Кардиореспираторная система человека: основные функции и показатели

О здоровье человека ничто не свидетельствует более достоверно, чем показатели кардиореспираторной системы. Как несложно догадаться исходя из названия, речь пойдет о взаимосвязи систем кровообращения и дыхания в нашем организме, их функциях и предназначении.

Какую роль выполняет

Даже минимальные физические нагрузки невозможны без механизма слаженной транспортировки кислорода к сердцу и головному мозгу. При подозрении на сердечно-сосудистые заболевания пациента направляют на диагностические процедуры, по результатам которых можно будет получить объективное представление о состоянии кардиореспираторной системы. Специфические изменения в ней приводят к сбою в работе всего организма. По некоторым данным, число людей, страдающих болезнями сердца, сосудов и легких, в России составляет почти 20 млн человек, из них более миллиона – дети, не достигшие 15 лет.

Распространенность патологий сердечно-сосудистой системы обязывает современное общество к необходимости изучения их патогенеза и этиологии, поэтому оценка аэробной мощности организма является обязательной процедурой. Кардиореспираторная система представляет собой комплекс, состоящий из двух различных, но в то же время взаимосвязанных систем. Чтобы понимать, как протекают главные процессы жизнедеятельности организма, рассмотрим структуру и принцип работы каждой из них.

Сердечно-сосудистая система

Благодаря ее постоянной и бесперебойной работе обеспечивается циркуляция крови по организму. В структуре сердечно-сосудистой системы основными элементами является сердце – своеобразный насос, перекачивающий кровь, и кровеносные сосуды – полые трубки, по которым транспортируется кровь. Помимо крови, имеет значение и ток лимфы, которую условно считают частью сосудистой системы.

От состояния кардиореспираторной системы зависит питание каждой клетки кислородом и протекание обменных процессов. Взаимодействуя с внутренними системами организма, сердце и сосуды незамедлительно реагируют на любые изменения условий внутренней среды для обеспечения максимальной эффективности их работы.

Даже во время сна и отдыха кардиореспираторная система не прекращает работать, продолжая удовлетворять потребности тканей в получении кислорода. Сердце, кровеносные сосуды и легкие имеют разноплановое предназначение. Зачем нужна кардиореспираторная система? Она выполняет следующие функции:

• обменную;
• выделительную;
• гомеостатическую;
• транспортную;
• защитную.

Сердечно-сосудистая система доставляет кислород и питательные вещества к каждой клетке организма, выводя из нее диоксид углерода и конечные продукты метаболизма. Кровь, движущаяся по артериям, венам и капиллярам, доставляет гормоны из эндокринных желез к их конечным рецепторам, участвует в поддержании стабильного температурного режима и контролирует pH организма. Именно сердечно-сосудистая система помогает предотвратить обезвоживание и инфекционные заболевания.

Как протекает кардиореспираторный процесс

Множество трудов ученых посвящено изучению методов исследования состояния кардиореспираторной системы. Самостоятельную работу проводят также студенты соответствующего профиля медицинских вузов. Все эти наработки имеют огромное значение. Благодаря научно-исследовательской работе стало известно, что представляет собой кардиореспираторная система и какие процессы в ней происходят.

Сердце человека состоит из двух предсердий, которые выполняют роль принимающих камер, и двух желудочков, перекачивающих кровь. Сердце как насос способствует безостановочной циркуляции крови по крупным и мелким сосудам, которые являются структурой системы кровообращения. Текущая в капиллярах кровь не только транспортирует кислород и питательные вещества к внутренним органам и тканям, но и собирает продукты их метаболизма. С ними она возвращается обратно к сердцу. Такая кровь называется дезоксигенированной.

