Gon Diovanni

Nabízím doučování fyziologie, biochemie a morfologie člověka. Mám bohaté zkušenosti s doučováním, které vyústilo v úspěšné zdolání zkoušek z těchto předmětů mých "studentů" :)

Máte-li zájem, napište do komentářů kontakt, domluvíme detaily! :)

Všichni vědí, že kyslík dýchat musíme, ale proč?

Na zdánlivě jednoduchou otázku není jednoduchá odpověď. Kyslík je nezbytný pro výrobu energie, neboť je finálním příjemcem elektronů v dýchacím řetězci v mitochondriích.
Dobře, ale vyvinula se zde jiná otázka. Proč buňky vyrábějí energii? Všeobecně je tomu tak proto, že musí platit za to, že udrží vnitřní uspořádanost. Je to stále zamotanější, řekl bych. Takže od začátku :)

Dle termodynamických zákonů v celém vesmíru stoupá entropie = neuspořádanost. Neuspořádanost si představme takto. Mám 4 molekuly A, B, C, D. A mám 2 nádoby. Pokud jsou 4 molekuly v pevném skupenství mohu je dát buď do jedné, nebo do druhé nádoby = mám 2 možné stavy (= v jedné nebo v druhé nádobě). Pokud však budou v plynném skupenství, mohou vytvořit mnohem více kombinací. A v první, B, C, D v druhé; A, B v první, C, D v druhé; A, B, C v první, D v druhé; a už mám tři možné stavy a to jsem zdaleka! nevyčerpal všechny možnosti. Z tohoto plyne: změnou skupenství z pevného na plynné došlo ke vzrůstu entropie, neboť molekuly mohou v plynném skupenství vytvářet mnohem více vzájemných stavů než v pevném. Stejné je to s tělem. Pokud žijeme jsme v jednom kuse a relativně stabilní. Pokud však tělo zemře, časem se rozpadne až na molekuly, které mohou vytvořit miliardy různých vzájemných uspořádání, zatímco v těle, které je živé mají svou pevnou polohu. Čili z toho vyplývá, že pokud je tělo živé je jeho entropie relativně nízká, naopak je-li mrtvé bude jeho entropie velmi rychle stoupat.

Fyzici prokázali, že celková entropie vesmíru stále stoupá, ale buňky, mnohobuněčné organismy apod. jsou schopny tomuto zákonu čelit. Ale něco za něco. Aby naše buňky mohly odolávat zubu entropie, musí za to platit (stejně jako sv. Václav platil za mír v českém knížectví).

Buňky přišly na to, že když budou udržovat vlastní entropii nízko a budou okolí poskytovat teplo (které entropii zvyšuje), budou schopny po jistou dobu udržet hodnotu entropie velmi malou. To je důvod, proč buňky vyrábějí energii, potřebují ji proto, aby se "neutopily v moři okolní stoupající entropie". Dle některých filosofů je toto celé smysl našeho života. (Já osobně to ale považuji za poněkud nihilistické).


Buňka tedy produkuje ATP (= adenosintrifosfát. Vysokoenergetická látka, která ve svých anhydridových vazbách drží poměrně nezanedbatelné množství energie). ATP je používáno pro syntézu látek (což snižuje entropii), pro degradaci látek (což zvyšuje entropii), pro trávení potravy (což zvyšuje entropii tráveniny, a tak vyhovíme vesmírným zákonům), pro tvorbu tepla (což zvyšuje entropii okolního světa). Přestože je tvorba tepla uvedena až jako poslední 75% veškeré potravy a zásobních látek je v těle přeměněno na teplo. Z toho vyplývá, že účinnost našeho metabolismu je pouhých 20 - 25%. (parní stroj má účinnost asi 12%, benzinový a dieslový spalovací motor asi 25%).

Aby buňka mohla vyprodukovat ATP musí udržovat v chodu dýchací řetězec, který vyžaduje (zcela nezbytně) kyslík. (Proto se mu také říká dýchací řetězec).

