Развитие органов дыхания и их функции в онтогенезе

Развитие легких у человеческого зародыша начинается на 3-й неделе эмбрионального существования. Между 5-й неделей и 4-м месяцем жизни зародыша формируются бронхи и бронхиолы, к моменту рождения количество легочных сегментов соответствует таковому у взрослого.

При внутриутробном развитии газообмен у плода происходит через плаценту и организм матери, легкие имеют плотную консистенцию и слабо развитую эластическую ткань. У плода регистрируются дыхательные движения в виде незначительного расширения грудной клетки, при этом легкие не расправляются, возникает только небольшое отрицательное давление в плевральной щели. Дыхательные движения плода способствуют лучшей циркуляции крови и улучшению кровоснабжения.

С первым вдохом новорожденного легкие расправляются и устанавливается ритмичное дыхание, частота которого колеблется от 40 до 60 в минуту. Механизм первого вдоха связан с действием на нервные клетки дыхательного центра углекислого газа, растворенного в крови. При рождении ребенка его концентрация повышается вследствие нарушения плацентарного кровообращения. Накапливающийся в крови углекислый газ действует на нервные клетки дыхательного центра непосредственно и рефлекторно через рецепторы кровеносных сосудов. В результате активизируется дыхательный центр и включается механизм дыхания — первый вдох, проявляющийся как первый крик новорожденного. В возникновении первого вдоха помимо главного фактора, возбуждающего дыхательный центр, — изменения газового состава крови — немаловажную роль играет изменение условий существования новорожденного: механическое раздражение кожи при прикосновении рук акушера, более низкая температура среды, потери воды через кожу и слизистые на воздухе и др.

Строение органов дыхания в первые годы жизни имеет свои специфические особенности. Нос меньше и короче, носовые ходы уже, особенно у детей грудного возраста, слизистая оболочка богата кровеносными сосудами — все это приводит к легкому возникновению отека и нарушению носового дыхания. Глотка у детей раннего возраста узкая, а слуховая евстахиева труба короткая и широкая. Ее отверстие расположено ниже и ближе к носовым ходам, чем у старших детей и взрослых, поэтому проникновение инфекции из носоглотки в слуховую трубу происходит очень легко. Придаточные пазухи носа у новорожденного практически отсутствуют, их развитие происходит в первые годы жизни. Гортань у детей первого года жизни имеет воронкообразную форму, она относительно длиннее, чем у более старших детей, ее слизистая оболочка и голосовые связки нежны, богаты кровеносными сосудами и лимфоидной тканью. Такое строение является причиной частого развития отека гортани (крупа) в этом возрасте. На втором году жизни форма гортани постепенно меняется, но остальные особенности сохраняются на всем протяжении периода раннего детства. Все особенности анатомического строения гортани присущи и трахее. Здесь также легко развиваются воспалительные процессы и велика опасность отека. Бронхи у детей узкие, хрящи мягкие и податливые. Слизистая оболочка сухая, но богата кровеносными сосудами, что способствует развитию воспалительных явлений и отека. Легкие в раннем возрасте богаты соединительной тканью, обильно снабжены кровеносными сосудами; капилляры и лимфатические сосуды широкие, эластическая ткань развита слабо; менее воздушны и эластичны. Плевра в грудном возрасте тонкая, плевральная полость легко растяжима. Диафрагма расположена относительно выше, чем у взрослого, сокращение ее более слабое.

Грудная клетка у грудного ребенка выпуклая, относительно короткая; ребра расположены горизонтально и под прямым углом к позвоночнику. На втором году жизни в связи с освоением ходьбы форма грудной клетки и положение ребер интенсивно изменяются, они переходят из горизонтального в косое положение. Эти изменения облегчают дыхательные движения и вентиляцию легких.

Дыхательная мускулатура у детей раннего и дошкольного возраста развита слабо. Упругость легочной ткани выше, а растяжимость ниже, чем у взрослых и детей школьного возраста; относительно малый диаметр бронхов создает в дыхательных путях дополнительное сопротивление. Таким образом, чем младше ребенок, тем большую работу должны выполнить его дыхательные мышцы для обеспечения вентиляции легких.

Повышенный обмен веществ у детей обусловливает высокую потребность в кислороде, между тем особенности легких и грудной клетки во многом ограничивают глубину дыхания. Интенсивность газового обмена обеспечивается увеличением частоты дыхания, частое и поверхностное дыхание младенца ухудшает использование кислорода и затрудняет выделение углекислоты.

Формирование механизмов регуляции дыхания к моменту рождения ребенка еще не завершено, поэтому он хуже обеспечивает ритмическую смену фаз вдоха и выдоха. Подтверждением этого является большая изменчивость частоты, глубины и ритма дыхания младенца. Ритм дыхания у детей раннего возраста легко нарушается под влиянием внешних факторов — практически на все стрессовые воздействия и заболевания ребенок младшего возраста реагирует одышкой (учащением дыхания). Возбудимость дыхательного центра у грудных детей также снижена.

