давления. Например, у лягушек действует принцип «проталкивания»: они захватывают воздух ртом, сжимают щеки и вгоняют воздух в легкие. По такому же принципу проталкивания работают аппараты механической вентиляции. У людей же, напротив, используется второй принцип. Наша основная дыхательная мышца, диафрагма, находится под легкими. В покое она образует два купола, по одному под каждым легким. При вдохе купол сокращается и уплощается, вследствие чего диафрагма тянет легкие вниз, заставляя расширяться. Воздух устремляется в область низкого давления, образованную вследствие расширения легкого. При выдохе диафрагма расслабляется и поднимается. Давление в легких становится несколько выше атмосферного, и воздух выходит наружу.

Вдохните, а теперь выдохните. Остановитесь, когда вам покажется это естественным. Количество воздуха, оставшегося в этом момент в легких, называется функциональной остаточной емкостью (ФОЕ). У среднестатистического взрослого этот показатель составляет около 2,5 л. В течение большей части дыхательного цикла легкие действуют наподобие резинки, принимающей исходную сжатую форму. Эта способность легких возвращаться к сжатому состоянию называется эластической тягой. При этом грудная стенка обладает эластической тягой, направленной наружу. ФОЕ достигается тогда, когда эти две тяги сбалансированы. Этот показатель важен, так как при таком заболевании, как эмфизема, легкие теряют свою эластичность, точка достижения баланса выше, что приводит к тому, что легкие становятся слишком большими. Это способствует опущению диафрагмы. Когда пациент с эмфиземой делает вдох, диафрагма уже настолько низко, что ей больше некуда опускаться. Купол диафрагмы уплощен, и вдохнуть очень сложно. И напротив, есть заболевания, при которых в легких появляются рубцы (это называется фиброзом легких), что приводит к увеличению силы, втягивающей легкие, и они сжимаются (низкая ФОЕ).

В процессе дыхания кроме диафрагмы участвуют и другие мышцы, в том числе межреберные и многие мышцы груди, шеи, спины и живота, образующие мышечный корсет грудной полости. При заболевании легких на эти вспомогательные мышцы возлагается больше надежд, что они справятся с дополнительной дыхательной нагрузкой. Они же играют важную роль и при форсированном выдохе и вдохе. Например, можно выдохнуть еще сильнее, если задействовать межреберные мышцы для повышения давления в абдоминальной полости, поднятия диафрагмы и выталкивания дополнительного воздуха. При этом полностью опустошить легкие не удастся никому: даже после максимального выдоха у среднестатистического взрослого остается около 1,2 л воздуха, что называется остаточным объемом (ОО).

Функция дыхания относится к критически важным для обеспечения жизни, и контролирующий ее центр расположен в одном из самых «древних» отделов головного мозга — продолговатом мозге. Он постоянно функционирует, даже при потере сознания, поддерживая эту жизненно важную способность организма. Дыхательный центр сообщается с диафрагмой через блуждающий нерв, что позволяет мозгу ускорять или замедлять дыхание. Поэтому, даже если мы спим или без сознания, до тех пор пока этот нерв сохраняет связь между стволом головного мозга и диафрагмой, дыхание не прекращается.

Казалось бы, в этой системе нужно было бы предусмотреть сенсоры, сигнализирующие мозгу о низком уровне кислорода. Мозг мог бы посылать сигналы обратно к легким, чтобы они чаще и глубже сокращались. Однако на самом деле организм решил эту проблему более искусно: в мозге существует резервная система, а также вход от периферических рецепторов, контролирующих не только уровень кислорода, но и кислотно-щелочной баланс крови. При растворении углекислого газа в крови он соединяется с водой и превращается в бикарбонат, играющий важную роль в регуляции кислотно-щелочного баланса крови (измеряемого в единицах pH). Наш организм исполняет сложную симфонию, в которой одновременно участвуют тысячи химических реакций, и все они имеют тонкую настройку на определенный уровень pH — 7,4. При уровне 7,0 этот показатель абсолютно нейтрален, а при 7,4 становится щелочным. Когда концентрация углекислого газа существенно меняется, то же происходит с pH крови. Если он сильно повышается, то кровь становится кислой, а при снижении — щелочной.

Можно представить легкие в виде конвейера, который с каждым дыхательным циклом обеспечивает получение кислорода и избавление от углекислого газа. Хеморецепторы, расположенные в сонной артерии, контролируют уровень кислорода, углекислого газа и pH крови, что определяет, с какой частотой нужно дышать. Если все работает как надо, организм снабжен достаточным количеством кислорода и необходимый уровень углекислого газа для поддержания pH составляет 7,4. Однако при сбое системы есть только два варианта развития событий — ускорить или замедлить дыхание. Данная система может поддерживать «нормальные» отклонения, такие как физические упражнения. Когда мы тренируемся, то обычно потребляем больше кислорода, но при этом также производим больше углекислого газа, от которого необходимо избавляться. Поэтому при ускорении наш «конвейер» решает обе эти проблемы.

Представим ситуацию полета на самолете. Каждый раз, поднимаясь на борт, мы невольно попадаем в ситуацию, к которой эволюция нас не готовила. Давление в самолете поддерживается примерно как на 2000–2500 м над уровнем моря. В то время как содержание кислорода во вдыхаемом воздухе на разной высоте стабильно, падение атмосферного давления на большей высоте приводит к снижению парциального давления кислорода. На уровне 2500 м этот показатель составляет приблизительно 34% от того, каким он бывает на уровне моря[4]. Парциальное давление соответствует доле, которую один газ занимает в смеси газов. Снижение парциального давления кислорода приводит к уменьшению его давления и содержания в крови. Организм отвечает попыткой чаще дышать, чтобы ускорить «конвейер». Но, в отличие от тренировки, когда потребности в кислороде и выработка углекислого газа довольно точно уравновешены, в данном случае ускорение «конвейера» для выработки большего количества кислорода сопровождается необходимостью избавления от слишком большого количества углекислого газа, что приводит к повышению pH крови. Если большее повышение достигается медленнее, то почкам, также играющим ключевую роль в поддержании pH крови, могут потребоваться дни или даже недели для возвращения этого показателя к норме. В самолете организм находится в условиях субоптимального снабжения кислородом, но при этом нарушение кислотно-щелочного баланса менее выражено. Если же подниматься на большую высоту быстрее и оставаться там, то сочетание низкого уровня кислорода и нарушения уровня pH может привести к появлению таких симптомов, как головная боль, утомляемость и тошнота, известным как приступы «горной болезни».