Sistemul respirator

Sistemul respirator este ansamblul de organe care asigură schimbul de gaze dintre organism și mediul extern: aprovizionarea celulelor cu oxigen (O₂) și eliminarea dioxidului de carbon (CO₂) rezultat din metabolismul celular. Fără oxigen, celulele nu pot obține prin respirația celulară aerobă energia necesară funcționării lor.

Componentele sistemului respirator

Sistemul respirator este format din căile respiratorii, care conduc aerul, și plămâni, unde are loc schimbul de gaze.

Căile respiratorii superioare

Cavitatea nazală

Cavitatea nazală este prima porțiune a căilor respiratorii și pregătește aerul inspirat:

• Încălzirea aerului, datorită vascularizației bogate a mucoasei nazale
• Umezirea aerului, prin mucusul secretat de celulele caliciforme
• Filtrarea aerului: firele de păr (vibrisele) și mucusul rețin particulele de praf și microorganismele
• Olfacția: în partea superioară a cavității nazale se află mucoasa olfactivă, cu receptorii mirosului

Cavitatea nazală este împărțită de septul nazal în două fose nazale, iar pe pereții laterali are cornetele nazale (inferior, mijlociu și superior), care măresc suprafața mucoasei.

Faringele

Faringele este un segment comun căilor respiratorii și digestive. Are trei etaje: nazofaringele (în spatele cavității nazale), orofaringele (în spatele cavității bucale) și laringofaringele. În nazofaringe se află amigdala faringiană, care, mărită, formează vegetațiile adenoide; ea face parte din sistemul de apărare al organismului.

Laringele

Laringele este situat între faringe și trahee și conține corzile vocale, două pliuri ale mucoasei care vibrează la trecerea aerului și produc sunetele (fonația). Scheletul laringelui este format din cartilaje (tiroid, cricoid, aritenoide, epiglotic) unite prin ligamente și mușchi. Epiglota, cu schelet de cartilaj elastic, acoperă intrarea în laringe în timpul deglutiției și împiedică pătrunderea alimentelor în căile respiratorii.

Căile respiratorii inferioare

Traheea

Traheea este un tub lung de aproximativ 10–12 cm, cu un diametru de aproximativ 2 cm, situat înaintea esofagului. Peretele ei conține 16–20 de inele cartilaginoase incomplete, în formă de potcoavă (deschise posterior), care mențin permanent deschis lumenul. Mucoasa traheei este căptușită cu un epiteliu pseudostratificat ciliat, cu celule caliciforme: cilii bat ritmic spre faringe și deplasează mucusul, împreună cu particulele reținute, spre exterior.

Bronhiile

În dreptul vertebrelor toracice T4–T5, traheea se bifurcă în bronhia principală dreaptă și bronhia principală stângă. Bronhia dreaptă este mai scurtă, mai largă și mai verticală decât cea stângă, de aceea corpurile străine aspirate ajung mai des în plămânul drept.

Bronhiile principale se ramifică succesiv în:

• Bronhii lobare: câte una pentru fiecare lob pulmonar (trei în dreapta, două în stânga)
• Bronhii segmentare
• Bronhiole: ramificații din ce în ce mai fine, fără cartilaj în perete
• Bronhiole terminale: ultimele ramificații ale căilor de conducere
• Bronhiole respiratorii: primele ramificații la nivelul cărora începe schimbul de gaze

Alveolele pulmonare

Alveolele pulmonare sunt mici săculeți cu pereți foarte subțiri (0,1–0,5 μm), grupați în saci alveolari. Cei doi plămâni conțin aproximativ 300–500 de milioane de alveole, cu o suprafață totală de schimb de aproximativ 70–100 m².

Peretele alveolar este format din:

• Pneumocite de tip I: celule epiteliale turtite, prin care difuzează gazele
• Pneumocite de tip II: celule care secretă surfactantul pulmonar, o substanță care reduce tensiunea superficială și împiedică turtirea alveolelor în expirație
• Peretele alveolar este înconjurat de o rețea densă de capilare pulmonare

Plămânii

Plămânii sunt două organe spongioase și elastice, situate în cavitatea toracică, de o parte și de alta a mediastinului. Plămânul drept are trei lobi (superior, mijlociu, inferior), iar plămânul stâng are doi lobi (superior și inferior) și este mai mic, deoarece inima este deplasată spre stânga.

Fiecare plămân este învelit de pleură, o membrană seroasă cu două foițe:

• Pleura viscerală, aderentă la suprafața plămânului
• Pleura parietală, care căptușește peretele toracic și diafragma
• Între cele două foițe se află cavitatea pleurală, un spațiu virtual cu foarte puțin lichid pleural, care reduce frecarea în timpul mișcărilor respiratorii; presiunea din ea este mai mică decât cea atmosferică, ceea ce menține plămânii lipiți de peretele toracic

Mecanica respiratorie

Inspirația

Inspirația este un proces activ, produs prin contracția mușchilor inspiratori:

• Diafragma, principalul mușchi inspirator, se contractă și coboară, mărind diametrul vertical al cutiei toracice
• Mușchii intercostali externi se contractă și ridică coastele, mărind diametrele anteroposterior și transversal
• Volumul cutiei toracice crește, plămânii, solidari cu peretele toracic prin pleure, se destind, presiunea aerului din plămâni scade sub presiunea atmosferică, iar aerul intră în plămâni

Expirația

Expirația de repaus este un proces pasiv:

• Diafragma și mușchii intercostali externi se relaxează
• Revenirea elastică a plămânilor și a peretelui toracic micșorează volumul cutiei toracice
• Presiunea aerului din plămâni crește peste presiunea atmosferică, iar aerul iese din plămâni

Expirația forțată este activă: se contractă mușchii intercostali interni și mușchii abdominali.

