Jokainen henkäisy tuulettaa kolmeasataa miljoonaa keuhkorakkulaa, joilla on pinta-alaa yhtä paljon kuin isolla asunnolla.

Teksti: Pertti Mustajoki

Hengityksellä on kielessämme ylevä kaiku. Vanha suomalais-ugrilainen sana henki henkii henkevyyttä, jopa hengellisyyttä. Siihen liittyy koko ihmisen elämä. Kun elämämme on vaakalaudalla, olemme hengenvaarassa. Kun henki lähtee – hengitys pysähtyy – maallinen vaelluksemme päättyy. Hengityksemme tosiaan ansaitsee kunnioitusta. Ei ole aivan yksinkertaista saada elimistöön jatkuvana virtana yli 500 litraa happea vuorokaudessa. Samalla poistuu energiantuotossa syntynyt hiilidioksidi.

Ilma ja veri aivan rinnakkain

Kaiken perusta on kaasujen helppo liikkuvuus. Ne siirtyvät nopeasti suuremmasta paineesta pienempään. Keuhkojen pitää vain järjestää olot sellaisiksi, että ilma ja vähähappinen laskimoveri joutuvat riittävän lähelle toisiaan. Tämä toteutuu keuhkorakkulassa eli alveolissa.Keuhkorakkula on pikkuruinen pussi, joka on yhteydessä keuhkoputkiin ja niiden kautta ulkoilmaan. Uloshengityksen lopussa keuhkorakkulan läpimitta on runsas millimetrin kymmenesosa, sisäänhengityksen aikana koko kaksinkertaistuu. Ilman kierron ohella paikalle tarvitaan verta. Sydämen oikea kammio pumppaa sitä laskimoista keuhkoihin vähähappisena ja hiilidioksidipitoisena. Keuhkorakkulassa veri ja ilma kohtaavat. Ilma ja veri eivät tietenkään voi olla suoraan kosketuksissa, mutta hyvin lähellä ne ovat. Veri virtaa keuhkorakkulaa ympäröivässä hiussuonten verkossa. Erottajina ovat vain rakkulan ja hiussuonten seinämät, jotka kumpikin koostuvat erikoistuneista litteistä pintasoluista. Seinämien välissä on vielä ohut tyvikalvo. Kerroksista huolimatta ilman ja veren etäisyys toisistaan on alle millimetrin tuhannesosa. Lyhyt välimatka takaa nopean kaasujen vaihdon. Hapen osapaine on keuhkorakkulassa yli kaksi kertaa suurempi kuin laskimoveressä, joten happi siirtyy tehokkaasti vereen. Päinvastaiseen suuntaan hiilidioksidin paine-ero on pienempi, mutta se riittää siirtämään hiilidioksidin nopeasti keuhkorakkulaan. Kaasujen vaihtoon menee aikaa neljäsosa sekuntia. Se riittää hyvin, sillä virtaava veri viipyy hiussuonessa noin sekunnin.

Aarin pinta-ala kaasujen vaihtoon

Levossa oleva ihminen tarvitsee minuutissa 3,5 millilitraa happea kehonpainon kiloa kohti. Seitsenkymmenkiloisen lepotarve on 2,5 desilitraa. Kun kävelee reippaasti, happea kuluu jo litra minuutissa. Rauhallisesti juoksevan ihmisen hapentarve on yli kaksi litraa ja huipputason kestävyysjuoksijan viisi litraa.Tämmöisiin happimääriin ei muutama keuhkorakkula riitä. Sen vuoksi niitä onkin 300 miljoonaa. Suurin osa keuhkoistamme on keuhkorakkuloita. Paljain silmin ne eivät näy, mutta ne antavat keuhkokudokselle sienimäisen rakenteen. Kun keuhkorakkuloiden pinta-alat ynnätään, saadaan 70–100 neliömetrin alue. Meillä on kaasujenvaihtoon käytössämme niin laaja pinta, että happea riittää kaikenlaisiin ruumiillisiin suorituksiin.Kerrallaan keuhkorakkuloiden hiussuonissa on verta noin desilitra. Kuvittele kahvikupillinen levitettynä aarin alalle. Syntyy kerros, joka on tuskin punasolun paksuinen. Vaihda tämä verikalvo joka sekunti. Ahkeroi työsi kanssa viikkoja, vuosia, vuosikymmeniä kertaakaan levähtämättä. Sadat miljoonat keuhkorakkulamme hoitavat homman huomaamattamme nerokkaan mikrotekniikkansa avulla.