Aby mohl dýchací řetězec pracovat, potřebuje: (1) kyslík, (2) redukované koenzymy (NADH, FADH2). Redukované koenzymy vznikají v citrátovém cyklu, který produkuje též oxid uhličitý. Redukované koenzymy uvolní do bílkovin dýchacícho řetězce elektrony, čímž se oxidují a mohou se znovu použít do citrátového cyklu.

Ty uvolněné elektrony skáčou pro bílkovinách dýchacího řetězce až na poslední, nazývanou komplex IV (nebo také: cytochrom c oxidasa). Z komplexu IV skočí elektron na kyslík, z něhož se stane oxid. Reaguje se všudypřítomným vodíkem za vzniku vody (denně takto vzniká průměrně 300mL vody (což není málo!)). 

Pokud je tedy přítomen kyslík, tak dýchací řetězec pracuje, což má za následek produkci ATP.

Je-li ale přístup kyslíku buňce odepřen, dochází k zastavení dýchacího řetězce, buňce velmi rychle dojdou zásoby ATP, což způsobí, že buňka neudrží nízkou entropii a zaniká. To je princip vzniku infarktu myokardu, ischemické mrtvice atp...

Rád bych ještě zdůraznil důležitost citrátového cyklu. Produkuje obrovská množství oxidu uhličitého, která je potřeba vydýchat (vizte též článek: Proč se při běhu zadýcháváme až po chvíli a ne hned od začátku?), z čehož vyplývá, že dýcháme proto, abychom (1) získali kyslík, (2) zbavili se oxidu uhličitého.

Je to z toho důvodu, že chvíli trvá než organismus získá signály, že je potřeba zvýšit dechovou frekvenci.

Regulace dechové frekvence


Dech je regulován na několika úrovních. Centra dechu jsou předmětem žhavých diskusí neuroanatomů a neurofysiologů. 


Dýchání je regulovatelné vědomě (=volně) i mimovědomě (=mimovolně). Většinu času je dýchání regulováno mimovědomě. Například když spíme, tak je regulováno výhradně mimovědomě. Naopak když zadržujeme dech, činíme tak vědomě. Vědomí má do určité doby silnější slovo (proto můžeme zadržet dech pod vodou), ale pokud klesají hladiny dýchacích plynů pod určitou mez, tak se silnějším stává mimovědomá složka regulace a my se nadechneme, aniž by vědomí chtělo (proto mají utonulí v plicích vodu).

V článku Proč vlastně potřebujeme dýchat kyslík? bylo vysvětleno, jak funguje lidský metabolismus a že jeho hlavním odpadním produktem je oxid uhličitý. Hladiny oxidu uhličitého a kyslíku v krvi jsou proto zásadní pro regulaci dýchání.

V plicích dochází k příjmu kyslíku a odvodu oxidu uhličitého. Čím rychlejší je dýchání (neboli čím vyšší je dechová frekvence (která normálně činí asi 14 - 18 dechů / minutu)), tím rychleji dochází k přenosu dýchacích plynů = je-li rychlejší dýchání, je rychlejší odvod oxidu uhličitého a rychlejší přívod kyslíku. To je důvod proč je dechová frekvence ovlivněna hladinou dýchacích plynů v krvi.

Aby mohl mozek správně poznat, jak je na tom tělo s hladinami dýchacích plynů, musí na to mít receptory.

Chemoreceptory pro regulaci dechové frekvence

Současná fysiologie rozlišuje dva typy receptorů: (1) centrální chemoreceptory, (2) periferní chemoreceptory.

Centrální chemoreceptory jsou umístěny v oblasti prodloužené míchy (to je celkem logické, protože v prodloužené míše jsou nervová centra regulující dechovou frekvenci). Tyto receptory reagují na hladinu oxidu uhličitého v krvi (ne však přímo, nebudu to ale tady rozebírat, kdyby byl zájem o více detailů, pište do komentáře :) ). Tyto receptory fungují tak, že když dojde ke zvýšení hladiny oxidu uhličitého v krvi, způsobí zrychlení dechu, aby se oxid uhličitý rychleji vydýchal.