Жидкая ткань поступает в правое предсердие через верхнюю и нижнюю полые вены. Из правого предсердия кровь отправляется в правый желудочек, где она перекачивается через раскрытый клапан в легочные артерии, а оттуда напрямую в правое и левое легкое. Правая часть сердца отвечает за легочную часть кровообращения, поэтому посылает в органы дыхания кровь, прошедшую по всему организму, для ее последующей реоксигенации. Как только легкие наполняются кислородом, обогащенная кровь уходит через легочные вены и возвращается в левое предсердие. Сюда поступает оксигенированная кровь, которая снабжает кислородом все ткани и органы, вытекая из раскрытого атриовентрикулярного левого митрального клапана в левый желудочек и аорту, а затем ко всем тканям организма.

Естественная вентиляция легких – что это такое?

Процесс перемещения воздуха в легкие и обратно называется дыханием. Анатомическая вентиляция обеспечивается двумя этапами – вдохом и выдохом. В легкие воздух поступает через нос; рот используется в том случае, когда потребность в воздухе превышает количество, которое может попасть в легкие через нос. Причем правильнее и полезнее дышать именно через нос, поскольку воздух, который проходит через носовую раковину, согревается и очищается от пыли, аллергенов, вирусов и бактерий, которые задерживаются ресничным эпителием и слизистой оболочкой носоглотки. Дыхание ртом не обеспечивает такой же тщательной фильтрации поступающей в организм воздушной смеси, что повышает вероятность развития респираторных инфекций.

Самым маленьким элементом кардиореспираторной системы человека является легочная альвеола – часть легких, в которых происходит газообмен. Альвеолы – это многочисленные респираторные единицы. Из носа и рта воздух продвигается к ним по глотке, гортани, трахее, бронхам и бронхиолам.

Легкие не имеют прикрепления к ребрам. Дыхательные органы как будто подвешены за счет плевральной полости, окутывающей легкие. В них содержится тонкий слой плевральной жидкости, необходимой для устранения трения при дыхательных движениях. К тому же плевральные полости соединены не только с легкими, но и внутренней поверхностью грудной клетки.

Что происходит при физической нагрузке

Потребность мышц в кислороде возрастает внезапно при увеличении активности, на фоне которого требуется больших расход питательных веществ. Помимо этого, происходит ускорение метаболических процессов, которое приводит к увеличению количества продуктов распада. Продолжительная физическая нагрузка провоцирует повышение температуры тела, уровня концентрации ионов водорода в мягких тканях и крови, снижение кислотности внутренней среды.

Регуляция дыхания играет огромную роль при увеличении физической нагрузки. Чаще всего изменения уровня мышечной активности негативно сказывается на состоянии кардиореспираторной системы. Одно из распространенных явлений – одышка, которую испытывают люди, не имеющие должной физической подготовки. Повышенные нагрузки приводят к резкому увеличению концентрации артериального диоксида углерода и уровня ионов Н+ в крови. Сигнал о данных изменениях поступает в дыхательный центр, в результате чего возрастает частота и глубина вентиляции.

Все указанные специфические изменения в кардиореспираторной системе помогают достичь главной цели, заключающейся в удовлетворении возросших физических потребностей и обеспечении максимальной эффективности ее функционирования.

Интенсивная работа легких

Чтобы обеспечить полноценную легочную вентиляцию и транспортировку газов, организм затрачивает много энергии. Преимущественная ее часть используется дыхательными мышцами в процессе вентиляции легких. Если человек неактивен, находится в состоянии покоя, от общего объема затраченной энергии всего 2 % утилизируют дыхательные мышцы. Если частота вдохов и выдохов увеличивается, возрастают и энергозатраты. При интенсивной физической работе дыхательная система может задействовать более 15 % энергии. Кислород требуется всем ее элементам: диафрагмальной перегородке, межреберным мышцам и брюшному прессу.

Процесс естественной вентиляции легких осуществляется при больших затратах энергии, но даже предельная физическая нагрузка не приводит к произвольному поступлению и выходу воздуха. Это – максимальная произвольная вентиляция. Бытует мнение, что именно легочная вентиляция является ограничивающим фактором при изнурительной физической нагрузке у спортсменов. Кардиореспираторная система, по мнению специалистов, работает на полную силу, что в итоге приводит к растрачиванию запасов гликогена и утомляемости дыхательных мышц. Данные изменения наблюдаются при продолжительных тренировках, многокилометровом забеге и т. д.

