А ещё мы можем его сознательно, усилием мысли притушить. Ныряем в воду - задерживаем ведь дыхание. Хочется вдохнуть, но высшая нервная деятельность против: понимает, что пока нельзя, вода вокруг. И рефлекс идёт на поводу у сознания. К счастью, так бывает с рефлексами не всегда. На некоторые мы реально не можем повлиять, никаким усилием никакой мысли. Но дыхание - это куда более сложный комплекс событий, чем просто рефлекс.

Рефлекторная составляющая тут, конечно, тоже имеется. Базовый ритм вдоха-выдоха - автономное, рефлекторное, вегетативное мероприятие. Человек может потерять сознание - ну, например, упал с края плоской Земли, ударился головой о панцирь Черепахи, на которой та стоит, и отключился. Но дышать не перестал ведь! В дыхательном центре существует автогенная ритмическая активность. Эти клетки сами по себе, без внешних сигналов, генерируют периодические импульсы, подобно водителю ритма сердца. Этот базовый ритм передается на диафрагму и межреберные мышцы, раз за разом заставляя нас делать вдох-выдох.

Что интересно, дыхательный центр ориентируется не на содержание кислорода в крови. Точнее, в первую очередь - не на него. Знаете такие штуки - "прищепки" на палец, пульсоксиметры? В разгар ковида были популярны, мерили сатурацию (насыщение) крови кислородом. Так вот, если с такой "прищепкой" задержать дыхание, вот прямо надолго, до самого "ой, не могу больше", - она покажет, что с сатурацией всё ок, кислорода хватает. (Ну, если его и до этого фокуса хватало, т.е. человек здоровый). Словом, вдох прямо НУЖЕН, а кислород в крови вроде ещё есть.

Значит, дело не в кислороде. А в чём тогда? Оказывается, тут имеет значение рост концентрации углекислого газа, CO2. Он - один из конечных продуктов окисления глюкозы, он выделяется и в конвейере цикла Кребса (там, где щуку ацетил лимонил, см. прошлый пост). Словом - знаменует собой окончание этапа вдоха и начало этапа выдоха. Механизм такой: CO2 диффундирует из клеток в кровь. И там он, взаимодействуя с водой, даёт угольную кислоту H2CO3. Неорганики, молчите. Я знаю, что в вашей системе знаний такой кислоты в водном растворе не существует. Её и правда не существует, т.к. она тут же разрушается, вы правы, конечно. Но удобнее и понятнее всего расписать это с использованием именно угольной кислоты. Примерно так: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃ ⇄ H⁺ + HCO₃⁻.

Заморочилась с нижними и верхними индексами и со стрелочками туда-сюда. Всё для вас, дорогие читатели (без иронии). В общем, главное тут вот что: чем больше CO2, тем больше в итоге протонов H(+) в крови. То есть, кислотность крови из-за этого повышается (снижается pH). А в дыхательном центре и в крупных сосудах (сонных артериях, аорте) есть особые хеморецепторы, чувствительные именно к повышению концентрации H(+), то есть к этому падению pH крови.

Когда pH крови падает даже на сотые доли (например, с 7,40 до 7,38), хеморецепторы бьют тревогу и посылают сигнал в дыхательный центр:

Алярм! Ахтунг! Виу-виу-виу, кот код красный, повторяем, код красный! Или синий! Короче, слишком много CO2! Кислотность растет!

И дыхательный центр тут же усиливает и учащает дыхательные движения. Цель их - вывести избыток CO2. Через лёгкие - какие ещё варианты-то. Как только CO2 выходит, равновесие этой реакции смещается влево (бонжур, мсье Ле Шателье и его принцип смещения равновесия) и pH крови возвращается к норме.

NB: эта норма - очень-очень узкая! Кровь надёжно защищена от метаний и шатаний в кислый или щелочной pH т.н. буферными системами. В том числе потому, что слишком много от этого точного pH зависит, это критические вопросы жизнеобеспечения. Соответственно, в частности, бредни иных диетолухов про "защелачивание" крови мясом, "подкисление" брюквой и ягодами Годжи и т.п., - махровая чушь. Ничего такого с кровью здорового человека не бывает, а уж если случается ацидоз или алкалоз - исправляют его не семенами кациуса с дефлопе, а в больнице, и зачастую - в интенсивной терапии. Чувствительны мы к этим сдвигам, очень.