Основной структурной единицей легкого у ребенка, как и у взрослого, является ацинус. У новорожденных ацинус слабо дифференцирован, его формирование происходит еще долгое время после рождения. Так, например, у новорожденного число альвеол 24 млн, а их диаметр — 0,05 мм, что в 12 раз и соответственно в 4 раза меньше, чем у взрослых.

Легкие ребенка бедны эластическими волокнами, особенно в окружности альвеол и в стенках легочных капилляров, между дольками легких и альвеолами обильно развита рыхлая соединительная ткань, богатая кровеносными сосудами. До 3 лет происходит усиленная дифференцировка отдельных элементов легких, от 3 до 7 лег ее темп замедляется, к 7−8 годам заканчиваются процессы формирования бронхов.

Усиленный рост и совершенствование органов дыхания наблюдается в пубертатном периоде. В течение этого возрастного периода носовые ходы, гортань, трахея и общая поверхность легких достигают максимального развития. Увеличивается просвет трахеи и бронхов, развиваются их мышечные и эластические волокна, увеличивается объем легких за счет увеличения размера альвеол (их количество достигает уровня взрослого к 8 годам, но объем легких и поверхность альвеол в начале пубертатного периода значительно меньше, чем у взрослых).

В подростковом и юношеском возрасте продолжается развитие легких, жизненная емкость приближается к уровню таковой у взрослых. Увеличиваются длина и диаметр трахеи и бронхов. Под действием мужского полового гормона — тестостерона — существенно изменяется строение гортани у мальчиков (развивается система гортанных хрящей и голосовых связок). Происходит мутация голоса — он становится низким. В 16−18 лет между системой дыхания и другими системами жизнеобеспечения устанавливается скоординированное взаимодействие.

С возрастом происходит формирование функциональной деятельности дыхательного центра, меняется его чувствительность к содержанию кислорода, достигая в школьном возрасте примерно уровня взрослого. Уже к 11 годам полноценной становится возможность непроизвольного приспособления дыхания к различным условиям жизнедеятельности. Однако в период полового созревания в организме подростков происходят временные нарушения регуляции дыхания, отмечается меньшая, чем у взрослого человека, устойчивость к гипоксии.

В процессе онтогенеза большую роль в функциональном совершенствовании регуляции дыхания играет развитие двигательного анализатора. По мере роста и развития ребенка и подростка развивается опорно-двигательный аппарат и двигательные реакции, совершенствуются проприорецептивные механизмы, становится более тонким анализ информации, поступающей в головной мозг от проприорецепторов мышц и сухожилий, совершенствуется взаимосвязь двигательного и дыхательного центров головного мозга, оптимизируется обеспечение кислородом двигательной активности организма. Скоординированное взаимодействие между системой дыхания и другими системами жизнеобеспечения устанавливается к 16−18 годам.

С возрастом дыхание все лучше поддается управлению, появляется возможность произвольно изменять дыхание (прекратить или усилить дыхательные движения, обеспечивающие вентиляцию легких). Такая регуляция осуществляется через кору больших полушарий головного мозга, связана с развитием второй сигнальной системы и проявляется с развитием речи.

У ребенка первого года жизни в связи со слабостью межреберных мышц дыхание осуществляется преимущественно за счет движения диафрагмы (брюшной тип дыхания). В период с 1 года до 3 лет по мере роста грудной клетки и развития межреберных мышц дыхание становится грудобрюшным, частота его уменьшается до 35−40 циклов в минуту. В возрасте 5−6 лет она составляет около 25 дыхательных движений в минуту, в 10 лет — 18−20, у взрослых — 15−16, а отношение частоты дыхания к частоте пульса у новорожденных — 1: 2,5−3, у детей 6−7 лет — 1: 3,5−4, у взрослых -1:4.

В возрасте 6−7 лет происходит интенсивный рост ребер и изменяется их положение. Более длинные ребра меняют форму грудной клетки — ее передняя часть опускается вниз. Межреберные мышцы начинают играть ведущую роль в организации вдоха и выдоха. Резервный объем заметно увеличивается, что создает благоприятные условия для работы легких, особенно при физической нагрузке. В младшем школьном возрасте происходит дальнейшее увеличение дыхательных объемов, что расширяет возможности организма в условиях физической нагрузки и адаптации.

В 7−8 лет начинают проявляться, а к 14−17 годам окончательно формируются половые различия в типе дыхания: у мальчиков преобладает брюшной тип дыхания, а у девочек — грудной. В дальнейшем тип дыхания может меняться в зависимости от спортивной деятельности.