Ученые, проводившие опыты с крысами, пришли к выводу, что у недостаточно «натренированных» грызунов во время интенсивной физической активности снижался уровень гликогена в дыхательных мышцах. И несмотря на то что в мускулатуре задних конечностей он оставался практически неизменным, у испытуемого животного возникал кардиореспираторный синдром, для которого характерна тахикардия, сильная одышка, а в тяжелых случаях – отек легких.

Объем вдыхаемого воздуха во время физической активности может возрастать в несколько раз, причем сопротивление дыхательных путей остается таким же, как и характерное для состояния покоя вследствие расширения гортанной щели и бронхов. Кровь, поступающая в сердечно-сосудистое русло, не теряет степени насыщенности кислородом даже при максимальных усилиях. Таким образом, кардиореспираторная система в состоянии удовлетворить потребности в интенсивном дыхании как при непродолжительной, так и при долговременной физической активности.

При этом необходимо учитывать, что чрезмерное поглощение кислорода может привести к некоторым проблемам. К специфическим изменениям, происходящим в кардиореспираторной системе, могут привести аномально узкие дыхательные пути или нарушения их проходимости. Астма, например, провоцирует сужение бронхиол и отечность слизистой, что в итоге повышает силу сопротивления вентиляции и провоцирует одышку. Показателем, характеризующим максимальную производительность кардиореспираторной системы, является удовлетворительное состояние органов дыхания. Несмотря на то что взаимосвязь между физическими нагрузками и нарушением проходимости дыхательных путей установлена давным-давно, медики пока не могут определить точный механизм развития астматического приступа на фоне повышенной активности.

Пульс на руке: какое количество ударов считается нормой?

Частота сердечных сокращений – это самый простой и в то же время информативный показатель, который учитывается при проведении кардиореспираторного мониторинга. Как измерить частоту сердечных сокращений, знает каждый – необходимо нащупать пуль в области запястья или сонной артерии и посчитать количество ударов в минуту. На этих участках отражается объем работы, выполняемой сердцем для удовлетворения повышенных требований организма.

Разница показателей у человека, находящегося в состоянии покоя, и у человека во время кардиореспираторной нагрузки, очевидна. В среднем частота сердечных сокращений составляет порядка 60-80 ударов в минуту. Интересно, что у спортсменов кардиореспираторная система в состоянии покоя демонстрирует более скромные результаты. У них частота пульса может составлять 28-40 ударов, что считается нормой и объясняется высоким уровнем подготовки и выработанной за годы тренировок физической выносливостью. У людей, которые намного реже сталкиваются с интенсивными нагрузками на кардиореспираторную систему, частота сердечных сокращений может достигать 90-100 ударов в минуту.

С возрастом пульс понижается. Влиять на частоту сердечных сокращений способны внешние факторы (например, высокая температура, недостаток кислорода, повышенное атмосферное давление и др.). На фоне увеличения интенсивности работы пульс становится быстрее. Если уровень физической нагрузки находится под контролем (измерить его можно с помощью различных устройств), по специальной формуле можно высчитать и приблизительный объем потребляемого кислорода.

Определение интенсивности труда в показателях потребления кислорода является не только точным, но и наиболее подходящим при обследовании разных людей, или одного и того же человека, но при разных обстоятельствах. Максимальная частота пульса возрастает пропорционально увеличению интенсивности физического труда вплоть до переутомления. К слову, по мере достижения этого состояния частота сердечных сокращений постепенно стабилизируется.

Максимальный показатель пульса можно определить с учетом возраста, так как он по мере взросления человека становится ниже. Частота сердечных сокращений падает со скоростью 1 удар в год начиная с 10-15 лет. При этом стоит учитывать, что индивидуальные показатели могут существенно отличаться от усредненных значений.

