Ιστορική αναδρομή

Η φυσιολογία  της αναπνοής εξελίχθηκε προοδευτικά, μετά τον Ιπποκράτη (460-377 π.Χ.), ο οποίος πίστευε ότι η βασική λειτουργία της αναπνοής ήταν να ψύ­χει την καρδιά. Ο Αριστοτέλης παρομοίαζε το αναπνευστικό σύστημα με τους φυ­ση­τήρες των σιδηρουργείων, ενώ ο Γαληνός (130-201 μ.Χ.), αν και είχε αντιληφθεί την ύπαρξη της κυκλοφορίας, εξακολουθούσε να έχει την ίδια πε­ποί­θη­ση για τη φυσιολογική λειτουργία της αναπνοής. Ο Leonardo da Vinci (1462-1519) έθεσε τις βάσεις των συγχρόνων εξελίξεων της μελέτης της φυσιολογίας του αναπνευστικού συστήματος και, τέλος, ο Michael Servetus (1551-1613) αναγνώρισε την πνευμονική κυκλοφορία και διαπίστωσε ότι το αίμα, εγκα­τα­λεί­πο­ντας την πνευμονική φλέβα είναι λαμπρού, ερυθρού χρώματος.

 Ιπποκράτης (460-377 π.Χ.)  πίστευε ότι η βασική λειτουργία της αναπνοής είναι να ‘ψύχει’ την καρδιά.

Αμέσως μετά αναγνωρίσθηκε ότι το αίμα, κατά τη διέλευσή του από τους πνεύμονες, «..παίρνει κάτι από αυτούς». Αργότερα, ο Jean van Helmont (1577-1644) προσθέ­τοντας ένα ισχυρό οξύ στην ποτάσσα και συγκεντρώνοντας το πτητικό παράγωγο της ενώσεως, παρατηρούσε ότι ‘έσβυνε τη φωτιά’. Εγνώριζε ότι το πτητικό αυτό υλικό, που παρήγετο, επίσης, στα καμίνια, και υπήρχε στο σπήλαιο Crottο del Cane της Ιταλίας, μέσα στο οποίο τα μεν σκυλιά απεβίωναν αμέσως, αλλά τα όρθια, υψηλόσωμα ζώα επεβίωναν και το ονόμασε ‘αέριο sylvestre’. O ερευνητής είχε, απλά ανακαλύψει το διοξείδιο του άνθρακος.

