Основные силы, препятствующие проникновению воздуха в легкие обусловлены поверхностным натяжением в альвеолах и вязкостью легочной жидкости, находящейся во всех дыхательных путях. В альвеолах сурфактант снижает поверхностное натяжение. Легочная жидкость вытесняется в лимфатические сосуды и кровеносные капилляры, если легкие расширяются в нормальных пределах. Начальное отрицательное внутригрудное давление может достигать 60—80 см вод. ст. Было установлено путем измерении, что объем вдыхаемого воздуха может достигать 80 см. В конце выдоха значительное его количество остается в легких в виде остаточного воздуха. Поверхностное натяжение и сурфактант.
Силы поверхностного натяжения возникают в результате отсутствия равновесия между силами притяжения одной молекулы к другой, соседней с ней. Рассмотрим в этой связи чашку, наполненную жидкостью. Молекулы жидкости, расположенные ниже ее поверхности, притягиваются друг к другу и отталкиваются друг от друга с одинаковой силой, действующей во всех направлениях, поскольку они полностью окружены со всех сторон другими молекулами (равнодействующая всех сил, действующих на молекулу, равна пулю). Однако в поверхностном слое молекул дело обстоит иначе, так как силы притяжения между молекулами в этом слое не могут быть одинаковы со всех сторон. Над поверхностным слоем молекул находится воздух, а не жидкость, поэтому в данном случае силы, действующие на молекулу, направленные вниз и в стороны, будут больше сил, направленных вверх (т. е. равнодействующая всех сил, действующих на молекулу, не равна нулю). Сила, возникшая в результате такого нарушения равновесия сил, действующих на молекулу в поверхностном слое молекул, называется поверхностным натяжением. Существование поверхностного натяжения объясняет постоянное стремление жидкости сократить свою поверхность до минимума. Теперь применим эту концепцию о сокращении поверхности к сферической внутренней поверхности стенок альвеол.
В отсутствие противодействующего влияния сурфактанта и при наличии поверхности раздела с воздухом поверхностное натяжение стремится сократить внутренние поверхности альвеол, тем самым способствуя спадению альвеол. Альвеолы легких напоминают конгломерат пузырьков. Стенки альвеол в основном влажные, а внутри них заключен воздух. Поскольку в этом случае существует поверхность раздела между возрастом и жидкостью (подобная только что описанной для поверхностного слоя молекул воды в чашке), возникают поверхностностные силы.
Силы молекулярного притяжения стремятся сократить площадь влажной стенки пузырька (альвеолы). Кроме того, в соответствии с законом физики Лапласа: чем меньше пузырек тем больше сила поверхностного натяжения. Поэтому, чем меньше пузырек, тем сильнее его тенденция к сплющивапию в результате действия поверхностных сил, не встречающих противодействия. В конечном счете пузырек (альвеола) полностью спадается (ателектаз). У человека сурфактант образуется двумя ферментативными путями: 1) при участии метилтрансферазы и 2) при участии фосфохолинтрансферазы. Прежде всего сурфактант образуется первым путем (при участии метилтрансферазы) и впервые определяется на 22—24-й неделе беременности. Наличие этого пути продуцирования сурфактанта дает возможность человеческому плоду остаться живым, даже если он родится недоношенным. Активность сурфактанта, образовавшегося этим путем, возрастает по мере увеличения срока беременности, так что к моменту рождепия человека и в течение всей его жизни этим путем в организме вырабатывается половина поверхностно-активного лецитина. Другая система, вырабатывающая поверхностно-активный лецитин, работает при участии фосфохолинтраисферазы; эта система обычно достигает зрелости к 35-й неделе беременности. К этому времени легкое человека является биохимически зрелым органом; оно уже имеет все необходимое для обеспечения нормального, не требующего какой-либо поддержки внеутробного дыхания.
Эта система продуцирования сурфактанта достигает зрелости к тому времени, когда л/с-ипдекс становится равным 2,0. В нормальном легком влияние поверхностного натяжения сводится к минимуму или его действие совершенно нейтрализуется сурфактаитом, представляющим собой сложное вещество, состоящее в основном из липопротеина, который вырабатывается клетками типа II, расположенными в стенках альвеол. Оно появляется в легких плода приблизительно на 22—24-й неделе беременности. При отсутствии сурфактапта силы поверхностного натяжения, не встречающие никакого противодействия, немедленно возрастают при сжатии альвеол во время выдоха и в конечном счете вызывают их спадение (ателектаз). Однако при наличии сурфактапта влияние поверхностного натяжения сводится к минимуму или действие его совершенно нейтрализуется.При наличии сурфактанта в суженных альвеолах во время выдоха силы поверхностного натяжения уменьшаются, а не увеличиваются, потому что слой сурфактанта, будучи сжатым, становится толще; в этом состоянии сурфактант противодействует силам поверхностного натяжепия наиболее эффективно. При расширении альвеол во время нормаль, ного вдоха слой сурфактанта, напротив истончается и в таком ослабленном состоянии этот пограничный слой менее эффект пц0 противодействует силам поверхностпого натяжения. Влияние сур, фактанта будет наименьшим па пике вдоха, когда альвеолы мак-, сималыю расширены. В этой точке возвращение расширенного легкого в исходное состояние происходит относительно беспрепят-ствеыпо, п выпускание воздуха, происходящее при выдохе, облегчается. Основное назначение альвеолярного пограничного слоя состоит в поддержании альвеолярной устойчивости (остаточного расширения альвеол в конце выдоха) после того, как воздух проник в альвеолы.