Periferní chemoreceptory jsou umístěny v oblasti oblouku aorty a v oblasti bifurkace krkavic. Tyto chemoreceptory naopak reagují na hladinu kyslíku v krvi. Pokud hladina kyslíku v krvi velmi klesne, tak tyto receptory vyšlou signály, aby se zvýšila frekvence dechů.

Silnější slovo mají samozřejmě centrální chemoreceptory, v některých situacích ale jsou důležitější chemoreceptory periferní.

Nervové řízení dechové frekvence


V oblasti prodloužené míchy a Varolova mostu (součásti mozkového kmene).

V prodloužené míše jsou umístěna jádra, v nichž se nacházejí neurony, které vysílají signály k motoneuronům dýchacích svalů a působí tak jejich kontrakci, což umožní nádech.
Existuje tzv. inspirační (=nádechová) skupina neuronů. Tyto neurony mají spontánní aktivitu = samy od sebe vysílají signály (podobným způsobem funguje i například srdce nebo trávicí systém. Neboli když vyjmete srdce z těla, tak bude (alespoň chvíli) samo tlouct.) Tyto neurony navíc mají specifický typ akčního potenciálu, který velmi pomalu stoupá (asi 2 vteřiny). To je proto, abychom se nadechovali pomalu a ne rychle. Všimněte si, že když dýcháte normálně, tak se bránice a další dýchací svaly stahují pomalu a postupně, a že nelapáte po dechu. Po oněch dvou vteřinách akční potenciál neuronů skončí a svaly relaxují. Drtivá většina klidových výdechů je spontánní, automatická a nevyžaduje žádnou kontrakci svalů.

Někteří neuroanatomové a neurofysiologové tvrdí, že existuje ještě tzv. exspirační (= výdechové) centrum, které se zapíná při usilovném dýchání, kdy potřebuje dýchat rychle, a tak se musí i normálně pomalý výdech zrychlit.

Dále existuje tzv. pneumotaktické centrum = centrum regulující rychlost dýchání. Existence tohoto centra potvrzuje domněnku, že kdyby toto centrum neexistovalo, tak budeme dýchat stále stejně rychle a stejně hluboce a žádná regulace nebude možná. Nicméně lidský mozek pneumotaktické centrum má, takže regulovat frekvenci a hloubku dechu směle můžeme. Toto centrum získává informace z chemoreceptorů a z dalších receptorů z těla. Dále například z limbického systému, to je důvod, proč rychleji a hlouběji dýcháme, když jsme naštvaní apod. Dostává informace z mozkové kůry, která reprezentuje naše vědomí, je tedy odpovědná například za hlubší nádech před skokem do vody, za zadržení dechu, když jsme pod hladinou apod...

Navíc existuje ještě centrum apnoe = centrum nedýchání. Jeho význam nikdo nechápe a pravděpodobně žádný nemá.

A teď konečně k původní otázce:

Představte si, že jdete na autobus. Na zastávku vidíte ze vzdálenosti 500m. Samozřejmě jede autobus dříve než měl, vy jej vidíte přijíždět. Naštěstí na zastávce stojí cestující, takže autobus musel zastavit, a řidič je právě odbavuje. Protože Vám Váš limbický systém sdělil, že budete pěkně naštvaní, když Vám ten autobus ujede, tak mozková kůra vydává rozkazy pro běh. Zapínají se svalové skupiny a Vaše tělo se dává do rychlejšího pohybu. Několik sekund pracují svaly na své zásoby energetických látek, které obsahují, jenže uběhnout 500m není na pár sekund, takže se bude muset zpracovávat i glukóza. Její spalování produkuje CO2 a spotřebovává O2. Hladina oxidu uhličitého postupně stoupá. Ze svalů se krev dostává do srdce, pak do plic a posléze do velkého tělního oběhu. Tudy se dostává i do oblasti centrálních chemoreceptorů. Ty časem zaznamenají vzestup hladiny oxidu uhličitého, což způsobí vzestup dechové frekvence, což má za následek: (1) zvýšení příjmu kyslíku, (2) zrychlené odstranění oxidu uhličitého, (3) zadýchávání. Doběhnete autobus a přestože již budete stát ve frontě na něj (protože na zastávce bylo docela dost lidí), budete zadýchaní. Proč? Když už dávno neběžíte. Je tomu tak proto, že v krvi je ještě stále dost oxidu uhličitého, svaly musí splatit své kyslíkové dluhy a také proto, že svaly musí doplnit své zásoby energie na další výkon, což také produkuje oxid uhličitý.