Αργότερα, ο William Hervey (1578-1657), με την κλασική του μονογραφία ‘De motu Cordis, 1628” ανήγγειλε την έναρξη της μελέτης των καρδιοπνευμονικών αντεπιδράσεων. Την ίδια εποχή, ο Boyle (1627-1691) διαπίστωνε ότι τα ζώα δεν επιβιώνουν στο κενό και ότι, επομένως, ο αέρας περιείχε ένα απαραίτητο για τη ζωή συστατικό. Ο ιατρός Joseph Black (1728-1799) παρείχε σημαντική συνεισφορά στη χημεία της αναπνοής, με τις μελέτες του, επί του CO₂. Ο Black διαπίστωσε ότι  με τη θέρμανση του άνυδρου ασβέστη ή της κιμωλίας παρήγετο ένα πτητικό υλικό, που ήταν το ίδιο που παρήγετο, μετά ενστάλλαξη ισχυρού οξέος στο οξείδιο του άνθρακος. Ονόμασε το πτητικό προϊόν των πειραμάτων του ‘προσηλωμένο αέριο’ και εγνώριζε ότι ‘έσβυνε τη φωτιά και προκαλούσε το θάνατο’. Από την παρατήρησή του ότι η παρατεταμένη έκθεση στον αέρα του άνυδρου ασβέστη είχε το ίδιο αποτέλεσμα, προκαλώντας την καθίζηση ενός προϊόντος (κιμωλία)  οδηγήθηκε στο συμπέρασμα ότι το προσηλωμένο αέριο που προκαλούσε το θάνατο και έσβυνε τη φωτιά, υπήρχε στην ατμόσφαιρα. Διαπίστωσε ότι το αέριο αυτό παρήγετο κατά τη ζύμωση της μπύρας, αλλά και κατά τη διαδικασία της αναπνοής. Το 1754, ο Βlack  παρουσίασε τη διατριβή του «Experiments on magnesia Alba, Quiklime, and some other alkaline substan­ces». Αναγνώριζε την παραγωγή του  «προσηλωμένου αερίου» στις μεταβολικές διαδικασίες, μ΄ένα πείραμα, που εκτέλεσε το 1764, στη Γλασκώβη, όπου διετέ­λε­σε καθηγητής της χημείας. Σ΄ένα αεραγωγό, στην οροφή μιας εκκλησίας, στην οποία είχαν συγκεντρωθεί, περίπου 1500 άτομα, για θρησκευστικούς λόγους, επί 10 ώρες, τοποθέτησε ένα διάλυμμα άνυδρου ασβέστη και παρήγαγε σημαντική ποσότητα κρυσταλικού ανθρακικού ασβεστίου. Αν και από καθαρής χημικής απόψεως, ο Black δεν περιέγραψε το CO₂ με ακρίβεια, του αποδίδεται η ανακά­λυ­ψη του αερίου. Αργότερα, ο Joseph Priestley (1733-1804)ανακάλυψε το Ο₂ και ο A. Lavoisier (1743-1794) συνέκρινε την αναπνοή με την καύση, κατά την οποία εξαν­τλείται το Ο₂ και απελευθερώνεται CO₂. Πολλοί ακολούθως αναγνώ­ρισαν τον ιστικό μεταβολισμό, κατά τον οποίο καταναλώνεται Ο₂ και απελευθερώνεται περίπου το ίδιο ποσόν CO₂ (Allen, 1809). To 1837, o Heinreich Gustav Magnus  (1802-1870) βελτίωσε τις διατιθέμενες μεθόδους για την ανάλυση αερίων αρτηρι­α­­κού αίματος. Εξετέλεσε την πρώτη ποσοτική ανάλυση αερίων στο αρτηριακό και φλεβικό αίμα και εκτίμησε την περιεκτικότητά τους. Αναγνώρισε ότι τόσο το αρτηριακό αίμα, όσο και το φλεβικό, περιέχουν Ο₂, CO₂ και Ν₂ και ότι υπάρχει πε­ρι­σ­σότερο CO₂ στο φλεβικό αίμα, παρ΄ό,τι στο αρτηριακό, στο οποίο ευρί­σκε­ται περισσότερο Ο₂.

Ο John Hutchinson (1811-1861) σχεδίασε το πρώτο σπιρόμετρο, με το οποίο μπο­ρού­σε να καταγράφει τη VC και τις υποδιαιρέσεις της σε μεγάλες ομάδες υγιών και να συγκρίνει τις τιμές, επί ασθενών, με βάση εξισώσεις προσ­ομοι­ώ­σε­ως,  συναρτήσει του φύλου, της ηλικίας και του ύψους. Ισχυριζόταν ότι, με τη συσκευή του, μπορούσε να διαγνώσει την πνευμονική φυματίωση, που ήταν υπεύθυνη για εκατόμβες θυσιών, εκείνη την εποχή.

Ο Lothar Meyer (1830-1895) έδειξε ότι η οξυγόνωση του αρτηριακού αίματος εξαρτάται από την ατμοσφαιρική πίεση, ενώ ο Paul Bert (1833-1886) διαπίστωσε ότι η υποξία, η ελάττωση δηλαδή της μερικής πιέσεως Ο₂ στο εισπνεόμενο μίγμα αέρος, προκαλούσε υπεραερισμό, καθώς επίσης και συμπτώματα και σημεία της «νόσου των ορειβατών». Η διατριβή του δημοσιεύθηκε, το 1878 με τίτλο «La pression Barometrique: Recherchers de Physiologie Experimentale».

Η συμβολή της πιέσεως ελαστικής επαναφοράς για την επιτέλεση της εκπνοής επισημάνθηκε, αρχικά, από τον Donders (1853), ο οποίος μέτρησε τις ελκτικές δυνάμεις του παρεγχύματος.

