Bài học

Cơ chế thông khí — hít vào và thở ra

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả đúng cơ chế hít vào và thở ra dựa trên hoạt động của cơ hoành và cơ liên sườn, và giải thích được vì sao hít vào là một quá trình chủ động còn thở ra bình thường lại chủ yếu là quá trình thụ động.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã biết đường dẫn khí đi từ mũi tới phế nang, gồm năm chặng dẫn khí và một chặng trao đổi khí (same-grade bridge). Bài này trả lời một câu hỏi khác: lực nào khiến không khí tự chảy theo đúng con đường đó — hay chính xác hơn, lực nào khiến không khí tự chảy vào rồi ra khỏi phổi, mà không cần một cái bơm nào bên trong cơ thể?

Khởi động

Khi em thổi phồng một quả bóng bay, em chủ động thổi khí vào. Nhưng khi em thở ra bình thường lúc đang ngồi yên, em có cảm thấy mình đang ép cơ nào để đẩy khí ra không, hay luồng khí tự thoát ra?

Kiến thức trọng tâm

Hai nhóm cơ chính tham gia cử động hô hấp: cơ hoành — một vòm cơ nằm ngăn giữa khoang ngực và khoang bụng, ở trạng thái nghỉ cong lên như một mái vòm — và cơ liên sườn ngoài, nằm xen giữa các xương sườn. Khi hai nhóm cơ này co, lồng ngực thay đổi thể tích; khi chúng giãn, lồng ngực trở lại kích thước cũ. Chính sự thay đổi thể tích lồng ngực, chứ không phải một lực hút hay đẩy trực tiếp nào lên không khí, mới là nguyên nhân khiến khí di chuyển.

Hít vào là một quá trình chủ động. Cơ hoành co lại, dẹt xuống thay vì cong vòm; đồng thời cơ liên sườn ngoài co, nâng xương sườn lên và ra ngoài. Hai chuyển động này cùng làm tăng thể tích lồng ngực theo mọi chiều. Thể tích tăng khiến áp suất không khí bên trong phổi giảm xuống, thấp hơn áp suất khí quyển bên ngoài. Không khí luôn tự chảy từ nơi áp suất cao đến nơi áp suất thấp — đúng nguyên lý chênh lệch áp suất — nên không khí bên ngoài tràn vào phổi. Phổi không hề "hút" khí vào bằng một lực chủ động nào của riêng nó; phổi chỉ giãn ra theo lồng ngực, còn khí tự chảy vào theo chênh lệch áp suất mà cơ hoành và cơ liên sườn ngoài tạo ra.

Thở ra khi yên tĩnh, ngược lại, chủ yếu là một quá trình thụ động. Cơ hoành và cơ liên sườn ngoài giãn ra, trở về trạng thái nghỉ; tính đàn hồi tự nhiên của phổi và thành ngực kéo lồng ngực co lại về kích thước ban đầu, không cần một cơ nào co thêm để "đẩy" khí ra. Thể tích lồng ngực giảm, áp suất trong phổi tăng lên cao hơn áp suất khí quyển, và không khí lại tự chảy ra ngoài theo đúng chênh lệch áp suất. Chỉ khi cần thở ra thật mạnh — ho, thổi mạnh, hay gắng sức lúc tập thể dục — một số cơ khác như cơ liên sườn trong và cơ thành bụng mới co chủ động để đẩy khí ra nhanh và nhiều hơn mức bình thường; đó là thở ra gắng sức, khác hẳn nhịp thở ra yên tĩnh vừa mô tả.

Ba bước đầu là thì hít vào (chủ động); ba bước sau là thì thở ra bình thường (thụ động). Khí luôn chảy theo chênh lệch áp suất, không phải do phổi hút hay đẩy.

Chỉ hít vào và thở ra gắng sức cần cơ co chủ động; thở ra bình thường dựa vào tính đàn hồi của phổi và lồng ngực.

