Биофизика тканей и скелета человека 3 Биофизика дыхания 15
жүктеу/скачать 2.95 Mb.
|
| Дыхание и мыльные пузыри
В 1929 г. швейцарский ученый Карл фон Нииргард показал, что давление, необходимое для раздувания легких, можно значительно уменьшить, если заполнить легкие физиологическим раствором-солевым раствором, близким по своему составу к межклеточной жидкости. Этот факт был продемонстрирован им на установке, изображенной на рис. 3. Рис 3. Установка для определения растяжимости легкого (слева) и характеристики «давление - объем», полученные на этой установке (справа). Если считать, что каждая альвеола — это полый шарик, окруженный эластичной мембраной, то давление воздуха, необходимое для поддержания шарика в раздутом состоянии, должно полностью определяться диаметром шарика, толщиной мембраны и не должно зависеть от того, чем заполнен этот шарик. Противоречие между полученными Нииргардом экспериментальными данными и теорией растяжения эластичных шариков было устранено, когда обнаружили, что все альвеолы изнутри покрыты тонким слоем жидкости. Наличие тонкого слоя жидкости, выстилающего изнутри поверхность альвеолы, существенно изменяет ее механические свойства, и вот почему. Рассмотрим слой жидкости, лежащий на границе с воздухом (рис. 4). Рис. 4. Слой жидкости, лежащий на границе с воздухом На молекулу M1, которая находится внутри жидкости, действуют силы притяжения со стороны соседних молекул, симметрично расположенных вокруг нее. Следовательно равнодействующая всех этих сил, действующих на М1, равна нулю. Равнодействующая, приложенная к молекуле М2, не равна нулю и направлена внутрь жидкости перпендикулярно ее поверхности, так как силы притяжения со стороны молекул, находящихся под M2, остаются не скомпенсированными. Поэтому для перемещения молекулы из глубины жидкости на поверхность необходимо совершить работу по преодолению сил сцепления между молекулами. Таким образом, молекулы, образующие поверхностный слой жидкости, по сравнению с другими, более глубоко расположенными молекулами, обладают потенциальной энергией. Чтобы оценить роль поверхностного натяжения в механике альвеолы, рассмотрим пленку жидкости, имеющую форму сферы. Как и в плоской пленке, силы поверхностного натяжения в данном случае стремятся уменьшить поверхность сферы, сжимая находящийся внутри нее воздух. В результате давление воздуха внутри сферы, образованной жидкой пленкой, всегда оказывается несколько больше атмосферного давления. Итак, эластичность легкого в значительной мере зависит от сил поверхностного натяжения. Однако остается непонятным, почему вклад поверхностного натяжения возрастает с увеличением объема легкого (см.рис.2). Рис.5 Схематическое изображение двух соседних альвеол, имеющих разные радиусы: а — воздушные полости альвеол изолированы друг от друга; 6 - соединены На рис.5 схематически показаны две соседние альвеолы, имеющие разные размеры. Предположим сначала, что воздушные полости альвеол не сообщаются друг с другом (см.рис.5, а). Тогда давление воздуха P1 в левой альвеоле будет больше, чем давление Р2 в правом. Поэтому, как только мы откроем кран, соединяющий воздушные полости альвеол, воздух из левой альвеолы начнет перетекать в правую, пока давление в обеих альвеолах не будет одинаковым (см.рис.5,б). Это произойдет тогда, когда радиус правой альвеолы станет равным радиусу кривизны уменьшившейся левой альвеолы. Таким образом, при соединении воздушных полостей двух неодинаковых альвеол большая всегда будет раздуваться, а меньшая спадаться. Очевидно, что такое взаимодействие между соседними альвеолами привело бы к спадению всех более мелких альвеол легкого и к чрезмерному растяжению (и разрыву) более крупных, в результате чего легкое уже не могло бы выполнять своей функции. Как же мы всё-таки дышим? Рассматривая взаимодействие между соседними альвеолами, мы считали, что коэффициент поверхностного натяжения у различных альвеол одинаков и не зависит от того, в каком состоянии - раздутом или спавшемся - они находятся. Действительно, для обычных жидкостей коэффициент поверхностного натяжения не зависит от размеров поверхности. Однако для жидкости, содержащей определенные примеси, а