Το 1867, ο Strassburg, μαθητής του Pfluger -που ανακάλυψε ότι το συντηρημένο αίμα καταναλώνει Ο₂ και παράγει CO₂- μέτρησε τη μερική πίεση του CO₂ στο αίμα και τους ιστούς. Από το 1868, ο Pfluger άρχισε να μελετά την επίδραση του Ο₂ και του CO₂ στον αερισμό, θέτοντας τις βάσεις του μεγάλου κεφαλαίου του νευρικού ελέγχου της αναπνοής. Ενώ από το 1870 ξέσπασε η γνωστή ως «έκκριση ή διάχυση» διαμάχη μεταξύ των Εργαστηρίων του Phluger, υποστηρίζοντος την παθητική μεταφορά των αερίων δια της κυψελιδοτριχοειδικής μεμβράνης και του Ludwig, ο οποίος πίστευε ότι οι πνεύμονες καταιωνίζουν Ο₂ στο τριχοειδικό άιμα, κατά τρόπο, ώστε, τελικά, η P_aO₂  είναι μεγαλύτερη από την  P_ΑO₂. Επί δεκα­ε­τί­ες, αργότερα, πολλοί ερευνητές μελέτησαν το ζήτημα και έλαβαν θέση από την μια ή την άλλη παράταξη, ώσπου το 1914, η Μarie Krogh έλυσε το μυστήριο, αποδεικνύοντας τη διαχυτική ικανότητα στους πνεύμονες, χρησιμοποιώντας αέριο, όπως το CO, σε μια διάταξη, που χρησιμοποιείται περίπου άθικτη, ακόμη και σήμερα.  To 1885, O F. Miescher-Rusch παρουσίασε ενδείξεις ότι ο ρυθμός αε­ρι­σμού, κατά την ανάπαυση καθορίζεται από τα επίπεδα του CO₂, ενώ ο Christian Bohr (1855-1911) κατασκέυασε την πρώτη καμπύλη κορεσμού αιμο­σφαι­ρίνης, την οποία έφερε στην πραγματική της, σιγμοειδή, μορφή, αργότερα, το 1890, ο G., V., Hufner.

Το 1904, οι Bohr, Ηasselbach και Κrogh αναγνώρισαν ότι η προσθήκη CO₂ στο αίμα απομακρύνει το Ο₂, μειώνοντας τη χημική συγγένεια του τελευταίου με την αιμοσφαιρίνη. Ο Bohr, εκπόνησε την εξίσωση, που φέρει το όνομά του, για τη μέτρηση του νεκρού χώρου, κάνοντας χρήση της αρχής διατηρήσεως της ύλης. Εκπόνησε, ακόμη, μια γραφική ολοκλήρωση της κλίσεως της διαχύσεως Ο₂ δια της κυψελιδοτριχοειδικής μεμβράνης. Ο Hasselbalch μελέτησε την οξεο­βα­σική ισορροπία.

Ο John Scott Haldane (1860-1936) εξέτασε τον ρόλο του CO₂ στη ρύθμιση του πνευμονικού αερισμού. To 1893, o ίδιος ερευνητής, σε συνεργασία με Lorain Smith διαπίστωσαν ότι η εμφάνιση δύσπνοιας ήταν αποτέλεσμα μικρής αυξήσε­ως του CO₂, κατά 3%, αλλά σημαντικότερης μειώσεως του Ο₂,  στο 14%, στο εισπνεόμενο μίγμα. Είχε εμπλακεί ενεργά στις συζητήσεις για τις 'θεωρίες της γηράνσεως των θηλαστικών'.

Ο August Krogh (1874-1949) μελέτησε την κατανομή των ιστικών τριχοειδών και εκπόνησε συντελεστές διαχύσεως για το Ο₂ και το CO₂. Σχεδίασε ένα μικρο­το­νόμετρο για τον έλεγχο της μερικής πιέσεως των αερίων στο αίμα, εισήγαγε την εργοσπιρομετρία, επινόησε αναλυτές αερίων, μεγάλης ακρίβειας (0.001%) και παρουσίασε ένα ωσμώμετρο για το πλάσμα. Το 1910, σε συνερ­γασία με τη σύζυγό του, εισήγαγε το CO στη φυσιολογία της αναπνοής, περιγράφοντας την ικανότητα διαχύσεως στους πνεύμονες. Αναφορικά με την παρατεινόμενη ‘διαμά­χη’ της παθητικής διαχύσεως του Ο₂ προς την ενεργητική μετακίνησή του, οι ερευνητές έγραφαν, το 1910: «η απορρόφηση του Ο₂ και η απομάκρυνση του CO₂ στους πνεύμονες πραγματοποιείται με διάχυση και με διάχυση μόνο». Εν τούτοις, παρά τα αδιαφιλονίκητα συμπεράσματά τους, η ‘διαμάχη’ της παθητικής προς την ενεργητική πρόσληψη Ο₂ συνεχίστηκε, περίπου αμείωτη.