Ví dụ

Đọc mô hình chuông thủy tinh mô phỏng hô hấp

1
Trong một mô hình mô phỏng hô hấp, người ta dùng một chuông thủy tinh kín, một ống chữ Y gắn hai quả bóng bay ở hai nhánh, và một tấm màng cao su căng ở đáy chuông. Khi kéo màng cao su xuống, hai quả bóng bay phồng lên; khi đẩy màng lên, hai quả bóng bay xẹp xuống. Mỗi thành phần trong mô hình đại diện cho bộ phận nào của hệ hô hấp, và vì sao bóng bay phồng lên khi kéo màng xuống?
Trong một mô hình mô phỏng hô hấp, người ta dùng một chuông thủy tinh kín, một ống chữ Y gắn hai quả bóng bay ở hai nhánh, và một tấm màng cao su căng ở đáy chuông. Khi kéo màng cao su xuống, hai quả bóng bay phồng lên; khi đẩy màng lên, hai quả bóng bay xẹp xuống. Mỗi thành phần trong mô hình đại diện cho bộ phận nào của hệ hô hấp, và vì sao bóng bay phồng lên khi kéo màng xuống?
2
Chuông thủy tinh kín đại diện cho lồng ngực; ống chữ Y đại diện cho khí quản chia thành hai phế quản; hai quả bóng bay đại diện cho hai lá phổi; tấm màng cao su ở đáy đại diện cho cơ hoành.
3
Kéo màng cao su xuống mô phỏng cơ hoành co và dẹt xuống, làm thể tích bên trong chuông tăng lên — đúng như thể tích lồng ngực tăng khi hít vào.
4
Thể tích trong chuông tăng khiến áp suất không khí bên trong giảm xuống, thấp hơn áp suất khí quyển bên ngoài ống hở phía trên; theo nguyên lý khí luôn chảy từ nơi áp suất cao đến nơi áp suất thấp, không khí tràn vào hai quả bóng bay, làm chúng phồng lên.
5
Vậy chuông thủy tinh, ống chữ Y, bóng bay và màng cao su lần lượt đại diện cho lồng ngực, khí quản – phế quản, hai lá phổi và cơ hoành; bóng bay phồng lên vì thể tích tăng làm áp suất giảm, giống hệt cơ chế hít vào thật.

Ví dụ

Giải thích vì sao thành ngực bị thủng làm xẹp phổi (dạng đề kiểm tra)

1
Một bác sĩ giải thích rằng nếu thành ngực của một nạn nhân bị vật nhọn đâm thủng thấu vào bên trong, lá phổi bên đó sẽ xẹp lại gần như ngay lập tức, dù chính mô phổi chưa hề bị tổn thương. Hãy giải thích vì sao.
2
Ở trạng thái bình thường, khoang giữa phổi và thành ngực là một khoang kín, có áp suất thấp hơn áp suất khí quyển; chính áp suất thấp này giữ phổi luôn áp sát thành ngực và giãn nở theo mỗi lần lồng ngực nở ra khi hít vào.
3
Khi thành ngực bị đâm thủng, không khí bên ngoài tràn thẳng vào khoang kín đó, làm áp suất trong khoang tăng lên bằng áp suất khí quyển — mất đi sự chênh lệch áp suất vốn giữ phổi giãn nở theo lồng ngực. (1)
4
Mất lực giữ giãn nở đó, mô phổi vốn có tính đàn hồi tự nhiên sẽ co rúm lại giống một quả bóng bay bị buông lỏng — xẹp lại dù bản thân phế nang chưa hề bị vật nhọn chạm tới. (2)
5
Vậy từ (1) và (2), phổi xẹp không phải vì phế nang bị tổn thương trực tiếp, mà vì thành ngực thủng làm mất chênh lệch áp suất vốn giữ phổi luôn giãn nở theo lồng ngực — đây cũng là lý do khi sơ cứu vết thương ngực hở, cần bịt kín vết thương càng sớm càng tốt.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nghĩ cả hít vào lẫn thở ra bình thường đều là động tác cơ chủ động "đẩy" khí ra vào, giống như bơm một chiếc bơm xe đạp bằng cả hai chiều tay. Thực ra chỉ hít vào là chủ động, do cơ hoành và cơ liên sườn ngoài co; thở ra khi yên tĩnh chủ yếu do lồng ngực và phổi tự đàn hồi trở lại, không cần cơ co thêm. Một nhầm lẫn khác là nghĩ phổi "hút" khí vào như một cái bơm — thực ra khí tự chảy theo chênh lệch áp suất mà cơ tạo ra, phổi chỉ giãn nở theo lồng ngực chứ không tự tạo lực hút.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Hít vào: cơ hoành và cơ liên sườn ngoài co → thể tích lồng ngực tăng → áp suất trong phổi giảm → khí tự chảy vào. Thở ra bình thường: cơ giãn, phổi đàn hồi trở lại → thể tích giảm → áp suất tăng → khí tự chảy ra. Không khí luôn chảy từ nơi áp suất cao đến nơi áp suất thấp, phổi không hề "hút" khí.

Bài tiếp theo học điều gì xảy ra với luồng khí đó khi nó tới phế nang — quá trình trao đổi khí thật sự giữa không khí và máu.