транскрипт
1 як ми дихаємо? К. Богданов Про що розповідає електрокардіограма? Як кажани в повній темряві ловлять мошкару? Як поштові голуби знаходять дорогу додому? Відповіді на ці та багато інших питань дає біофізика наука, що вивчає фізичні явища в живих організмах, що лежить на стику фізики та біології, яка використовує новітні досягнення фізики в біологічних дослідженнях. Спробуємо і ми, озброївшись шкільними знаннями фізики, відповісти на, здавалося б, просте запитання: як ми дихаємо? Наша дихальна система При нормальному диханні наш організм споживає в день близько 0,5 кг кисню і виділяє майже така ж кількість вуглекислого газу. І надходження кисню, і вихід вуглекислого газу здійснюються через легені. Внутрішній простір легких повідомляється з атмосферою за допомогою повітроносних шляхів. Повітроносні шляхи складаються з носової порожнини, де вдихаємо повітря підігрівається і зволожується, глотки, гортані, трахеї і двох головних бронхів, що підводять повітря до правого і лівого легкого. Кожен бронх дробиться на більш дрібні бронхи (бронхіоли) і закінчується мікроскопічними легеневими бульбашками альвеолами, оточеними з усіх боків густою мережею кровоносних судин. Альвеоли, яких у дорослої людини налічується близько 700 мільйонів, являє собою з'єднані один з одним пухирці, наповнені повітрям. Діаметр альвеол складає в середньому 0,1 мм, товщина їх стінок 0,4 мкм. Загальна поверхня альвеол у дорослої людини близько 100 м 2. У кожен момент часу в кровоносних судинах, що обплітають альвеоли, знаходиться приблизно 70 мл крові, з якої в альвеоли дифундує вуглекислий газ, а в зворотному напрямку кисень. Величезна поверхню альвеол дозволяє менш ніж за одну секунду наситити цю кров киснем і звільнити від надлишку вуглекислого газу. Дихання і мильні бульбашки легко нам зробити вдих? На скільки тиск повітря всередині легень (всередині альвеол) при вдиху перевищує тиск зовні (і плевральної порожнини)? Якщо вважати, що кожна альвеола це порожню кульку з еластичної мембрани, то тиск, необхідне для підтримки такого кульки в роздутому стані, при заданому зовнішньому тиску повинно повністю визначатися діаметром кульки і упру властивостями мембрани. Чи так це? У 1429 році швейцарський вчений Карл фон Нііргард виявив, що тиск, необхідний для роздування легких, можна значно зменшити, якщо заповнити легені фізіологічним розчином. Це ніяк не в'язалося з поданням про альвеолах як про порожнистих еластичних кульках: якби при вдиху нам треба було долати тільки сили пружності, то наші зусилля не залежали б від того, заповнене легке розчином чи ні адже сили пружності від цього не залежать. Дані, отримані Нііргардом, стали зрозумілі, коли з'ясувалося, що кожна альвеола зсередини покрита тонким шаром рідини. Ця обставина істотно впливає на механічні властивості альвеоли. Зокрема, тиск, необхідний для роздування альвеоли, виявляється більше, ніж в разі полого кульки з легеневої тканини. І ось чому. Відомо, що поверхня рідини поводиться подібно розтягнутої плівці має поверхневий натяг. Щоб оцінити роль сил поверхневого натягу в механіці альвеоли, розглянемо плівку рідини, що має форму сфери, найпростіший приклад такої плівки мильний міхур. Тиск повітря всередині міхура через поверхневого натягу рідини завжди виявляється більше зовнішнього тиску. Величина надлишкового тиску всередині сфери радіусом R визначається співвідношенням Лапласа p = 2σ R, де σ коефіцієнт поверхневого натягу плівки. Це надлишковий тиск тим більше, 1
2 чим менше радіус сфери. У плівці мильної бульбашки і внутрішня, і зовнішня поверхні стикаються з повітрям, і σ плівки дорівнює подвоєному значенню коефіцієнта поверхневого натягу рідини. В альвеолах контакт повітря рідина здійснюється лише з одного боку, зсередини. Мал. 1 Давайте оцінимо величину p. Для міжклітинної рідини σ = Н / м; приймемо це значення і для рідини, що вистилає внутрішню поверхню альвеоли. Вважаючи R = 50 мкм = м, отримуємо p = Н / м 2. На малюнку 1 наведена залежність обсягу легких від тиску всередині них (точніше, від того, на скільки це тиск перевищує зовнішнє). З графіків видно, що якщо не всі, то принаймні значна частина тиску, що розтягує легені при вдиху, йде на подолання сил поверхневого натягу. Коли ж легені заповнені фізіологічним розчином, додатковий тиск необхідно лише для подолання пружних властивостей легеневих тканин. Очевидно, що різниця між двома кривими на малюнку 1 і представляє внесок сил поверхневого натягу в еластичність легені. При звичайному вдиху об'єм легенів людини становить близько 50% їх максимального обсягу. Як випливає з малюнка 1, в цьому діапазоні внесок сил поверхневого натягу складає більше 30%. Не все так просто Залучення сил поверхневого натягу для пояснення механічних властивостей легкого призводить до наступного «парадоксу» при поясненні взаємодії між сусідніми альвеолами. На малюнку 2 схематично показані дві сусідні альвеоли, мають різні розміри. Припустимо спочатку, що повітряні порожнини альвеол не повідомляються один з одним (рис.2, а). Тиск повітря р 1 в лівій альвеолі більше, ніж тиск p 2 в правій (оскільки R 1 if ($ this-> show_pages_images $ Page_num doc [ 'images_node_id']) 
4 до сих пір багато новонароджених в усьому світі помирає, так і не зробивши свого першого вдиху, через нестачу або відсутність в їх альвеолах ПАР. Мал. 3 Виключення з правил Однак багато тварин, що дихають легенями, зовсім не страждають від того, що в їх альвеолах немає ПАР. В першу чергу це ставитися до холоднокровним жабам, ящірок, змій, крокодилів і т. Д. Так як цим тваринам не треба витрачати енергію на обігрів власного організму, їх потреби в кисні в середньому в десять разів менше, ніж у теплокровних. Тому і поверхня легенів, через яку відбувається газообмін між кров'ю і повітрям, у холоднокровних менше, ніж у теплокровних. Відносне зменшення площі поверхні легкого, що припадає на одиницю його обсягу, у холоднокровних пов'язано зі збільшенням приблизно в десять разів діаметра їх альвеол в порівнянні з альвеолами теплокровних. Щодо великий радіус альвеол дозволяє легко роздувати їх навіть під час відсутності на їх внутрішній поверхні ПАР (адже p
1 / R). Другою групою тварин, в легких яких відсутні ПАР, і є птахи. Птахи теплокровні і ведуть досить жвавий спосіб життя. Енергетичні витрати птахів і ссавців однакової ваги близькі між собою. Високі і потреби птахів в кисні. Причому легкі птахів мають унікальну здатність насичувати кров киснем при польоті на великій висоті (близько 6000 м), де його концентрація в повітрі падає в два рази в порівнянні з концентрацією на рівні моря. Будь-яке ссавець (в тому числі і людина) на такій висоті починає відчувати брак кисню, різко обмежує свою рухову активність, а іноді навіть впадає в стан напівнепритомності. Як же вдається легким птиці, які не мають ПАР, дихати і насичувати кров киснем? Чому це не виходить у ссавців? Займемося самокритикою. Чим погані наші легені? По-перше, не весь вдихаємо повітря бере участь в газообміні з кров'ю: повітря, який опинився в кінці вдиху в трахеї і бронхах, не зможе віддати кисень в кров і взяти звідти вуглекислий газ, так як і в цих місцях легкого практично відсутні кровоносні судини. Тому частина обсягу легень, займану трахеєю і бронхами, прийнято називати «мертвим простором». Зазвичай «мертвий простір» легких людини має обсяг близько 150 см 3. Можна штучно збільшити обсяг «мертвого простору», якщо змусити себе дихати через довгу трубку. Кожен, хто намагався так робити, напевно, помітив, що при цьому необхідно збільшувати глибину дихання (об'єм вдихуваного повітря). Очевидно, що якщо обсяг «мертвого простору» зробити рівним максимально можливого вдиху (близько 4,5 дм 3), то людина почне задихатися, так як свіже повітря взагалі перестане надходити в альвеоли. Таким чином, існування «мертвого простору» в дихальній системі ссавців є «помилкою» Природи. Створюючи легкі ссавців, Природа, на нашу думку, зробила і другу «помилку». Цей недолік пов'язаний з тим, що рух повітря в легенях змінює своє 4
5 напрямок при переході від вдиху до видиху. Тому майже половину часу легкі практично не діють під час видиху свіже повітря в альвеоли не надходить. А ось у птахів Природа знову досягла досконалості. Крім звичайних легких, у птахів є додаткова система, що складається з п'яти і більше пар повітряних мішків, пов'язаних з легкими. Порожнини цих мішків широко розгалужуються в тілі і заходять до деяких кістки, іноді навіть в дрібні кістки фаланг пальців. В результаті дихальна система качки, наприклад, займає близько 20% обсягу тіла (2% легкі і 18% повітряні мішки), в той час як у людини лише 5%. Легке птиці, на відміну від легкого ссавця, являє собою сукупність паралельно з'єднаних відкритих з двох сторін тоненьких трубочок, оточених кровоносними судинами. З'єднання мішків з легкими таке, що під час вдиху повітря через легке птиці тече в тому ж напрямку, що і при видиху. Тому під час дихання у птахів змінюються лише обсяги повітряних мішків, а обсяг легкого залишається практично постійним. А раз немає необхідності роздувати легке, то не потрібні і поверхнево-активні речовини в пташиних легких. Ось як багато цікавого можна розповісти у відповідь на, здавалося б, просте питання як ми дихаємо. 5