Ο Joseph Barcroft (1872-1947) εμπλούτισε τις επιστημονικές γνώσεις σχετικά με τις ιδιότητες της καμπύλης κορεσμού της αιμοσφαιρίνης, των μηχανισμών μεταφοράς αερίων με το αίμα, τις φυσιολογικές επιδράσεις του υψόμετρου, τις φυσιολογικές ιδιότητες του σπληνός, την ενδομήτρια σχέση αναπνοής/αιματώ­σε­ως, τον πυροδοτικό μηχανισμό της ‘πρώτης, μετά τη γέννηση, αναπνοής’ υποβλήθηκε σ΄ένα εξαήμερο πείραμα, εργαζόμενος σε υποβαρικές συνθήκες (P_aΟ₂>84 mmHg). Από τα αποτελέσματα του πειράματος αυτού, σε συγκερασμό με μια νέα σειρά πειραμάτων που πραγματοποίησε στις Άνδεις, κατά το 1921-1922, σε υψόμετρο 4328 m, απέδειξε ότι η μεταφορά Ο₂ δια μέσου της κυψελιδο­τρι­χοειδικής μεμβράνης εξελίσσεται, αποκλειστικά, με μηχανισμούς διαχύσεως.

O Henderson (1878-1942) επεξεργάσθηκε τις καμπύλες κορεσμού-αποκο­ρε­σμού της αιμοσφαιρίνης και αναγνώρισε την όξινη συμπεριφορά της οξυαιμο­σφαι­ρίνης. Αναγνώρισε ότι η αναχθείσα αιμοσφαιρίνη συνδέεται με ιόντα υδρο­γό­νου του διττανθρακικού οξέος, διατηρώντας το pH του αίματος αναλλοίωτο και ονόμασε το μηχανισμό διατηρήσεως της ομοιστασίας του οργανισμού, ως  ισο­ϋδρι­κή μεταβολή. To 1908, o Henderson εφάρμοσε το νόμο δράσεως των μα­ζών στο σύστημα  CO₂ – ΗΗCΟ₃^- και τον επόμενο χρόνο, ο Sorensen εισήγαγε τη λογαριθμική έκφραση της συγκεντρώσεως ιόντων υδρογό­νου στα βιολογικά υλι­κά. Το 1917, ο Hasselbalch εισήγαγε τη λογαριθμική έκφραση του νόμου δράσεως των μαζών, γνωστή ως εξίσωση των Henderson-Hasselbalch. Η εξίσωση αυτή συσχετίζει το pH, τη μερική πίεση και την περιεκτικότητα CO₂ με την περιεκτικότητα των διττανθρακικών στο πλάσμα, ενώ το 1920, ο Henderson εφάρμοσε την εξισορρόπηση που εισηγήθηκε ο Gibbs-Donnan, αναφορικά με τις σχέσεις ηλεκτρολυτών και αιμοσφαρίνης στο εσωτερικό των ερυθροκυττάρων και το πλάσμα.

O Rohrer (1915), εφαρμόζοντας τη νευτώνια μηχανική, εξήγησε τη σχέση μεταξύ της δυνάμεως που ασκούν οι αναπνευστικοί μύες και της ταχύτητας ροής. Η προσέγγιση αυτή εξελίχθηκε από τους διαδόχους του Neergaard και Wirz (1927), που χρησιμοποίησαν τον πνευμοταχοιγράφο Fleisch (1925).

Το 1941 ο Glen Μillikan επινόησε μία συσκευή, για ερευνητική χρήση σε θέματα αεροπορικής ιατρικής, που την ονόμασε οξύμετρο και βασιζόταν στην αρτηριοποίηση του αίματος στο λοβό του ωτός, διά της αγγειοδιαστολής με χρήση θερμότητας. Η συσκευή αυτή χρησιμοποιήθηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1940 σε αίθουσες χειρουργείου.