Кстати, о терапии. Доврачебная помощь, сердечно-легочная реанимация, если человек без сознания, не дышит и пульса нет, в первую очередь основывается на непрямом массаже сердца. Дыхание рот-в-рот там тоже есть, но соотношение 30:2. Тридцать нажатий и только два вдоха. Почему? Да потому, что кислород в крови ещё есть, куда важнее заставить её циркулировать по организму. Да, в ней всё больше CO2, да, растёт кислотность (ацидоз), но кислород ещё есть! И продолжать разносить его по организму - главнее всего. Потому и 30 нажатий на грудную клетку. А закисление крови... Ну, будет. Потом врачи решат эту проблему.

Вернёмся к дыханию. Где вообще находится дыхательный центр? Он расположен в отделе мозга под названием "продолговатый мозг" (medulla oblongata). Это самый древний и жизненно важный отдел мозга, управляющий базовыми функциями организма. Там выделяют две ключевые группы нейронов: дорсальная (главным образом отвечает за вдох, посылая те самые сигналы диафрагме и межреберным мышцам) и вентральная (управляет как вдохом, так и выдохом. Над ними в структуре под названием "Варолиев мост" находится пневмотаксический центр, который "подстраивает" ритм, плавно и мягко переключая фазу вдоха на выдох. Судорожное, дёрганое дыхание - это результат либо какой-то проблемы с организмом, либо опять-таки сознательный акт. Мы можем на какое-то время осознанно включать рваный ритм дыхания, хотя физиологически это не требуется. Но в обычном состоянии мы мягко вдыхаем и выдыхаем воздух - благодаря этому центру.

И вот это всё ориентируется главным образом на CO2, а не O2, как я сказала выше. Круто же придумано? А то! Блин, одна из целей, которую я вижу в своих текстах, - это вызвать у читателя чувство восхищения, восторга от того, как потрясающе тонко и сложно организован живой организм. Надеюсь, удаётся иногда.

Так о кислороде этот ваш/наш дыхательный центр вообще не думает? Только о CO2? Почему не из-за нехватки кислорода (O₂)?

Хех. Как правило, дыхательный центр и правда практически "не замечает" умеренного снижения содержания O2. Его главный триггер - это CO2/H(+). Но при сильной гипоксии (сатурация падает ниже ~90%) срабатывают специальные периферические хеморецепторы, чувствительные именно к O2. Так что, всё имеет значение. В таких обстоятельствах дыхательный центр всё замечает. Но если дело дошло до сигналов от этих рецепторов - это уже реально аварийный режим работы организма.

А за сознательный контроль дыхания отвечает кора больших полушарий головного мозга. Когда надо (как в примере с нырянием), она посылает мощный тормозящий сигнал в дыхательный центр, подавляя его автоматическую активность. Да и просто, на ровном месте может так сделать. Захотели задержать дыхание просто так, без физиологической необходимости, - а пожалста! *голосом К. Ларина*

Но всё, конечно, имеет свои пределы. Не получится произвольно задержать дыхание на "сколько угодно" времени. Рано или поздно случится "срыв": сигнал от хеморецепторов насчёт уменьшения pH крови станет настолько мощным, что преодолеет сознательный запрет от коры. Дыхательный центр решительно "взламывает" её контроль: поигрались - и хватит! Плевать, что там вокруг: вода, метан или неблагоприятная политическая обстановка! Происходит императивный вдох и выдох.

А как же ныряльщики?

А что ныряльщики? Профессионалы тренируют не лёгкие, а толерантность к высокому уровню CO2. Ну и умение сознательно расслабляться, отодвигая момент срыва рефлекса. Ещё они используют гипервентиляцию (глубокое частое дыхание перед нырком), чтобы "вымыть" как можно больше CO2 из крови и отсрочить момент его критического накопления. Кстати, это - такое себе упражнение. Оно может привести к гипоксии и потере сознания под водой ещё до того, как сработает рефлекс на CO2. И, когда рефлекс таки прорывается, такой ныряльщик вдыхает воду, со всеми понятными и печальными последствиями.

А почему нам иногда требуется глубокий вдох? (Из комментариев)

Хороший вопрос. Как правило - не для повышения насыщения кислородом. А для того, чтобы побольше выдохнуть, вывести как можно больше углекислого газа. Для того, чтобы... в общем, см. выше, описала этот феномен. Так что, не стесняйтесь выдыхать: организм устроен умно, тут он знает, что ему надо.

Вроде про дыхание всё, что хотелось сказать, сказала. В списке следующих (обещанных!) текстов: причины СД2, шалфей-зверобой-чабрец-чага и связь тупых шуток с когнитивистикой. Помню-помню.

Я - Злобная Биохимичка. Дзен вот. Донам как всегда большое спасибо!