V minulém článku jsem rozpracoval téma, proč se sami vzbudíme uprostřed snu. Aby bylo všechno správně pochopeno, je nezbytné mít alespoň základní znalosti o fyziologii spánku.

Spánkové cykly

V předchozím díle jsem psal o řízení spánku. Tedy, pokud naše vnitřní hodiny dají pokyn k tomu, že máme spát a naše vědomí nemá jiné plány, tak se ke spánku normálně odebereme.

Je celkem jasné, že spánek není jednolitá "činnost". Je naopak poměrně různorodý.

Popíšeme si průběh jedné noci z hlediska fyziologie spánku.
        (1) Jdeme si lehnout. Na EEG (elektroencefalogramu) bude viditelný rytmus beta, který je tam většinu dne.
        (2) Zavřeme oči. V tuto chvíli se stane velmi zajímavá věc, která poukazuje na obrovské množství informací, které vstupuje do našeho vědomí zrakem. Dojde totiž k tomu, že se objeví tzv. alfa rytmus, který je úplně jiný, než rytmus beta. Má nižší frekvenci (neboli je pomalejší), protože do mozku se dostává méně informací o okolí, neboť máme zavřené oči.
        (3) Chvíli takto ležíme se zavřenýma očima a pokud je všechno v pořádku, vstupujeme do nonREM 1 fáze. To je název pro spánkovou fázi, kdy už začínáme skutečně usínat. V tuto chvíli jsme velmi jednoduše probuditelní hlasitým zvukem. Je to stav, kdy si mozek začíná probírat informace, takže ve Vašem vědomí se začínají objevovat "sny". Jenže upozorňuji, že o sny se nejedná! Sny se objevují pouze v tzv. REM fázi (vizte bod (6)). Na EEG se objevují alfa a theta vlny.
        (4) nonREM 2 fáze. Zahrnuje 50% veškeré doby našeho spánku. Na EEG jsou theta vlny, spánková vřetena a K-komplexy.
        (5) nonREM 3 a 4 fáze. Objevují se delta vlny na EEG. Tyto dvě fáze jsou velmi důležité pro fyzický odpočinek. Je to oblast nejhlubšího spánku. V těchto fázích jsme velmi obtížně probuditelní a odpočívá v nás pravděpodobně úplně všechno. Pokud se probudíme v této fázi je to velmi nepříjemné a jsme pak celý den velmi unavení.
        (6) Nyní přicházíme do nejzajímavější části celého spánku. Tzv. REM spánek. Název je odvozen od Rapie Eye Movements (= rychlé pohyby očí). Je to spánek, při němž bylo zjištěno mnoho zvláštních a kontraintuitivních faktů: (1) Oči se velmi rychle pohybují ze strany na stranu. (2) Na EEG se objevují vlny beta. To jsou vlny, které jsou na EEG v bdělém stavu!!! (z toho důvodu se REM spánku také říká paradoxní spánek). (3) Je to fáze spánku, v níž se nám zdají sny. To se v podstatě nedá nijak objektivně změřit nějakým přístrojem, takže se to muselo zjistit jinak. Objasněno to bylo tím způsobem, že byly zkoumané osoby v REM fázi probuzeny a výzkumníkům sdělily, že se jim právě zdál sen.

Tyto fáze se během noci několikrát opakují. První REM fázi zaznamenáváme v průběhu spánku asi po 90 minutách. V průběhu noci se zkracuje doba trvání nonREM 3 a 4 fází a prodlužuje se doba trvání REM fáze. Spontánní probuzení nastává výhradně v REM fázi. A právě z tohoto důvodu se sami probouzíme právě uprostřed snů, protože ty se nám zdají v REM fázi. 