Кровообращение во время физической нагрузки

Кардиореспираторная система представляет собой сложную структуру, в которой одна из главных ролей принадлежит кровообращению. Когда человек начинает заниматься физкультурой или трудиться, его кровоток распределяется иначе. Под влиянием симпатической нервной системы кровь выходит из тех сосудов, где ее наличие в данный момент необязательно, и направляется к мышцам, принимающим активное участие в работе. У человека, который пребывает в состоянии покоя, сердечный выброс крови в мускулах составляет всего 15-20 %, а при занятии спортом может достигать 85 %. Кровоснабжение мышечных тканей возрастает за счет снижения кровоснабжения органов брюшной полости.

В случае изменения температурного режима преимущественное количество крови направляется к кожным покровам. Об этом также заботится симпатическая нервная система. Цель перераспределения состоит в том, чтобы возместить тепло, которое выделяется во внешнюю среду, отправив его из глубины тела к периферии. При этом усиление кожного кровотока автоматически снижает интенсивность кровоснабжения мышечных тканей. Неудивительно, что характеристика кардиореспираторной системы у лиц, занимающихся спортом в жаркую погоду, демонстрирует недостаточно высокие результаты.

Задействованные в работе скелетные мышцы испытывают острую потребность в большем количестве кислорода, которую удовлетворяет ускоренное кровообращение благодаря симпатической стимуляции сосудов на тех участках, где кровоток временно ограничивается. Например, сосуды, ведущие к органам пищеварительной системы могут суживаться, после чего кровоток перенаправляется к мускулатуре, испытывающей потребность в большем объеме крови. Сосуды мышц расширяются, за счет чего происходит прилив крови. В процессе выполнения физической нагрузки возрастает темп метаболических реакций, протекающих в мышечных тканях, что приводит к накоплению продуктов обменного распада. Активный метаболизм является причиной увеличения кислотности и температуры в мышцах.

Функциональность миокарда

Медицинское название сердечной мышцы – миокард. Толщина стенок главного человеческого «мотора» зависит от того, какая нагрузка регулярно ложится на его камеры, из которых самой мощной является левый желудочек. Сокращаясь, она выкачивает кровь и посылает ее через всю систему кровообращения. Если человек не активен, а просто сидит или стоит, его миокард будет энергично сокращаться. Это позволяет справляться с действием земного притяжения, которое приводит к скоплению крови в нижних конечностях.

Если левый желудочек гипертрофирован, то есть толщина его мышечной стенки увеличена в сравнении с другими камерами сердца, это означает, что сердцу приходилось постоянно работать в условиях повышенной требовательности. При занятиях спортом или других интенсивных нагрузках, сопровождающихся усиленным дыханием, деятельность миокарда становится максимально активной. Если потребность мышц в крови увеличивается, возрастают и требования к левому желудочку, поэтому со временем он увеличивается в размере аналогично скелетным мышцам.

Координация сердечных сокращений зависит от подачи сигнала для выполнения сокращения. За реализацию данной функции отвечает проводящая система сердца. Миокард имеет уникальную способность: он способен производить электрический сигнал, позволяя мышце ритмично сокращаться без нервной или гормональной стимуляции. Врожденная частота сердечных сокращений составляет около 70-80 ударов.

Нарушения сердечной деятельности

К специфическим изменениям, происходящим в кардиореспираторной системе, относятся отклонения, возникающие в нормальной сердечной деятельности. Самое распространенное нарушение – это изменение сердечного ритма. Опасность таких расстройств неодинакова. Существует два типа аритмии – брадикардия и тахикардия. В первом случае речь идет о замедлении частоты сердечных сокращений, во втором – о возрастании данного показателя.

При брадикардии пульс обычно находится в пределах 60 ударов в минуту, а при тахикардии может превышать 100-120 ударов. На фоне данных расстройств изменяется и синусовый ритм. Миокард может работать удовлетворительно, от нормы отклоняется только его ритм, что влияет на кровообращение. Симптомы аритмии – это головокружение, тошнота, слабость и чувство усталости, разбитости, тревоги, тремор конечностей, полуобморочное состояние.

