Биофизика тканей и скелета человека 3 Биофизика дыхания 15
жүктеу/скачать 2.95 Mb.
|
Биофизика дыханияВ данном пункте рассматривается, как разность давлений, диффузия и горение помогают человеку дышать. Дыхание – это перенос кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь покровы в результате диффузии. Этот процесс протекает тем быстрее, чем больше площадь поверхности соприкосновения тела и окружающей среды и чем тоньше покровы. Как легким, занимающим около 5% объема всего нашего тела, удастся выполнить эту задачу? Рис.1. Схематическое изображение легких и воздухоносных путей человека На рис. 1 схематически показаны легкое человека и воздухоносные пути, через которые внутреннее пространство легкого сообщается с атмосферой. Воздухоносные пути состоят из носовой полости, где вдыхаемый воздух подогревается и увлажняется, гортани, трахеи и двух бронхов, подводящих воздух к правому и левому легкому. Каждый бронх может претерпевать 15 и более разветвлений, дробясь на более мелкие бронхи (бронхиолы), прежде чем закончиться микроскопическими мешочками (альвеолами), окруженными густой сетью кровеносных сосудов. Альвеолы, которых у взрослого человека насчитывается около 300 миллионов, представляет собой пузырьки, наполненные воздухом (рис. 2). Средний диаметр альвеол — примерно 0,1 мм, а толщина их стенок — 0,4 мкм. Общая поверхность альвеол в легких человека составляет около 90 м2. В каждый момент времени в кровеносных сосудах, оплетающих альвеолы, находится приблизительно 70 мл крови, из которой в альвеолы диффундирует углекислый газ, а в обратном направлении — кислород. Такая огромная поверхность альвеол дает возможность уменьшить толщину слоя крови, обменивающейся газами с внутриальвеолярным воздухом, до 1 мкм, что позволяет менее чем за 1 с насытить это количество крови кислородом и освободить ее от избытка углекислоты. Рис. 2. Схема газообмена в легких. Диффузия кислорода О2 и углекислого газа СО2 через стенки альвеол. Следует отметить, что у человека в дыхании принимают участие не только легкие, но и вся поверхность тела - кожа от пяток до головы. Особенно усиленно дышит кожа на груди, спине и животе. Интересно, что по интенсивности дыхания эти участки кожи значительно превосходят легкие. Так, например, с единицы поверхности такой кожи может поглощается на 28% больше O2, а выделяться на 54% больше СО2, чем в легких. Это превосходство кожи над легкими обусловлено тем, что кожа «дышит» чистым воздухом, а свои легкие мы проветриваем плохо. Однако доля участия кожи в дыхании у человека ничтожна по сравнению с легкими: ведь общая поверхность тела составляет у него менее 2 м2 и не превышает 3% суммарной поверхности легочных альвеол. Когда мы делаем вдох, объем легких увеличивается и в них поступает воздух из атмосферы. Так как альвеолы - наиболее эластичная часть легкого, практически все изменения объема легких при вдохе и выдохе происходят за счет соответствующих изменении объема альвеол. При вдохе альвеолы расширяются, а при выдохе сжимаются. Около 15000 раз в день мы растягиваем альвеолы наших легких, совершая при этом механическую работу, составляющую от 2 до 25% всех наших энергетических затрат. Чем определяется величина этой работы? Работа, которую мы совершаем при дыхании, расходуется на преодоление нескольких типов сил сопротивления. Первая, наиболее заметная часть тратится на растяжение легких. Вторая представляет собой работу, затрачиваемую на продвижение воздуха по воздухоносным путям к альвеолам. Течение воздуха может иметь ламинарный или турбулентный характер, и от того, каким он будет, зависят энергетические затраты. Полость носа устроена так, что здесь создаются турбулентные потоки вдыхаемого воздуха. Это необходимо для того, чтобы более эффективно согревать воздух и отделять присутствующие в нем инородные частицы, вроде того, как это происходит в центрифуге. Турбулентность во вдыхаемом потоке воздуха возникает также в многочисленных местах ветвления бронхиального дерева. Так как ламинарное течение газа переходит в турбулентное при увеличении его скорости, очевидно, что относительный вклад сил сопротивления при дыхании будет зависеть от его частоты. Замечено, что частота, с которой мы обычно дышим (около 15 вдохов в минуту), соответствует минимальным энергетическим затратам на дыхание. «Жизнь-это горение». Эти слова принадлежат знаменитым французским ученым XVIII века Л. Лавуазье и чем, кроме непрерывного горения, можно объяснить то, что температура нашего тела постоянна и почти всегда выше температуры окружающей среды? Лавуазье и Лаплас считали, что «печка», обогревающая человека, находится в легких, где углерод живой ткани, как в обычной печке, вступает в химическую реакцию с кислородом воздуха, образуя углекислый газ, и в результате этой реакции выделяется необходимое тепло. На самом деле реакция, в которой участвует кислород, происходит не только в клетках легких, но и во всех клетках организма, куда его доставляет кровь. Кроме того, процесс, протекающий в организме с участием кислорода и обеспечивающий нас энергией (и, в частности, теплом), не имеет ничего общего с реакцией прямого сгорания углерода, а представляет собой длинную цепь химических реакций, одним из конечных продуктов которой оказывается СО2. И все же в некоторых случаях ради простоты можно рассматривать наш организм как «печку», потребляющую в день около 0,5 кг кислорода и выделяющую за это время почти такое же количество углекислого газа. Если продолжить предложенную Лавуазье и Лапласом аналогию, то легким в этой «печке» отводится роль поддувала, через которое поступает кислород, и трубы, предназначенной для выхода углекислого газа. Интересно, что еще в XVII веке известный английский физик Р. Бойль, открывший один из газовых законов, утверждал, что, проходя через легкие, кровь «освобождается от вредных испарений». Изучив систему дыхания человека, стало возможным создание такого сложного устройства, как аппарат искусственного дыхания. Такой аппарат помогает медикам проводить сложные операции на сердце и легких. жүктеу/скачать 2.95 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|