Navíc si obvykle pamatujeme jen ten poslední sen, protože bývá nejdelší, což je důsledek postupného prodlužování REM fáze během noci.


Ze znalosti spánkových cyklů vyplývají ještě dvě zajímavé věci: (1) odpolední spánek (který je dokonce zakořeněn v některých kulturách: italská siesta etc.) je vhodné praktikovat, neboť snižuje riziko srdečních a cévních chorob o 30%. Nicméně je nutné jej omezit na maximálně 45 - 50 minut, než vstoupíme do nonREM fáze 3 a 4, protože vzbuzení z těchto fází je velmi náročné a hlavně jsme pak velmi ospalí. (2) Je realizovatelné spát pouze 4 - 5 hodin denně, pokud náš organismus naučíme železnému zvyku chodit spát a vstávat každý den ve stejných časech.

O efektivnějším spánku třeba jindy :)

Také se Vám to stává? Máte krásný, dlouhý, Vaším neopakovatelným mozkem promyšlený sen a uprostřed něj se probudíte?

Odpověď na tuto otázku současná neurofysiologie poskytuje. Je tomu tak proto, že se spontánně probouzíme v průběhu tzv. REM fáze.

Nicméně ještě předtím než na ni budu moci odpovědět pořádně a pochopitelně, je nezbytné říci si něco o fysiologii spánku.

Proč člověk spí?

Hned v úvodu budu zcela upřímný. Nikdo to neví!
Existují samozřejmě různé teorie, které zahrnují například tyto nápady: (1) mozek si musí odpočinout, (2) celé tělo si musí odpočinout, (3) mozek musí utřídit informace, které během dne získal, (4) krev se musí účinně profiltrovat v ledvinách a tak dále. Nicméně ani jedna z teorií není přijímána jako pravdivá.


Co se naopak ví, je fakt, že bez spánku nelze žít. Člověk, kterého nenecháme spát 14 dní, zemře. Ale proč člověk musí spát, to už nikdo neví...

Řízení spánku

Napadlo Vás někdy proč vlastně spíme v noci a ne ve dne? Pravděpodobně je tomu tak proto, že v noci jsme zranitelnější, neboť náš zrak není uzpůsoben pobytu ve tmě. A protože jsme v noci bezmála slepí, bylo vybráno přirozenou logikou věci, že v noci se bude spát a ve dne bdít.

Tomuto faktu se i přizpůsobilo řízení spánku. Každý máme vnitřní hodiny, které mění teplotu našeho těla. Teplota stoupá, když ráno vstaneme a začne rychle klesat, když už se nám chce spát. A spát se nám chce právě proto, že teplota těla klesá.
Nicméně organismus musí zároveň také vědět, "kolik je hodin", a vězte, že nestačí, že si to uvědomuje naše vědomí pohledem na náramkové hodinky. Určení času je zabezpečeno pomocí množství světla, které vstupuje do našich očí. Z očí vychází mnoho nervových vláken a některá jdou do části mezimozku ( do hypothalamu (jako tzv. tr. retinohypothalamicus)). Odtud pak do epifýzy neboli šišinky. To je malá endokrinní žláza, která vlivem osvětlení zvyšuje nebo snižuje produkci melatoninu, kterému se také někdy říká hormon spánku.
Melatonin je tak nazván proto, že je-li jeho hladinu vysoká, tak to znamená dvě věci. Za prvé jsme ve tmě a za druhé pravděpodobně spíme. Naopak je-li jeho hladina nízká, jsme osvíceni světlem a pravděpodobně bdíme.
Z toho jasně vyplývá, proč se nám špatně usíná na světle. Usnutí je totiž závislé na zvýšení hladiny melatoninu. Pokud je hladina nízká, spí se nám špatně, naopak je-li vysoká, spí se nám dobře. Také proto jsme v zimě ospalejší, protože je delší dobu tma.

Příště se dozvíte něco o spánkových rytmech a také odpověď na to, proč se budíme uprostřed snů.