Другим видом аритмии, который встречается не менее часто, является мерцание и трепетание предсердий. При таких отклонениях пациенты ощущают дополнительные сокращения миокарда, которые возникают из-за импульсов, возникающих за пределами синоатриального узла. Трепетание предсердий, при котором они сокращаются с частотой 200-400 ударов в минуту – это опасные типы аритмии, при которых сердце практически не справляется со своей основной функцией и почти не перекачивает кровь.

Желудочковая пароксизмальная тахикардия – не менее серьезное нарушение, требующее срочного медицинского вмешательства. Данное нарушение представляет собой серьезную угрозу жизни больного. При желудочковой пароксизмальной тахикардии происходит три и более преждевременных сокращений желудочков, что может привести к мерцанию. В отличие от трепетания, мерцание не позволяет миокарду управлять процессом сокращения тканей желудочков. Сердце теряет способность перекачивать кровь. Мерцание желудочков часто приводит к смертельному исходу пациентов, страдающих хронической сердечной недостаточностью и другими заболеваниями.

Тяжелые формы аритмии являются прямым показанием к использованию дефибриллятора, с помощью которого удается вернуть удовлетворительный синусовый ритм. Меры неотложной терапии способствуют восстановлению дыхания и поддержанию жизнедеятельности. Занимаясь видами спорта, которые требуют выработки высокой кардиореспираторной выносливости, человек может обнаружить у себя низкую частоту пульса. В этом случае речь не идет о брадикардии. Тахикардией не считается повышение частоты сердечных сокращений во время активной мышечной работы. И брадикардия, и тахикардия обычно возникают у людей, находящихся в состоянии покоя.

Особенности кардиореспираторной системы у детей и подростков

Некоторые специалисты выделяют так называемый пубертатный период развития сердца, так как именно во время полового созревания в сердечно-сосудистой деятельности наблюдаются выраженные изменения. По сравнению с уровнем развития кардиореспираторной системой у детей 7-10 лет сердечно-сосудистый аппарат у подростков становится более функциональным и выносливым.

При этом сам процесс формирования сердца и сосудов отличается у представителей разного пола. У девочек масса миокарда увеличивается быстрее, но менее равномерно. В свою очередь, размеры сердца и аорты у мальчиков больше, чем у девочек. В период полового созревания происходят глубокие изменения в структуре сердечной мышцы, увеличивается диаметр волокна и ядра. Миокард растет быстро, а сосуды медленнее, из-за чего просвет артерий по отношению к размерам сердца становится меньше. Это изменение может приводить к нарушениям в кровообращении и повышению давления при физических нагрузках.

Частота сердечных сокращений является лабильным показателем, который меняется под воздействием внутренних и внешних факторов (повышение температуры воздуха, проявление эмоций, спортивные тренировки и др.). При этом пульс во время физической работы может увеличиться до 160-180 ударов в минуту, что приводит к увеличению объемов выталкиваемой крови. На кардиореспираторную систему ребенка действуют умственные нагрузки, что выражается учащением сердечного ритма, временным повышением артериального давления и неблагоприятными сдвигами в гемодинамике.

Не менее важным критерием функционирования дыхательной системы считается жизненная емкость легких – объем воздуха, которое человек выдыхает после глубокого вдоха. Резкий скачок в общих темпах роста и развития всего дыхательного аппарата, включая носовые ходы, гортань, трахею, общую поверхность легких, происходит в пубертатный период. У подростков объем легких в сравнении с легкими новорожденного увеличен в 10 раз, а у взрослых – в 20 раз.

Наиболее интенсивный рост легких отмечается в период с 12 до 16 лет, причем у юношей жизненная емкость легких больше, чем у девушек. В целом подростки имеют более высокие кардиореспираторные показатели, включая естественную вентиляцию легких, количество потребляемого кислорода, производительность системы кровообращения, чем у школьников младшего возраста.

В данной статье рассмотрены все элементы кардиореспираторной системы человека, ее особенности, включая адаптацию к физическим нагрузкам и повышение выносливости. Собираясь заниматься спортом, необходимо учитывать все нюансы работы своего организма и грамотно распределять нагрузки. Состояние кардиореспираторной системы – это важный индикатор здоровья.