Elävät palkeet pumppaavat

Rauhallisen hengityksen aikana keuhkorakkula tuulettuu 12–14 kertaa minuutissa. Vähähappinen ja hiilidioksidipitoinen ilma poistuu ja uutta tulee tilalle. Ruumiillisessa rasituksessa tuuletus kiihtyy moninkertaiseksi, joten sen hoitamiseen tarvitaan kunnon palkeet.Palkeissa on ilmatiivis pussi, joka laajenee ja painuu kokoon. Laajetessaan palje imee ilmaa sisäänsä, ja puristuksessa ilma purkautuu ulos. Keuhkoja tuulettavien palkeiden runkona on rintakehä.Jokainen voi tarkastella, miten oma rintakehä sisäänhengityksessä laajenee. Homman hoitavat hengityslihakset. Tärkein on pallea, vatsaontelon ja rintakehän välissä oleva lihaslevy. Lepotilassa se on kupera rintakehään päin. Kun pallealihas supistuu, kuperuus tasoittuu, jolloin rintaontelo laajenee. Hengitykseen osallistuvat myös kylkiluiden välien ulommat lihakset. Kun ne supistuvat, joustavilla rustoliitoksilla kiinnittyneet kylkiluut laajenevat ulospäin.Rauhalliseen uloshengitykseen ei tarvita lihastyötä, koska laajentuneet keuhkot vetäytyvät kokoon itsestään. Kiivaammin hengitettäessä kylkiluiden välien uloshengityslihakset puristavat rintakehää kokoon ja vatsalihakset työntävät vatsaontelon sisältöä rintaonteloon päin.

Keuhkopussi laajentaa keuhkon

Näin toimii siis ihmispalkeiden mekaniikka, mutta homma ei ole sillä valmis. Ilmaa ei vedetä rintaonteloon, vaan se pitää saada keuhkojen sisään. Keuhkojen on laajettava ja supistuttava samalla, kun rintakehä tekee liikkeitään. Siihen tarvitaan keuhkopussi.Sana keuhkopussi ei ole kovin onnistunut, sillä ei rintaontelossa mitään pussia ole. Keuhkojen ulkopintaa verhoaa kalvo ja rintakehän sisäpintaa samanlainen kalvo. Väliin jäävää ilmatiivistä tilaa nimitetään keuhkopussiksi. ”Tila” on olematon, sillä molemmat kalvot ovat kosketuksissa toisiinsa. Kalvojen välisen tilan tarkoitus on ylläpitää pientä alipainetta. Kun rintakehä laajenee, alipaine vetää keuhkon mukaan liikkeeseen. Tässä pärjätään pienillä eroilla. Sisäänhengityksessä keuhkopussin paine on vain 0,8 prosenttia pienempi kuin ulkoilman.

Paitsi jos syntyy ilmarinta

Keuhkopussin alipaineen merkitys näkyy dramaattisesti tilanteissa, joissa pussiin pääsee ilmaa. Näin voi käydä, jos kylkiluiden väliin työnnetään puukko tai jos pieni keuhkoputki puhkeaa ja vuotaa ilmaa keuhkopussiin. Syntyy ilmarinta, joka romahduttaa keuhkotuuletuksen kokonaan. Kun ensi kertaa näin ilmarintapotilaan röntgenkuvan, se hätkähdytti. Ilmarinnassa toinen rintakehän puolisko on lähes tyhjä ja keuhko on vetäytynyt vajaan nyrkin kokoiseksi tiiviiksi pallukaksi. Se ei tuuletu lainkaan, koska ei pysty laajenemaan alipaineen hävittyä.Terveiden keuhkopalkeiden kapasiteetti on kerrallaan noin neljä ilmalitraa. Sitä tarvitaan vain kovan liikunnan aikana. Levossa riittää, kun joka henkäyksellä imaistaan keuhkoihin puolisen litraa. Aikuisen keuhkoissa käy vuorokaudessa kymmenentuhatta litraa.