Возрастные изменения показателей дыхания имеют большое значение для оценки физиологического состояния организма, его адаптивных возможностей. Такими показателями являются объем дыхательного воздуха (количество воздуха, вдыхаемого и выдыхаемого за одно дыхательное движение), минутный объем дыхания (количество воздуха, которое вдыхает человек в 1 минуту), максимальная произвольная вентиляция легких (максимальный объем воздуха, который человек может вдохнуть и выдохнуть за 15 с). По мере роста и развития организма эти показатели претерпевают значительные изменения. Объем дыхательного воздуха (ДО) у ребенка в 1 месяц составляет 30 мл, в 1 год — 70, в 6 лет — 156, в 10 — 230, в 14 лет — 300 мл и лишь к 16−17 годам достигает величины взрослого человека. Минутный объем дыхания (МОД) у новорожденного составляет 650−700 мл, к концу первого жизни — 2700, к 6 годам — 3500, у взрослого человека — 5000−6000 мл. Значение максимальной произвольной вентиляции легких (МПВ) с возрастом увеличивается, достигая к 16−17 годам уровня взрослого человека. Примерно с 11 лет прирост МПВ у девочек начинает отставать от такового у мальчиков. МПВ у дошкольников в 10 раз больше, чем МОД; в пубертатном периоде в 13 раз; в среднем у взрослого — в 20−25 раз. Это показывает, что в процессе роста и развития организма резервы внешнего дыхания увеличиваются. Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) — максимальный объем воздуха, выдыхаемый после самого глубокого вдоха, — доступна измерению с 4−6 лет. В значительной степени она зависит от физического развития, возраста, пола и др. С возрастом ЖЕЛ увеличивается, причем наибольший прирост отмечается в 12−17 лет (период полового созревания), достигая к 17 годам величины для взрослого человека.

Изменение кислородных режимов с возрастом

Под кислородным режимом дыхания понимается скорость и эффективность поглощения организмом кислорода из вдыхаемого воздуха. Общая тенденция повышения эффективности кислородных режимов организма в процессе роста и развития обусловлена тем, что функции дыхания и кровообращения становятся с возрастом более экономными, а регуляция этих систем более совершенной. Например, ребенку дошкольного возраста для потребления одного литра кислорода необходимо прохождение через легкие 29−30 л воздуха, подростку — 32−34, взрослому — всего 24−25 л. Для доставки тканям 1 л кислорода у ребенка и подростка необходимо участие в газообмене 21−22 л крови, у взрослого — 15−16 л.

Одной из лучших моделей для выявления функциональных возможностей внешнего дыхания и всей системы газообмена является физическая нагрузка (выполнение определенных физических упражнений). У детей и подростков при мышечной работе потребление кислорода не может возрастать до таких значений, как у взрослых, у них также ниже ресурс увеличения легочной вентиляции и кровотока. Например, во время физической нагрузки легочная вентиляция у детей и подростков возрастает всего в 10−12 раз (8−9 лет — до 50−60 л/мин; 14−15 лет — до 60−70 л/мин), тогда как у нетренированных взрослых МОД достигает 100 л/мин.

Увеличение легочной вентиляции у детей при нагрузке осуществляется в основном за счет учащения дыхания, а не за счет увеличения дыхательного объема вдоха и выдоха. Возможности более интенсивного усвоения кислорода из воздуха при повышении нагрузки также невелики: при физической нагрузке коэффициент утилизации кислорода у детей 5−6 лет увеличивается примерно в 2 раза, а у взрослых в 3 раза.

В связи с небольшим размером сердца, меньшей мощностью сердечной мышцы систолический объем крови у детей и подростков при напряженной мышечной деятельности не может увеличиваться так, как у взрослых. Поэтому для усиления транспорта кислорода к тканям организма используется такой менее эргономичный способ активизации кровообращения, как учащение сердцебиения.

Использование тканями кислорода из артериальной крови у детей составляет примерно 50%, тогда как у взрослых — 70% (у спортсменов высокого класса достигает 85−90%). Относительно небольшая кислородная емкость крови, меньшая утилизация из нее кислорода приводит к тому, что у детей и подростков при физической нагрузке эффективность кровообращения не столь высока, как у взрослых. Более низкие эффективность и экономичность кислородных режимов свидетельствуют о менее совершенном регулировании их в организме ребенка во время мышечной работы.

Обобщая возрастные особенности дыхательной системы, следует еще раз подчеркнуть, что органы дыхания у детей и подростков еще не полностью адаптированы к изменяющимся внешним условиям и уязвимы для различных вредоносных факторов. В то же время потребность ребенка в интенсивном газообмене приводит к значительной нагрузке на них. Поэтому гигиена органов дыхания и предупреждение заболеваний дыхательных путей очень важны для благополучного роста и развития ребенка.