Что выдыхает человек¶

Что выдыхает человек — совокупность газов и летучих веществ, которые покидают организм через выдох после прохождения через лёгкие. В норме выдыхаемый воздух состоит преимущественно из азота, кислорода, углекислого газа и водяного пара, однако в нём присутствуют десятки летучих органических соединений (ЛОС), отражающих обменные процессы в организме. Состав выдыхаемого воздуха изучается в медицине, физиологии и токсикологии, а с начала 2000-х годов — в диагностике через метод дыхательного анализа.

¶Состав выдыхаемого воздуха

Вдыхаемый воздух содержит примерно 20,9 % кислорода, 78 % азота, 0,04 % углекислого газа и следовые количества инертных газов. В процессе газообмена в альвеолах кислород переходит в кровь, а углекислый газ — из крови в воздух лёгких. В результате выдыхаемый воздух содержит около 15–16 % кислорода и 4–5 % углекислого газа (приблизительно в 100 раз больше, чем во вдыхаемом).

Основные компоненты выдыхаемого воздуха:

Помимо этих газов, в выдыхаемом воздухе обнаруживаются ацетон, аммиак, водород, метан, оксид азота, а также летучие органические соединения — всего исследователи выделяют более 800 различных молекул. Их концентрация измеряется в частях на миллиард (ppb) или миллиардных долях.

¶Физиология выдоха

Выдох в покое является пассивным процессом: эластическая ткань лёгких сжимается, диафрагма расслабляется и поднимается, объём грудной клетки уменьшается, воздух вытесняется наружу. При форсированном выдохе в работу включаются мышцы брюшного пресса, межрёберные мышцы и косые мышцы живота.

За один спокойный выдох взрослый человек выводит около 500 мл воздуха (дыхательный объём), однако в лёгких остаётся около 1000 мл так называемого резервного объёма, который может быть выдохнут при форсированном дыхании. Полная жизненная ёмкость лёгких у взрослого мужчины составляет 4,5–5 л, у женщины — 3–3,5 л.

¶Углекислый газ и дыхательный центр

Углекислый газ — главный стимул дыхания. Повышение его концентрации в крови (гиперкапния) раздражает хеморецепторы ствола мозга, что вызывает ощущение нехватки воздуха. Именно поэтому при панических атаках и истерии, когда человек «глотает воздух», состояние ухудшается: избыточное дыхание (гипервентиляция) вымывает CO₂ из крови, сужая сосуды головного мозга и вызывая головокружение, онемение конечностей и обморок.

¶Летучие органические соединения

В выдыхаемом воздухе присутствуют метаболиты, отражающие состояние организма:

• Ацетон — продукт окисления жирных кислот; повышается при голодании, кетогенной диете и сахарном диабете (диабетический запах изо рта).
• Аммиак — связан с белковым обменом и функцией почек; повышается при почечной недостаточности.
• Оксид азота (NO) — маркер воспаления дыхательных путей; используется для диагностики бронхиальной астмы.
• Сероводород — признак пародонтоза и некоторых нарушений обмена веществ.
• Этанол — выводится лёгкими в неизменённом виде, что лежит в основе работы алкотестеров.

¶Дыхательный анализ в медицине

Способность лёгких выводить летучие метаболиты легла в основу метода дыхательного теста с мочевиной ¹³C, применяемого для выявления Helicobacter pylori — бактерии, вызывающей язвенную болезнь. Пациент выпивает раствор мочевины с изотопом углерода-13; если в желудке присутствует H. pylori, фермент уреаза расщепляет мочевину до CO₂, который попадает в кровь и выдыхается — его изотопный состав фиксируется масс-спектрометром.

Важное диагностическое значение имеет анализ оксида азота в выдохе (FeNO), применяемый для оценки эозинофильного воспаления дыхательных путей при астме. Развиваются и методы ранней диагностики онкологических заболеваний по профилю ЛОС, однако большинство из них пока находится на стадии клинических испытаний.

¶Алкоголь и выдыхаемый воздух

Около 5–10 % принятого алкоголя выводится через лёгкие в неизменённом виде. Пары этанола присутствуют в выдыхаемом воздухе в течение нескольких часов после приёма спиртного, что используется в работе алкотестеров. Порядка 90 % этанола метаболизируется в печени ферментом алкогольдегидрогеназой с образованием ацетальдегида, а затем уксусной кислоты.

¶Выдох при различных состояниях

При кислородном голодании (гипоксии) концентрация CO₂ в выдыхаемом воздухе падает, а кислорода — повышается. У пациентов с метаболическим ацидозом (например, при диабетическом кетоацидозе) выдох приобретает характерный фруктовый запах за счёт ацетона. При печёночной недостаточности возможен сладковатый «печёночный» запах (запах мочи), связанный с меркаптанами. При тяжёлых инфекциях дыхательных путей в выдыхаемом воздухе повышается содержание оксида азота и перекиси водорода.

¶Значение в диагностике

Дыхательный анализ привлекателен как неинвазивный и безболезненный метод: достаточно попросить пациента подышать в специальный мешок или трубку. Точность приборов — масс-спектрометров и газовых хроматографов — позволяет определять концентрации ЛОС на уровне единиц ppb. В России метод дыхательного теста с ¹³C-мочевиной включён в клинические рекомендации по диагностике хеликобактерной инфекции.

Источники:

• Гайтон А., Холл Дж. «Медицинская физиология»
• Уотерс М. Д. и др. «Exhaled breath condensate and volatile organic compounds analysis»
• Клинические рекомендации МЗ РФ «Язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки»
• Справочник по физиологии дыхания (Handbook of Physiology, Section 3: The Respiratory System)