Hiilidioksidi panee hengittämään

Pidätä hengitystäsi. Pian tunnet tarvetta  vetää ilmaa keuhkoihin, ja viimeistään noin minuutin kuluttua on pakko antaa periksi. Hengityksen säätelyn pitää olla tehokas, varma ja voimakas, sillä elämämme on sen varassa. Toimituskatkoja ei saa tulla. Hengityksen pääsäätelijä on hiilidioksidi. Sitä syntyy, kun hiiliyhdisteet hapettuvat eli ”palavat” solujen voimaloissa. Elimistön tietyt solut ovat erikoistuneet hiilidioksidin mittaamiseen. Ne sijaitsevat erityisissä keräsissä kaulavaltimon haarautumiskohdassa ja aortan kaaressa. Kerästen solut reagoivat herkästi veren hiilidioksidin nousuun ja lähettävät siitä tiedon hermoja pitkin ydinjatkokseen. Siellä sijaitsee hengityksen säätelykeskus, joka lähettää toisia hermoja pitkin viestin hengityslihaksille. Rintakehä laajenee, ja vedämme ilmaa keuhkoihin. Lisäksi tarvitaan monenlaista hermojen välittämää hienosäätelyä. Esimerkiksi tieto keuhkojen laajenemisesta välittyy hengityskeskukseen, jolloin erityinen refleksi katkaisee sisäänhengityksen.

Riski vapaasukeltajalle

Että hiilidioksidi on happea tärkeämpi hengityksen säätelyssä, näkyy esimerkiksi vapaasukelluksessa. Tulevaa sukellusaikaa voi pidentää hengittämällä tiheään eli hyperventiloimalla. Se pudottaa keuhkorakkuloiden ja veren hiilidioksidipitoisuuden hyvin pieneksi. Sukelluksissa elimistö kuluttaa happea ja tuottaa hiilidioksidia. Koska alussa hiilidioksidia oli veressä epätavallisen niukasti, se ei ehdi tasolle, johon mittarisolut reagoivat. Tässä vaiheessa veren happi alkaa olla vähissä. Sukeltaja ei havaitse vaaraa, koska hiilidioksidisolut eivät viestitä siitä hengityskeskukselle. Hän voi pyörtyä hapenpuutteesta, ennen kuin älyää nousta pinnalle.

Haukotus ei olekaan tuuletus

Hengittämiseen liittyy kummallisena ilmiönä haukottelu, joka pitää pilkkanaan nykyistä kaiken tietävää biologiaa. Edelleenkään sille ei ole löydetty järkevää tehtävää. Monenlaisia selityksiä on toki esitetty.Elimistön on ajateltu korjaavan haukotuksella hapen puutetta tai poistavan liikahiilidioksidia keuhkorakkuloista. Kokeissa hengitysilman tai hiilidioksidin määrä ei kuitenkaan ole vaikuttanut haukotteluun. Lisäksi on selvinnyt, ettei haukottelu merkittävästi tehosta keuhkojen tuuletusta.

Sikiökin haukottelee

Viimeinen niitti kaasuselityksiä vastaan on havainto, että kohdussa kelluva sikiökin haukottelee. Kehittyvän lapsen keuhkoissa ei liiku lainkaan kaasua, sillä se saa happea ja poistaa hiilidioksidia istukan välityksellä äidin veren kautta. Joku tutkija on esittänyt, että haukottelu on vain tapa venytellä. Eläimet ja usein ihmisetkin venyttelevät jäseniään haukotellessaan. Merkillinen piirre haukottelussa on sen tarttuminen. Kun yksi aukoo leukojaan, pian joukosta löytyy muitakin. Tällä perusteella on esitetty, että haukottelulla olisi jokin sosiaalinen merkitys.

Hikka perua vesielämästä?

Toinen kummajainen on hikka eli nikotus, jossa normaalin rauhallisen sisäänhengityksen sijasta pallea supistuu äkisti. Tavallisessa sisäänhengityksessä kurkunpää on täysin auki, mutta hikassa se sulkeutuu pallean nytkähtäessä. Sen verran ilmaa ehtii livahtaa sisään, että syntyy hikalle tyypillinen ääni. Hikkaa esiintyy muillakin nisäkkäillä, esimerkiksi kissoilla, rotilla ja kaneilla. Kohdussa sikiön pallea voi supistella hikkamaisesti, ja vastasyntyneet lapset nikottelevat usein.

Ehkä muinaisjäänne

Erään hypoteesin mukaan hikka on jäänne satojen miljoonien vuosien takaa, jolloin eläimillä oli sekä kidus- että keuhkohengitys. Silloin kurkunpään sulkeutuminen esti veden pääsyn keuhkoihin eläimen siirtyessä kidusten käyttöön. Fysiologian tutkijat esittävät, että tämä arkaainen refleksi on johtanut muihin hyödyllisiin kehityskulkuihin ja siksi säilynyt keskushermostossamme. (Ks. Hikottelija muistaa kiduksensa, Tiede 11/2009, s. 24–25.)Tämä kaikki on kuitenkin vain arvelua. Haukotuksen tavoin hikka on yhä vailla kunnon selitystä.