Ο Donald Van Slyke συνεισέφερε τα μέγιστα στην κατανόηση της φυσιολογίας της αναπνοής, του μεταβολισμού και της κλινικής χημείας. Η συσκευή ανα­λύ­σε­ως των αερίων αρτηριακού αίματος που φέρει το όνομά του, παραμένει μέθοδος ανα­φοράς, μέχρι τις ημέρες μας. Κατά τη διάρκεια της επόμενης δεκαετίας, 1920-1930, πραγματοποιήθηκε μαζική και εντατική έρευνα, στον τομέα της κλινικής χημείας, της χημείας της οξεοβασικής ισορροπίας και της βιοχημείας του CO₂. Με­λετήθηκε η δράση του CO₂ στη χημική συγγένεια της αιμοσφαιρίνης με το Ο₂, των αντεπιδράσεων του CO₂ με την οξυαιμοσφαιρίνη και την αντίδραση υδα­τώσεως-αφυδατώσεως. Οι ανακαλύψεις της δεκαετίας αυτής εμπλούτισαν τις γνώσεις μας και έθεσαν τις βάσεις της κλινικής χημείας και διαμόρφωσαν μεθό­δους που χρησιμοποιήθηκαν, κατά την επόμενη δεκαετία, στην ερευνητική παρα­γω­­γή της κλινικής χημείας. Ακολούθως, ο Francis John Worsley Roughton (1899-1972) μελέτησε την κινητική των αντιδράσεων του μοριακού Ο₂, με την αιμοσφαιρίνη προς σχηματισμό οξυαιμοσφαρίνης. O Wallace O. Fenn (1893-1971) προώθησε, σε σημαντικό βαθμό, τις γνώσεις μας στη φυσιολογία της αναπνοής, με τις μελέτες του, επί της μηχανικής της αναπνοής, της σχέσεως πιέ­σεως-όγκου. Συνεργαζόμενος με τον Hermann Rahn ανέπτυξαν το διάγραμμα Ο₂-CO₂ στον κυψελιδικό χώρο. Το 1928, o Werner Theodor Otto Forssmann εκτέ­λεσε τον πρώτο καρδιακό καθετηριασμό, εισάγοντας ένα καθετήρα ουρο­δό­χου κύστεως στο δεξιό του κόλπο (!) και με τον τρόπο αυτό, άνοιξε μια τεράστια σελίδα στην έρευνα του καρδιοαναπνευστικού ελέγχου, που μέχρι εκείνη την στιγμή ήταν εντελώς αδιανόητη.

Ο Neergaard, επιπλέον, έδειξε τη σημασία της επιφανειακής τάσεως, συγκρίνοντας τη σχέση του πνευμονικού όγκου προς τις ελκτικές δυνάμεις, όταν ο αέρας στους πνεύμονες αντικαθίστατο με νερό. Η μελέτη αυτή επαναλήφθηκε από τον ανεξάρτητα εργαζόμενο Radford (1954), ο οποίος, από κοινού με τους Pattle (1955), Clemens (1956) και Avery & Mead (1959), εμπέδωσαν τη φυσιολογική και χημική σημασία της επιφανειοδραστικής ουσίας. Οι γνώσεις σχετικά με τις ινοελαστικές ιδιότητες των πνευμόνων συμπληρώθηκαν με τους Bayliss και Robertson (1939), Dean και Visscher (1941), Rahn, Otis, Chadwick και Fenn (1946), Mead και Whiteenberger (1953). O ρόλος της αντιτρυψίνης στην προστασία του πνεύμονος από την ελαστολυτική δράση πρωτεολυτικών ενζύμων επισημάνθηκε από τον Eriksson (1966).

Από τις αρχές του αιώνα, η επιστημονική γνώση της φυσιολογίας της ανα­πνο­ής έχει αναπτυχθεί εκθετικά. Οι μαθητές διαδέχονται τους Καθηγητές σε ένα φρενήρη -σχεδόν- ρυθμό ανακαλύψεων μεθόδων και τεχνικών, που ενισχύονται με την εισαγωγή του τεχνητού λογισμού και των μεθόδων της κυβερνητικής. Περιγράφονται νέες μέθοδοι, δοκιμάζονται και επιβεβαιώνονται νέες θεωρίες, εμπεδώνονται νέες αντιλήψεις και εισάγονται νέες διαγνωστικές τεχνικές. Η περιγραφή των φυσιολογικών λειτουργιών στο ιστικό επίπεδο αντικαθίσταται, προ­οδευτικά, από την αναζήτηση της φυσιολογικής λειτουργίας και των εκ­τροπών της στο υποκυτταρικό επίπεδο, όταν η παθολογική εκτροπή είναι ακόμη πολύ περιορισμένη και, επομένως, αντιστρεπτή. Παρατηρώντας τους ιλιγγιώδεις αυτούς ρυθμούς εξελίξεως της επιστημονικής σκέψεως αναρωτιό­μα­στε για την κατεύθυνση που θα πρέπει η επιστήμη της φυσιολογίας να αναζητήσει το μέλλον της.