А, песня про дыхание! Вот:

Тем не менее, такой непосредственный, даже детский вопрос при обдумывании уже кажется не совсем детским. Если в двух словах, мы дышим, чтобы производить энергию (в форме аденозинтрифосфата, АТФ) для жизнедеятельности всех клеток нашего тела. Чтобы синтезировать/запасти АТФ, надо что-нибудь окислить. Идеальным кандидатом для окисления оказалась глюкоза (хотя не одна она такая, бывают менее эффективные, но всё-таки варианты). Идеальным окислителем для неё - кислород (хотя и без него мы можем немножко протянуть).

АТФ - такая "энергетическая валюта" клетки. (Мы, кстати, и в социуме к этому придём, вероятно. Не золото, а энергия станет платёжным стандартом. Уже становится, имхо). Все процессы в организме (сокращение мышц, передача нервных импульсов, синтез веществ, деление клеток, поддержание температуры тела и мн. др.) требуют именно энергии, а не какого-то там золота. И вот эту энергию клетки получают при расщеплении АТФ.

Но напрямую взять АТФ из пищи мы не можем. Так уж заведено в нашем мире, что в пище у нас - питательные вещества. Те самые белки, жиры и углеводы. И вот из них-то, в первую очередь - из углеводов, клетка извлекает энергию и запасает её в молекулах АТФ. В этом сокрыт великий смысл: энергия клетке нужна всегда. Но не шквал энергии, который случается при окислении глюкозы, а дозированные и относительно небольшие энергетические "порции". Такие, какие получаются при расщеплении АТФ. Такая аналогия: молекула глюкозы - это пятитысячная купюра. А АТФ - сотенная денежка. И в клетке ежесекундно куча трат, но каждая из покупок - небольшая. 5000 продавец таких мелких товаров и не возьмёт - сдачи нет. Нужна денежка помельче - вот для этого АТФ и есть.

Кроме того, высвобождение энергии при помощи окисления молекулы глюкозы - эдакое одноразовое и крупномасштабное событие. С АТФ же мы получаем много мелких, энергетически ёмких "батареек". И, в конце концов, высвобождение энергии из АТФ - намного более быстрое, чем из глюкозы (доли секунды) и адресное (прямо по месту потребления эти порции энергии получаем). Всё это делает путь "Окислили глюкозу - Получили много энергии - Запасли её в АТФ - Разрушили АТФ, когда надо - Быстро получили немного энергии, дозировано и адресно" намного более предпочтительным, чем попытки утилизации энергии из глюкозы напрямую. Это - лучшая стратегия из возможных.

А ещё есть АТФ-зависимый механизм сигнализации "энергии много/мало, клетка не устала/устала". Если много АТФ расщеплено, то начинается торможение: клетка "понимает", что дело идёт к истощению и переходит в режим отдыха и накопления новых блоков АТФ. Расщепляя глюкозу, конечно.

Самый эффективный способ извлечения энергии из глюкозы - это её полное окисление. Процесс идёт до углекислого газа и воды и требует участия кислорода. Без кислорода схема гликолиза очень неэффективна. Такой даст в 18 раз меньше АТФ относительно одной молекулы глюкозы. Соответственно, можем не дышать? Можем, но очень недолго. Клетки в авральном режиме будут штамповать эту АТФ, но расход будет выше дохода. Дебет с кредитом не сойдутся (вопрос нескольких минут), и клетка в условиях нехватки энергии перестанет функционировать. Погибнет.

Для справки: мировой рекорд без дыхания - 29 минут. Это был какой-то эпически крутой ныряльщик, который ещё и считерствовал малость: перед задержкой дыхания он дышал чистым кислородом, чтобы насытить им кровь, насколько возможно. С другой стороны, рекорд есть рекорд. Попробуйте тоже подышать кислородом, а потом 29 минут не дышать, ага... Большинству людей удаётся обойтись без вдоха от нескольких секунд до пары минут максимум.

Есть у Вселенной определённая ирония в этом вопросе. Если кто не знает, кислород - не главный компонент воздуха. Его там всего-то 21%. А главный - азот, его 78% (и ещё 1% на всё остальное, мои дорогие любители математики). Воздух - это в первую очередь азот, да-с. Кислород по количеству там на втором месте. Но большинству живых существ нужен именно он, и именно такой, разбавленный. А вот вам ещё одна шуточка от мироздания: все помнят, что кислород получается на нашей планете при помощи фотосинтеза растений? Так вот, задача фотосинтеза - соорудить молекулу глюкозы из углекислого газа (CO2) и воды. Кислород там получается как побочный продукт этого процесса. И передовиком производства кислорода на Земле являются вовсе не леса нашей тайги или леса ихних тропиков, а, внезапно, цианобактерии и всякие микроскопические водоросли. Пруф (EN). От 50 до 80% кислорода делают нам именно они.