Puhdasta kuin leikkaussalissa

Keuhkoja suojaa monivaiheinen puolustusrintama. Ikävä kyllä pienimmät hiukkaset pääsevät silti sisään.

Nielussa liikkuu kaikenlaista karkeaa tavaraa, kun nielemme ruokaamme. Mutta kun nielusta siirrytään henkitorveen ja keuhkoputkiin, alkaa täysin eri maailma. On kuin vilkkaalta kadulta tultaisiin puhtaaseen leikkaussaliin. Keuhkoputkien sisäpintaa peittää herkkä solukerros, epiteeli, joka ei siedä mitään roskia. Niellessä ruoka joutuu kulkemaan henkitorven aukon yli taempana olevaan ruokatorveen. Tätä on pidetty ”ihmisen suunnittelun” heikkona kohtana, koska se mahdollistaa nielussa liikkuvan ruoan ja juoman pääsyn henkitorveen. Elimistö on ratkaissut ongelman kurkunkannella, joka niellessä sulkeutuu tiiviisti. Samalla kurkunpään yläosan taskuhuulet painuvat tiiviisti toisiaan vasten. Niiden ansiosta henkitorveen pääsee vain satunnaisesti ylimääräistä ainesta.

Kosteus sata prosenttia

Viimeisenä lukkona on henkitorven ja keuhkoputkien kyky puolustaa aluettaan. Sen ne tekevät suorastaan raivokkaasti. Jos syödessä leivänmuru livahtaa henkitorveen, silmänräpäyksessä käynnistyy refleksi, joka mobilisoi koko kehomme roskan poistamiseen. Kaikki muu toiminta pysähtyy kuin seinään. Refleksi sulkee taskuhuulet ja kurkunkannen, jännittää uloshengityslihakset äärimmilleen ja sitten äkisti avaa ilmalle ulospääsyn. Syntyy yskänpuuska, jossa ilmaa puhaltuu trooppisen myrskyn nopeudella. Köhimme ja yskimme, kunnes harhautunut muru lentää ulos. Jos keuhkoputkiin virtaisi tavallista ulkoilmaa, niiden solut kuivuisivat kuin lakanat tuulessa. Ilmankosteuden pitää keuhkoissa olla sataprosenttinen. Sisään hengitettävä ilma kostuu tehokkaasti nenässä, jossa se kulkee rustosta muodostuneen kennoston eli nenäkuorikoiden välissä. Samalla kylmä ilma lämpiää.

Tupakansavu nujertaa systeemin

Nenä osallistuu myös ilman puhdistukseen. Isoimmat haituvat jäävät nenäkarvoihin, ja pienemmät kappaleet tarttuvat nenän kosteaan limakalvoon. Nenä ei kuitenkaan voi estää kaikkia epäpuhtauksia pääsemästä keuhkoputkiin. Osa hyvin pienistä hiukkasista ja mikrobeista leijuu ilman mukana sisään. Siksi keuhkoputkissa toimii hämmästyttävä puhtaanapitojärjestelmä: värekarvat.Keuhkoputkia verhoavista soluista sojottaa vajaan sadasosamillimetrin pituisia värekarvoja, jotka pystyvät liikkumaan. Värekarvoja peittää ohut limakerros, johon bakteerit ja muu pikkutavara tarttuvat. Miljoonien värekarvojen siivoojajoukko työntää limaa kohti nielua. Sieltä lima bakteereineen ja hiukkasineen niellään mahahappojen tuhottavaksi.  Tupakkaa ensi kertaa kokeilevaa yskittää, mutta ei riittävästi. Valitettavasti keuhkot tottuvat tupakansavuun. Tuntuu uskomattomalta, että keuhkojen herkkä sisus saattaa kestää tupakansavua kaksikymmentä kertaa päivässä kuukausikaupalla ilman suuria vaurioita. Vuosien mittaan värekarvoja kuitenkin tuhoutuu ja keuhkoputkiin asettuu pysyvä tulehdustila. Lopulta vuosi vuodelta etenevä keuhkoahtaumatauti romahduttaa keuhkojen tuuletuksen.

Julkaistu Tiede -lehdessä 1/2011.

Pertti Mustajoki on professori ja sisätautien erikoislääkäri. Hänen edellinen ihmisen fysiologiasta kertova artikkelinsa Oodi ohutsuolelle julkaistiin numerossa 5/2009. Teksti myös nettiarkistossa. tiede.fi/arkisto