Schimbul de gaze

Schimbul de gaze pulmonar (hematoza)

În plămâni, gazele trec prin difuziune, un proces pasiv, de la presiune parțială mare la presiune parțială mică:

• Oxigenul difuzează din aerul alveolar (pO₂ ≈ 100 mmHg) în sângele din capilarele pulmonare (pO₂ ≈ 40 mmHg)
• Dioxidul de carbon difuzează din sângele din capilarele pulmonare (pCO₂ ≈ 46 mmHg) în aerul alveolar (pCO₂ ≈ 40 mmHg)

Membrana alveolo-capilară este formată din epiteliul alveolar, membranele bazale alipite și endoteliul capilar; are o grosime de doar aproximativ 0,5 μm, ceea ce permite difuziunea rapidă a gazelor.

Schimbul de gaze tisular

La nivelul țesuturilor, diferențele de presiune parțială sunt inversate:

• Oxigenul difuzează din sângele arterial (pO₂ ≈ 100 mmHg) în celule (pO₂ ≈ 40 mmHg sau mai puțin)
• Dioxidul de carbon difuzează din celule (pCO₂ ≈ 46 mmHg) în sângele din capilarele tisulare (pCO₂ ≈ 40 mmHg)

Transportul gazelor în sânge

Transportul oxigenului:

• Aproximativ 98,5% din O₂ este transportat legat de hemoglobina (Hb) din hematii, sub formă de oxihemoglobină (HbO₂), o combinație instabilă
• Aproximativ 1,5% este dizolvat în plasmă

Transportul dioxidului de carbon:

• Aproximativ 70% este transportat sub formă de ioni bicarbonat (HCO₃⁻) în plasmă
• Aproximativ 23% este legat de hemoglobină, sub formă de carbaminohemoglobină
• Aproximativ 7% este dizolvat în plasmă

Volumele și capacitățile respiratorii

• Volumul curent (VC): aerul inspirat și expirat într-o respirație obișnuită, de repaus (aproximativ 500 ml)
• Volumul inspirator de rezervă (VIR): aerul care mai poate fi inspirat forțat după o inspirație obișnuită (aproximativ 1500 ml)
• Volumul expirator de rezervă (VER): aerul care mai poate fi expirat forțat după o expirație obișnuită (aproximativ 1500 ml)
• Volumul rezidual (VR): aerul care rămâne în plămâni și după o expirație forțată maximă (aproximativ 1500 ml); nu poate fi măsurat prin spirometrie simplă
• Capacitatea vitală (CV): volumul maxim de aer care poate fi expirat după o inspirație maximă (CV = VC + VIR + VER ≈ 3500 ml); este mai mare la sportivi
• Capacitatea pulmonară totală (CPT): volumul de aer din plămâni după o inspirație maximă (CPT = CV + VR ≈ 5000 ml)

Volumele și capacitățile respiratorii se măsoară cu spirometrul, iar înregistrarea grafică obținută se numește spirogramă. Valorile de mai sus sunt valorile medii folosite în manualele de liceu; la o persoană anume ele variază cu vârsta, sexul, înălțimea și antrenamentul.

Reglarea respirației

Această secțiune depășește cerințele programei de bacalaureat, dar ajută la înțelegerea adaptării respirației la efort. Ritmul respirator este generat de centrii respiratori din bulb și punte:

• Centrul inspirator (bulbar) generează ritmul respirator de bază
• Centrul expirator (bulbar) intervine mai ales în expirația forțată
• Centrul pneumotaxic (din punte) reglează frecvența și amplitudinea respirației

Factori chimici care influențează respirația:

• Creșterea pCO₂ în sânge (hipercapnia) este cel mai puternic stimul al ventilației; acționează mai ales prin chemoreceptorii centrali din bulb
• Scăderea pH-ului sângelui (acidoza) stimulează respirația
• Scăderea pO₂ (hipoxia) stimulează respirația prin chemoreceptorii periferici (corpusculii carotidieni și aortici)

Relevanța pentru Bacalaureat

Sistemul respirator face parte din programa „Anatomie și fiziologie umană, genetică și ecologie umană” (clasa a XI-a). La examen trebuie să cunoști componentele căilor respiratorii și ale plămânilor, mecanismul inspirației și al expirației, schimbul de gaze la nivel pulmonar și tisular, transportul gazelor în sânge și volumele respiratorii. Problemele cer adesea calcularea capacității vitale sau a capacității pulmonare totale din volumele date, așa că memorează relațiile CV = VC + VIR + VER și CPT = CV + VR.