Итак, ответ на вопрос "Зачем/Почему" такой: мы дышим, чтобы доставить кислород в клетки, где он используется для производства АТФ. Теперь - вопрос "как?" Процесс можно разделить на три уровня: внешний (лёгочный), транспорт газов и внутренний (тканевой/клеточный). На первом уровне за счет сокращения диафрагмы и межреберных мышц объем грудной клетки увеличивается, и давление в легких падает ниже атмосферного. Это вдох. Воздух, содержащий около 21% кислорода, поступает в легкие. Далее в крошечных лёгочных пузырьках (альвеолах) кислород диффундирует в кровь, связываясь с гемоглобином эритроцитов. Одновременно углекислый газ (CO2) - продукт метаболизма - диффундирует из крови в альвеолы и удаляется с выдохом.

Этот альвеолярно-капиллярный барьер - это нечто потрясающее, на самом деле! Представьте себе, толщина этой мембраны - всего лишь от 0,2 до 0,5 мкм! Именно такая толщина слоя отделяет воздух, который мы вдохнули, от нашей крови. Для сравнения, толщина человеческого волоса около 80 мкм. Помните недавнюю эпидемию ковида? Этот вирус предпочитал многим клеткам организма именно эти, формирующие барьер. Представляете, какая сволочь? Бил чуть ли не по самому тонкому и беззащитному месту! Если с этими нежными клетками случается вирусная проблема - иммунитет настолько разъяряется, что может начаться тот самый печально известный "цитокиновый шторм". Хорошо, что от ковида быстро сделали несколько вакцин. Трудно даже примерно оценить, сколько жизней они спасли. Миллионы, без преувеличений.

Кислород, попав в кровь, связывается с гемоглобином и несётся эритроцитом к тканям. Там его транспорт выстроен в обратном порядке, от эритроцита к клетке. Далее начинается самое интересное для биохимика, процесс клеточного дыхания. В клетке происходит следующее: C6H12O6 (глюкоза) + 6 O2 (кислород) = 6 CO2 (углекислый газ) + 6 H2O (вода).

Ну, чего ты ругаешься по-химически? Нормально ж разговаривали!

Угу. Выделившаяся в ходе окисления энергия идёт на 30-32 штуки АТФ. Сперва в цитоплазме идёт гликолиз, расщепление глюкозы на пируват (остаток пировиноградной кислоты). Этот этап не требует кислорода, кстати. Дальше в матриксе митохондрии запускается цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Выглядит это примерно так:

Щуку ацетил лимонил,
Но нарцисса конь боялся,
Он над ним изолимонно
Альфа-кетоглутарался.

Сукцинился коэнзимом,
Янтарился фумарово,
Яблочек припас на зиму,
Обернулся щукой снова.

Того. Ну, или то же самое в виде простой картиночки.

Щука из стиха - ЩавелевоУКсусная кислотА, и так далее. Там ещё разных событий по мелочи (окислительное фосфорилирование). Вещества с кодовыми именами НАД*H и ФАД*H2 отдают электроны, те проходят по цепи переносчиков. Их энергия используется для "накачивания" протонов (H+) в межмембранное пространство. И обратный поток протонов через АТФ-синтазу приводит к синтезу основного количества АТФ (около 34 молекул из одной глюкозы). Тут-то и требуется кислород: он является конечным акцептором электронов и протонов, образуя воду: O2 + 4e(-) + 4H(+) = 2 H2O.

К слову, появление аэробного дыхания (около 2,5 млрд лет назад) стало феерической революцией жизни. Оно дало организмам на порядок больше энергии из того же количества пищи по сравнению с анаэробным брожением. Это позволило развиться сложным, многоклеточным, высокоактивным формам жизни, включая человека.

В общем, такие дела. Мы дышим затем и потому, что наши клетки нуждаются в постоянном притоке кислорода для эффективного производства АТФ, этого универсального источника энергии для жизни. Дыхание в традиционном разговорном смысле "вдох/выдох" - это внешнее проявление сложного биоэнергетического процесса, без которого существование сложных организмов невозможно.

Я - Злобный Биохимик. Ещё в Дзене присутствую)

Ага, вспомнила, наконец, что биохимик! А то какую-то ерунду пишешь...

Я и не забывала. Просто пишу о том, о чём хочется... Надеюсь, было интересно. За донаты - неизменное спасибо! Мне прямо душу согревает мысль, что кому-то настолько нравятся мои тексты, что он(а) не просто ставит плюсик, а заморачивается с донатом.