Биофизика тканей и скелета человека 3 Биофизика дыхания 15



бет4/6
Дата19.08.2023
өлшемі2.95 Mb.
#476127
түріРеферат
1   2   3   4   5   6
Проект Биофизика человека

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 310-3 до 510-2 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.


Достарыңызбен бөлісу:
1   2   3   4   5   6




©dereksiz.org 2024
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет