copie
1 CUM SUNT REZULTAT? K. Bogdanov Care este electrocardiograma? Cum pot prinde liliecii în întuneric complet tantarii? Cum își găsesc acasă porumbeii postali? Răspunsuri la aceste și multe alte întrebări biofizica știința care studiază fenomenele fizice în organismele vii, care se află la intersecția fizică și biologie, folosind cele mai recente realizări ale fizicii în cercetarea biologică. Încercați-ne, înarmați cu cunoștințe de fizică școală, pentru a răspunde la o întrebare aparent simplă: cum putem respira? Sistemul nostru respirator în timpul respirației normale organismul nostru consumă zilnic aproximativ 0,5 kg de oxigen și alocă aproape aceeași cantitate de dioxid de carbon. Și aprovizionarea cu oxigen și producția de dioxid de carbon sunt purtate prin plămâni. Spațiul interior al plămânilor comunică cu atmosfera prin căile respiratorii. Airways constau din cavitatea nazală, unde aerul inhalat este umidificat și încălzit, faringe, laringe, trahee și două bronhiile principale de alimentare cu aer la dreapta și la stânga pulmonare. Fiecare bronhia zdrobit în bronhii mai mici (bronhiole) și se termină cu bule microscopice de alveolele pulmonare, înconjurat pe toate părțile de o rețea densă de vase de sange. Alveolele, care are aproximativ 700 de millionov adult, este de bule interconectate umplut cu aer. Diametrul alveolelor este de 0,1 mm, grosimea pereților lor fiind de 0,4 μm. Suprafața totală a alveolei la adult este de aproximativ 100 m 2. La fiecare dată în vasele de sânge, încurcare alveolelor este de aproximativ 70 ml de sânge din care alveolele dispersează dioxid de carbon și oxigen în sens invers. Alveolele enormă suprafață permite mai puțin de o secundă pentru a satura sangele cu oxigen si eliberarea de dioxid de carbon în exces. Respirație și bule de săpun Este ușor pentru noi să inspiram? În ceea ce privește presiunea aerului în plămân (alveolele interior) în timpul inspirației depășește presiunea exterioară (și cavitatea pleurală)? Dacă se presupune că fiecare alveolă o minge cav din membrană elastică, atunci presiunea necesară pentru a menține această minge în stare umflată, atunci când o anumită presiune externă trebuie să fie determinată în întregime bilă cu diametrul de elasticitate și proprietăți ale membranei. Este așa? În 1429 un om de știință elvețian Karl von Niirgard a constatat că presiunea necesară pentru a umfla plamani, poate fi redus în mod semnificativ în cazul în plămâni pentru a umple cu soluție salină. Acest lucru nu corespunde cu ideea de alveolelor ca o bile goale flexibile: dacă inspirator a trebuit să depășească numai forța elastică, atunci eforturile noastre nu va depinde de faptul dacă umplute sau nu o soluție ușoară, deoarece forța elastică a acestui nu depinde. Datele obținute Niirgardom devin ușor de înțeles atunci când sa constatat că fiecare alveolă interior acoperit cu un strat subțire de lichid. Această circumstanță afectează în mod semnificativ proprietățile mecanice ale alveolelor. În special, presiunea necesară pentru umflarea alveolelor, este mai mare decât în cazul balonului tubular din țesutul pulmonar. Și de asta. Este cunoscut faptul că suprafața unui lichid se comportă ca un film întins cu o tensiune superficială. Pentru a evalua rolul tensiunii superficiale in mecanica alveolelor, ia in considerare un film lichid având o formă de sferă, cel mai simplu exemplu de un astfel de bule de film. Presiunea aerului din interiorul bulei datorită tensiunii superficiale a lichidului este întotdeauna mai mare decât presiunea externă. Magnitudinea presiunii în exces în interiorul unei sfere de rază R este definit de relația Laplace p = 2σ R, unde σ este tensiunea superficială a filmului. Această presiune în exces este mai mare, 1
2 cu cât raza sferei este mai mică. În pelicula bulei de săpun, ambele suprafețe interioare și exterioare ajung în contact cu aerul, iar σ din film este egal cu dublul coeficientului de tensiune superficială a lichidului. În alveole, aerul este contactat numai pe o parte, din interior. Fig. 1 Să estimăm valoarea p. Pentru fluidul intercelular σ = N / m; vom lua această valoare și pentru căptușeala lichidă a suprafeței interne a alveolelor. Presupunând că R = 50 μm = m, obținem p = N / m 2. Figura 1 prezintă dependența volumului plămânilor de presiunea din interiorul lor (mai exact, cât de mult această presiune depășește presiunea externă). Se poate observa din grafice că, dacă nu toate, atunci cel puțin o parte semnificativă a presiunii care se întinde pe plămâni în timpul inspirației merge pentru a depăși forțele de