уже начинает зависеть от площади поверхности, по которой она граничит с газом. Рис.6. Устройство для непрерывного измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости и его зависимости от площади ее поверхности На рис.6 показана установка, позволяющая измерять зависимость от площади поверхности жидкости. Она состоит из ванночки, которая разделена подвижной перегородкой на две части, и устройства, позволяющего непрерывно измерять Коэффициент поверхностного натяжения жидкости ά, заполняющей правый отсек ванночки. Измерение коэффициента поверхностного натяжения в данном случае производится следующим образом. Возьмем тонкую металлическую пластинку и погрузим один край ее вертикально в жидкость (см.рис.6). Если жидкость смачивает материал, из которого сделана пластинка, то жидкость устремляется вверх вдоль пластинки, образуя вогнутый мениск. В результате поверхность жидкости увеличивается и силы ее поверхностного натяжения, пытаясь вернуть площадь поверхности к исходной, действуют на пластинку с результирующей, направленной вниз и пропорциональной . Таким образом, вес смачиваемой жидкостью пластинки возрастает на величину, пропорциональную коэффициенту поверхностного натяжения. На этом принципе и основано измерение в установке на рис.6. С помощью такой установки было показано, что коэффициент поверхностного натяжения жидкости, смачивающей изнутри альвеолы, существенно зависит от площади соприкосновения этой жидкости с воздухом (рис.7). Рис. 7. Зависимость коэффициента поверхностного натяжения от площади контакта жидкости с воздухом (измерения сделаны на установке, показанной на рис. 56): 1 – альвеолярная жидкость здорового человека; 2 — альвеолярная жидкость, полученная от новорожденных, не способных к самостоятельномy дыханию; 3 - чистя вода. Стрелками указано изменение во времени полученных величии при вдохе и выдохе. Как следует из рис.7, при циклическом (частотой 0,2 Гц) увеличении и последующем уменьшении площади поверхности жидкости, имитирующем изменение площади альвеол при вдохе и выдохе соответственно, коэффициент альвеолярной жидкости не остается постоянным и изменяется от 310-3 до 510-2 Н/м. Для сравнения на том же графике показано, что значение для чистой воды при таких же изменениях площади поверхности остается постоянным. Но опять Природа все предусмотрела. Вещество, содержащееся в виде примеси в жидкости, смачивающей изнутри поверхность альвеол, так регулирует величину поверхностного натяжения, что а минимально в начале вдоха и максимально в его конце. Поэтому, несмотря на то, что диаметр альвеол в начале вдоха очень мал, вклад сил поверхностного натяжения невелик. Это позволяет раздуть спавшиеся альвеолы относительно малым давлением. В то же время, увеличение с увеличением радиуса альвеолы препятствует ее чрезмерному раздуванию в копне вдоха и тем самым предотвращает разрыв альвеолы. Кроме того, такая зависимость oт размера альвеолы стабилизирует взаимоотношения между соседними альвеолами, не позволяя проявляться механизму, показанному на рис. 5. Анализ зависимостей от площади при «вдохе» и «выдохе» (см. рис7) показывает, что они, совпадая в конечных точках, имеют различные значения в промежуточных. Имеет место так называемый гистерезис в зависимости коэффициента поверхностного натяжения от площади. И чем больше частота циклических изменений поверхности жидкости, тем больше выражен этот гистерезис. Откуда берутся в легком вещества, понижающие поверхностное натяжение и этим облегчающие дыхание? Оказалось, что их синтезируют специальные клетки, находящиеся в стенках альвеол. Синтез этих поверхностно-активных веществ (ПАВ) идет в течение всей жизни человека - от его рождения до смерти. У человека дыхание и биение сердца являются синонимами жизни. Сердце и легкие обеспечивают нас необходимым количеством энергии, доставляют тканям кислород и удаляют из них углекислоту. Поэтому остановка дыхания или кровообращения представляет большую опасность для жизни человека. Однако не все ткани одинаково нуждаются в непрерывном снабжении кислородом. Если с помощью жгута остановить кровообращение в руке или ноге на час или даже более, то это не вызовет повреждений в тканях этих органов. Почки тоже могут выносить перерывы в кровоснабжении. К сожалению, сердце и мозг очень чувствительны к недостатку кислорода. Поэтому удушье или остановка сердца в течение нескольких минут приводит к необратимым изменениям в их тканях. Во время ныряния у человека резко замедляется сердечный ритм (до 1/10 обычной частоты). Это происходит сразу же после погружения носовых отверстий в воду. Такое резкое замедление сердечного ритма в условиях кислородного голода позволяет значительно сократить расход кислорода сердцем - основным его потребителем в организме. Для того чтобы при нырянии кровоснабжение сердца и мозга не падало ниже допустимого уровня, диаметр сосудов остальных (кроме сердца и мозга) органов значительно уменьшается. Поэтому даже при малой частоте сокращений сердца снабжение кислородом сердца и мозга у ныряющих остается достаточным. Такой же механизм регуляции кровообращения при нырянии вырабатывается в результате тренировок у ловцов жемчуга, которые, как известно, могут находиться под водой несколько минут, погружаясь на глубину до 30 м. А что же делать нам с вами, не обладающим способностями ловцов жемчуга? Как обычный человек может постичь тайны глубин моря? По-видимому, самым первым приспособлением для длительного пребывания человека под водой была длинная трубка, соединяющая его рот с атмосферой. Однако дышать таким способом, находясь под водой, можно лишь тогда, когда глубина погружения не превышает 1,5 м. При большей глубине погружения разность между давлением воды, сжимающим грудную клетку, и давлением воздуха внутри нее так возрастает, что мы уже не можем увеличивать объем грудной клетки при вдохе и наполнять свежим воздухом легкие. Поэтому, находясь на глубине больше 1,5 м, можно дышать только воздухом, сжатым до давления, равного давлению воды на данной глубине. Для этих целей аквалангисты и берут с собой баллоны со сжатым воздухом. Однако погружение на разные глубины требует различного давления вдыхаемого воздуха. К сожалению, опыт использования аквалангов показал, что с их помощью можно погружаться на глубину не более 40 м. На большей глубине аквалангисту необходимо дышать воздухом, сжатым до давления больше 5 атм, в котором концентрация кислорода более чем в 5 раз превышает его концентрацию в атмосфере, что вызывает кислородное отравление. Человек может дышать чистым кислородом при атмосферном давлении лишь около суток. При более длительном дыхании кислородом возникает воспаление легких, оканчивающееся смертью. Дышать чистым кислородом, сжатым до 2-3 атм, человек может не больше 1,5-2 часов. Потом наступают нарушения координации движений, внимания и памяти. Для того чтобы избежать токсического действия O2, аквалангистам, погружающимся на большую глубину, готовят специальные дыхательные смеси, в которых процентное содержание кислорода ниже, чем в атмосферном воздухе. Однако трудности (и даже опасности) подстерегают аквалангиста, опустившегося на большую глубину, не только под водой, но и сразу после того, как он поднимется на ее поверхность. Уже давно было известно, что водолазы, быстро поднимающиеся с большой глубины, вскоре начинают испытывать сильную боль в суставах. Эта профессиональная болезнь водолазов получила название «кессонной» болезни. Оказалось, что неприятные ощущения в суставах только что поднявшихся с глубины водолазов вызваны образованием газовых пузырьков в тканях. Эти газовые пузырьки могут также быть причиной закупорки мелких кровеносных сосудов. Откуда же возникают эти газовые пузырьки? Они появляются точно так же, как образуются пузырьки в бутылке содовой воды, когда ее открывают. В обоих случаях пузырьки возникают при понижении давления над жидкостью, насыщенной газом при большем давлении. Кессонная болезнь возможна также при быстром подъеме на высоту в негерметичной камере. Избежать кессонной болезни можно, если поднимать водолаза с большой глубины достаточно медленно, делая необходимые паузы. Такие паузы в подъеме позволяют растворенному газу диффундировать через ткань к кровеносным сосудам, по которым он вместе с кровью поступает в легкие, а оттуда - в атмосферу, так и не образовав пузырьков. Считается, что кессонная болезнь не возникает при резком подъеме с глубины менее 9 м. Пребывание на глубине 30 м в течение часа требует при подъеме одной двухминутной остановки на глубине 6 м и 24-минутной остановки на глубине 3 м. В тех случаях, когда водолазы ежедневно работают на глубине больше 100 м в течение всего рабочего дня, признано целесообразным не уменьшать давления вдыхаемого ими воздуха даже в часы отдыха после подъема с глубины, так как это потребовало бы нескольких часов. Поэтому в промежутке между погружениями они отдыхают в специальных барокамерах, установленных на судах. Большую часть газовых пузырьков образует азот, так как кислород интенсивно потребляется клетками организма. Опасность развития кессонной болезни можно уменьшить, используя вместо азота гелий, который меньше растворим в воде и жирах и скорость диффузии которого в несколько раз больше, чем у азота. Большая скорость диффузии гелия позволяет сократить время подъема водолаза на поверхность. Все перечисленные выше трудности, связанные с пребыванием человека под водой, возникают из-за того, что он дышит там сжатым воздухом. А что если заставить человека «дышать» водой так, как это делают рыбы? Конечно, концентрация кислорода в воде, находящейся в равновесий с атмосферой, гораздо меньше, чем в воздухе (более чем в 20 раз). Но и этой его концентрации будет достаточно, чтобы при контакте с кровью насытить последнюю кислородом до нормального уровня. Кроме того, при желании можно увеличить концентрацию кислорода во «вдыхаемой» воде, если непрерывно пропускать через нее чистый кислород, а не воздух. Очевидно, что при «дыхании» водой, содержащей растворенный кислород, уже нет необходимости компенсировать повышение внешнего давления при погружении, так как по закону Паскаля давление воды внутри легких будет всегда равно наружному давлению. Поэтому усилия, необходимые для вдоха, не будут изменяться с глубиной погружения. Использование воды как носителя растворенного кислорода избавляет от опасности кислородного отравления, так как концентрацию кислорода во «вдыхаемой» воде можно сделать постоянной и равной его концентрации в атмосфере. По этой же причине исчезает опасность возникновения кессонной болезни. На рис. 8 показана схема установки, позволяющей «дышать» водой, насыщенной кислородом. Рис. 8. Схема установки, позволяющей «дышать» водой, насыщенной кислородом. Собаки и мыши с помощью такой установки могли в течение нескольких часов жить, «дыша» водой. Погибали они от того, что в их крови увеличивалась выше допустимого предела концентрация углекислоты. Таким образом, установка, изображенная на рис. 8, полностью удовлетворяя потребность животного в кислороде, не обеспечивает в достаточной мере вымывания из организма образующейся в нем углекислоты. В нормальных условиях (в покое) у млекопитающих в каждом литре выдыхаемого воздуха содержится около 50 мл СО2, а растворимость этого газа в воде такова, что каждый ее литр в тех же условиях может содержать не более 30 мл СО2. Поэтому для удаления всей углекислоты, образующейся в организме, необходимо прокачивать через легкие почти в 2 раза большие объемы воды по сравнению с необходимыми объемами воздуха. Согласно закону Бернулли разность давлений, необходимая для продвижения с определенной скоростью жидкой (или газовой) среды через трубу известной длины и диаметра, должна быть пропорциональна вязкости этой среды. А так как вязкость воды примерно в 30 раз больше, чем воздуха, самостоятельное «дыхание» водой потребует приблизительно в 60 раз больших затрат энергии. Итак, Природа наделила нас такими легкими, которыми пользоваться в морских глубинах невозможно, и для исследования этих глубин нам необходимы батискафы и подводные лодки. Поэтому Мировой океан, глубина которого в среднем составляет около 3 км, а площадь -70 % поверхности планеты, до сих пор остается практически неизученным. И хотя в январе 1960 г. Ж. Пиккар и Д. Уолш на батискафе «Триест» достигли дна Марианской впадины (глубина 11 км), до настоящего времени на глубине даже 1 км человек оставил меньше своих следов, чем на поверхности Луны. жүктеу/скачать 2.95 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|