Спадение легких усложняет изучение их микроструктуры. Для преодоления этой проблемы участники моей исследовательской группы наполняли этот орган газом и быстро замораживали в жидком азоте. В результате мы могли наблюдать фрагменты легкого с помощью специального микроскопа. Ткань здорового органа выглядит как плотная губка, а легкое, пораженное эмфиземой, вследствие повреждения альвеолярных мешочков больше похоже на мочалку. Более того, в таких легких образуется так много отверстий и остается так мало соединительной ткани, что замороженная ткань просто рассыпается в руке.
Опорные структуры легких состоят из хрящей и гладкой мышечной ткани. Как ни странно, с биологической точки зрения предназначение последней неизвестно. Возможно, она помогает воздухоносным путям противодействовать внешнему давлению, например при кашле. Точно можно утверждать, что гладкая мышечная ткань вовлечена в патологические процессы. При заболеваниях, развивающихся вследствие воспаления, таких как бронхиальная астма, эта ткань сжимается. Наряду с воспалением выстилки воздухоносного пути такая реакция способствует его сужению. У некоторых больных с более тяжелой бронхиальной астмой наблюдается увеличение гладкой мышечной ткани, что приводит к еще более выраженному сужению. Во время выдоха давление в альвеолах временно повышается, проталкивая воздух к выходу из легких, где давление ниже. Однако в суженных участках воздухоносные пути могут закрыться раньше, чем воздух выйдет из легких, а значит, он останется внутри. Это называется обструкцией воздушного потока.
Самые мелкие воздухоносные пути, бронхиолы, оканчиваются альвеолами, в которых происходит газообмен. В норме средняя длина легкого у взрослого составляет всего 24 см — размер небольшой буханки хлеба. При этом общая площадь всей поверхности этого органа достигает от 80 до 100 м2. Более 50% альвеол расположены на внешней трети легкого, и поэтому на рентгенограмме грудной клетки внешний край кажется преимущественно черным. Этот эффект появляется из-за того, что рентгеновские лучи проходят сквозь воздух и отображаются на пленке (по крайней мере так было до изобретения цифровой рентгенографии!). И напротив, мягкие и костные структуры поглощают рентгеновские лучи, а потому на изображении мы видим белые тени.
Альвеолы можно описать как мельчайшие мешочки, наполненные воздухом. Хотя такое определение заставляет думать, что они имеют сферическую форму, точнее было бы говорить о многоугольнике. Стенки каждой альвеолы прилегают к соседним, обеспечивая поддержку. При микроскопическом исследовании среза легких они выглядят почти как соты. Альвеолы определяют предназначение этого органа. Именно в них происходят два наиболее важных процесса: насыщение кислородом и освобождение от углекислого газа. Для жизни человеку необходим кислород, который помогает клеткам извлекать из пищи энергию в форме, пригодной к употреблению. Без доступа кислорода смерть нашего организма, в частности головного мозга, становится неизбежной уже через 5 минут. Другой задачей легких можно назвать избавление организма от углекислого газа — побочного продукта жизнедеятельности клеточных «двигателей» организма. Избыток углекислого газа может привести к потере сознания. Нередки случаи госпитализации больных ХОБЛ в результате отравления углекислым газом (гиперкапнии). Горькая ирония заключается в том, что корень capnia происходит от греческого слова kapnos, то есть «дым». Углекислый газ — основной компонент табачного дыма, под действием которого часто развивается ХОБЛ.
Строение альвеол способствует максимальному газообмену за счет чрезвычайной тонкости стенок. Первичная структурная клетка альвеолы, называемая альвеолоцитом I типа, похожа на очень плоское яйцо с желтком-ядром посередине. Ее ширина составляет 50 микрон, что примерно соответствует толщине человеческого волоса, а толщина — менее 0,2 микрона. Каждая альвеола окутана плотной сетью кровеносных сосудов, называемых капиллярами. Они настолько малы, что эритроциты продвигаются сквозь них поодиночке, это максимально увеличивает их контакт с воздухом, содержащимся в альвеоле. Легкие способны пропустить таким образом весь объем крови за 45 секунд, при этом практически каждый эритроцит пройдет через мельчайший альвеолярный капилляр. Поэтому все, что способствует попаданию жидкости в эти кровеносные сосуды (например, пневмония) или повреждает их (фиброз легких), снижает способность этого органа насыщать кровь кислородом.