Поступление воздуха в легкие (вдох) является результатом сокращения дыхательных мышц и увеличения объема легких. Выдох происходит вследствие расслабления дыхательных мышц. Следовательно, дыхательный цикл складывается из вдоха и выдоха. Дыхание происходит непрерывно вследствие нервных импульсов, поступающих из дыхательного центра, расположенного в продолговатом мозгу. Дыхательный центр обладает автоматией, но его работа контролируется корой больших полушарий.
Эффективность внешнего дыхания может быть оценена по величине легочной вентиляции, т.е. по объему воздуха, проходящего через дыхательные пути. Взрослый человек за один дыхательный цикл вдыхает и выдыхает в среднем около 500 см3 воздуха. Этот объем называется дыхательным. При дополнительном (после нормального вдоха) максимальном вдохе можно вдохнуть еще 1500–2000 см3 воздуха. Это дополнительный объем вдоха. После спокойного выдоха можно дополнительно выдохнуть еще около 1500–3000 см3 воздуха. Это дополнительный объем выдоха. Жизненная емкость легких равна суммарной величине дыхательного и дополнительного объемов вдоха и выдоха (3–5 литров). Определение жизненной емкости легких производят методом спирометрии.
6. Пищеварительная система
Пищеварительная система человека состоит из пищеварительной трубки (длиной 8–9 м) и тесно связанных с нею крупных пищеварительных желез – печени, поджелудочной железы, слюнных желез (крупных и мелких). Пищеварительная система начинается полостью рта и заканчивается задним проходом. Сущность пищеварения состоит в физической и химической переработке пищи, в результате которой становится возможным всасывание питательных веществ через стенки пищеварительного тракта и поступление их в кровь или лимфу. К питательным веществам относятся белки, жиры, углеводы, вода, минеральные вещества. В пищеварительном аппарате происходят сложные физико-химические превращения пищи: от формирования пищевого комка в ротовой полости до всасывания и удаления непереваренных ее остатков. Эти процессы осуществляются в результате двигательной, всасывающей и секреторной функций аппарата пищеварения. Все эти три пищеварительные функции регулируются нервным и гуморальным (посредством гормонов) путем. Нервный центр, регулирующий функции пищеварения, а также пищевую мотивацию, находится в гипоталамусе (промежуточный мозг), а гормоны большей частью образуются в самом желудочно-кишечном тракте.
В ротовой полости осуществляется первичная химическая и физическая переработка пищи. Так, под действием ферментов слюны – амилазы и мальтазы – происходит гидролиз (расщепление) углеводов при рН (кислотно-щелочном) равновесии 5,8–7,5. Слюноотделение происходит рефлекторно. Оно усиливается, когда мы чувствуем приятные запахи, или, например, при попадании инородных частиц в ротовую полость. Объем слюноотделения составляет 0,5 мл в минуту в состоянии покоя (это облегчает речедвигательную функцию) и 5 мл в минуту во время еды. Слюна также обладает бактерицидными свойствами. Физическая обработка пищи включает размельчение (жевание) и формирование пищевого комка. Кроме того, в ротовой полости происходит формирование вкусовых ощущений. В этом большую роль играет также слюна, которая в данном случае выступает в роли растворителя. Известно четыре первичных вкусовых ощущения: кислое, соленое, сладкое, горькое. Они неравномерно распределяются на поверхности языка.
После глотания пища попадает в желудок. В зависимости от состава пища находится в желудке разное время. Хлеб и мясо перевариваются за 2–3 часа, жиры – 7–8 часов. В желудке из жидких и твердых компонентов пищи постепенно формируется полужидкая кашица – химус. Желудочный сок имеет очень сложный состав, так как является продуктом секреции трех типов желудочных желез. Он содержит ферменты: пепсиногены, расщепляющие белки; липазы, расщепляющие жиры, и др. Кроме того, в состав желудочного сока входят хлористо-водородная кислота (НС1), придающая соку кислую реакцию (0,9–1,5), и слизь (мукополисахариды), предохраняющая стенку желудка от самопереваривания.
Почти полное освобождение желудка происходит через 2–3 часа после приема пищи. При этом он начинает сокращаться в режиме 3 раза в минуту (продолжительность сокращений от 2 до 20 секунд). Желудок ежедневно выделяет 1,5 л желудочного сока.
Пищеварение в 12-перстной кишке отличается еще большей сложностью ввиду того, что туда поступают три пищеварительных сока – желчь, поджелудочный сок и собственный кишечный сок. В 12-перстной кишке химус подвергается действию ферментов, гидролизирующих и жиры, и углеводы, и белки, а также нуклеиновые кислоты; рН при этом составляет 7,5–8,5. Наиболее активны ферменты поджелудочного сока. Желчь облегчает переваривание жиров, превращая их в эмульсию. В 12-перстной кишке подвергаются дальнейшему расщеплению углеводы.
В тонком кишечнике (тощая и подвздошная кишка) сочетаются три взаимосвязанных процесса – полостное (внеклеточное) пищеварение, пристеночное (мембранное) и всасывание. Вместе они представляют собой этапы пищеварительно-транспортного конвейера. Химус продвигается по тонкой кишке со скоростью 2,5 см в минуту и переваривается в ней за 5–6 часов. Кишка сокращается 13 раз в минуту, что способствует перемешиванию и расщеплению пищи. Клетки кишечного эпителия покрыты микроворсинками, представляющими собой выросты высотой 1–2 мкм. Количество их огромно – от 50 до 200 млн. на 1 мм2 поверхности кишечника. Общая площадь кишечника за счет этого возрастает до 400 м2. В порах между микроворсинками адсорбированы ферменты.
В кишечном соке содержится полный набор ферментов, расщепляющих белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. Эти ферменты осуществляют пристеночное пищеварение. Через микроворсинки происходит и всасывание простых молекул этих веществ в кровь и в лимфу. Так, белки всасываются в кровь в виде аминокислот, углеводы – в виде глюкозы и других моносахаров, а жиры – в виде глицерина и жирных кислот в лимфу и частично в кровь.
Процесс пищеварения заканчивается в толстом кишечнике. Железы толстого кишечника секретируют слизь. В толстом кишечнике благодаря населяющим его бактериям происходит брожение клетчатки и гниение белков. При гниении белков образуется ряд ядовитых продуктов, которые, всасываясь в кровь, обеззараживаются в печени.
Печень выполняет барьерную (защитную) функцию, синтезируя из ядовитых веществ безвредные для организма вещества. В толстом кишечнике завершается активное всасывание воды и формирование каловых масс. Микрофлора (бактерии) толстого кишечника осуществляет биосинтез некоторых биологически активных веществ (например, витаминов группы В и К).
7. Обмен веществ и энергии
Французский ученый Клод Бернар установил, что живой организм и среда – это единая система, т.е. между ними происходит непрерывный обмен веществами и энергией. Энергия необходима организму для поддержания всех его жизненно важных функций. Единицы измерения энергии – это калория или джоуль. Откуда же берется в организме энергия? Она выделяется за счет окисления сложных органических соединений, т.е. белков, жиров и углеводов. Накопление энергии происходит в основном за счет АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). Поэтому АТФ – это универсальный источник энергии в организме человека. Высвобождение энергии происходит за счет гидролиза АТФ, когда разрывается химическая связь концевой фосфатной группы и высвобождается энергия. Часть этой энергии выделяется в виде теплоты. Так, например, при сокращении мышц около 80% энергии теряется в виде тепла и только 20% превращается в механическую работу.
Перейдем к вопросу об обмене веществ в организме человека, или метаболизму. Процессы метаболизма разделяются на две группы: анаболические и катаболические.
Анаболизм – это процессы биосинтеза органических веществ. Анаболизм обеспечивает рост, развитие организма, обновление его структур и накопление энергии.
Катаболизм – это процессы расщепления сложных молекул до простых веществ с образованием энергии в виде АТФ. Эти процессы находятся в организме человека в состоянии равновесия или же преобладания одного над другим. Потребность организма в пластических веществах удовлетворяется путем потребления их с пищей.
Рассмотрим отдельно особенности белкового, углеводного и жирового обмена.
Обмен белков. Белки – это вещества, в состав которых входят аминокислоты (20). В состав белков входит также азот. Функции белков – пластическая (строительная), энергетическая. Так, при сгорании 1 г белка в организме высвобождается 4,1 ккал энергии. В сутки человек должен потреблять не менее 85–90 г. белка (это белковый оптимум).
Обмен жиров (липидов). Жиры – это эфиры высших жирных кислот и глицерина. Их функции: энергетическая, пластическая, а также участие в теплообмене. Так, при сгорании в организме 1 г жира высвобождается 9,3 ккал энергии. В сутки потребность в жирах составляет от 80 до 100 г. Жиры могут запасаться в организме в подкожной жировой клетчатке, в оболочках вокруг внутренних органов и т.д.
Обмен углеводов. Углеводы можно условно разделить на три класса соединений: моносахара (например, глюкоза); дисахара (например, мальтоза); полисахара (например, крахмал). Это вещества, сладкие на вкус, хорошо растворимые в воде. Они выполняют энергетическую и пластическую функции, а также входят в состав нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) и АТФ. Потребность в углеводах составляет в сутки 350–450 г. Углеводы могут запасаться в организме человека в виде животного крахмала – гликогена – в печени и в скелетных мышцах.
Таким образом, соотношение в пищевом рационе основных питательных веществ составляет 1:1:4 (белков: жиров: углеводов). При составлении пищевых рационов кроме этого правила учитываются энергозатраты человека за 1 сутки, зависящие от характера выполняемой им работы.
В состав пищи входят также вода, неорганические (минеральные) вещества и витамины. Витамины – это особая группа веществ, не синтезируемых вовсе или синтезируемых в малых количествах в организме человека. Однако эти различные по своей химической природе вещества необходимы для нормального обмена веществ, роста, развития человека, поддержания его здоровья. Все витамины можно подразделить на водо- и жирорастворимые. К первой группе относят витамин С, витамины группы В. Они содержатся в основном в продуктах растительного происхождения (овощах, фруктах). Источником жирорастворимых витаминов (А, Д, Е и К) является пища животного происхождения (молоко, яйца, мясо, печенье и т.д.). Некоторые витамины синтезируются микрофлорой кишечника (витамин К, В6). При полном отсутствии витаминов в пище возникают авитаминозы, которые могут сопровождаться различными заболеваниями. В настоящее время мы чаще сталкиваемся (особенно в зимнее время) с гиповита-минозами – с недостаточным поступлением витаминов с пищей. Этот недостаток можно легко устранить приемом поливитаминов, содержащих весь комплекс витаминов и минеральные добавки.