tensiune superficială. Când plămânii sunt umpluți cu soluție fiziologică, este necesară o presiune suplimentară numai pentru a depăși proprietățile elastice ale țesutului pulmonar. Evident, diferența dintre cele două curbe din Figura 1 reprezintă contribuția forțelor de tensiune de suprafață la elasticitatea plămânului. În cazul inhalării obișnuite, volumul plămânilor umane este de aproximativ 50% din volumul maxim. După cum reiese din figura 1, în acest domeniu, contribuția forțelor de tensionare de suprafață este mai mare de 30%. Nu atât de simplă Atrăgarea forțelor de tensiune superficială pentru a explica proprietățile mecanice ale plămânului conduce la următorul "paradox" în explicarea interacțiunii dintre alveolele vecine. Figura 2 prezintă schematic două alveole adiacente de dimensiuni diferite. Să presupunem mai întâi că cavitățile de aer ale alveolelor nu comunică între ele (figura 2, a). Presiunea de aer p 1 în alveolusul stâng este mai mare decât presiunea p 2 din alveolusul drept (deoarece R 1 dacă ($ this-> show_pages_images $ page_num doc ['images_node_id'])
4 este încă o mulțime de copii din intreaga lume mor si nu face prima sa respiratie, din cauza lipsei sau absența de surfactant în alveolele lor. Fig. 3 Excepția de la regula, cu toate acestea, multe animale respira ușor, nu suferă de faptul că nu există nici un agent activ de suprafață în alveolele lor. În primul rând este vorba despre sânge rece broaște, șopârle, șerpi, crocodili, și așa mai departe. D. Din moment ce aceste animale nu trebuie să deșeuri de energie pe încălzirea corpului propriu, nevoile lor de oxigen, în medie, de zece ori mai mică decât cea a animalelor cu sânge cald. Prin urmare, suprafața plămânilor, prin care are loc schimbul de gaze dintre sânge și aerul rece mai puțin de cald. Scăderea relativă a suprafeței luminii pe unitatea de volumul său, la rece, asociată cu o creștere de aproximativ zece ori diametrul alveolelor comparativ cu alveolele homeoterme. Relativ mare raza alveolelor vă permite să le umfla cu ușurință, chiar și în absența suprafeței interioare de suprafață (pentru p
1 / R). Cel de-al doilea grup de animale, în plămânii cărora nu există agenți tensioactivi, sunt păsări. Păsările sunt cu sânge cald și conduc un mod destul de plin de viață. Costurile energetice ale păsărilor și mamiferelor cu o greutate similară se apropie una de alta. Nevoile de păsări în oxigen sunt de asemenea ridicate. Mai mult decât atât plămânii de păsări au o abilitate unica de a satura de oxigen din sange la zbor mare altitudine (aproximativ 6000 m), unde concentrația sa în aer scade de două ori concentrația la nivelul mării. Orice mamifer (inclusiv om), la o înălțime începe să se simtă lipsa de oxigen, limitează drastic activitatea motorie, și, uneori, chiar și cade într-o stare semiconscious. Cum poate o pasăre ușoară, fără surfactant, să respire și să oxigeneze sângele? De ce nu este obținut la mamifere? Ne vom angaja în autocritică. Ce este rău pentru plămânii noștri? În primul rând, nu tot aerul pe care îl respirați este implicat în schimbul de gaze cu sânge: aer prins în cele din urmă de inhalare în trahee și bronhii, nu va fi în măsură să dea oxigen în sânge și scoate dioxidul de carbon, deoarece în aceste zone nu sunt, practic, nici un vas de sange pulmonare. Prin urmare, o parte din volumul pulmonar ocupat de trahee și bronhii, numit „spațiul mort“. De obicei, „mort spațiu“ de plămân uman are o capacitate de aproximativ 150 cm 3. Este posibil să se mărească în mod artificial cantitatea de „spațiu mort“, se forțeze în cazul în care respiră printr-un tub lung. Oricine a încercat să facă acest lucru, probabil, a observat că, atunci când este necesar pentru a crește adâncimea de respirație (volum mareelor). Evident, în cazul în care cantitatea de „spațiu mort“ este făcută egală cu inhalarea maximă posibilă (aproximativ 4,5 dm 3), atunci persoana începe să se înece, deoarece aerul curat, la toate nu vor mai intra în alveolele. Astfel, existența „spațiu mort“ în sistemul respirator al mamiferelor este „eroare“ a naturii. Creând mamiferele ușoare, Natura, în opinia noastră, a făcut a doua "greșeală". Acest dezavantaj se datorează faptului că mișcarea aerului din plămâni schimbă 4
5 direcții atunci când mergeți de la inspirație la expirație. De aceea, aproape jumătate din timp, plămânii sunt aproape inactivi în timpul expirării, aerul curat nu intră în alveole. Dar păsările din nou Natura a ajuns la perfecțiune. În plus față de plămânii convenționali, păsările au un sistem suplimentar format din cinci sau mai multe perechi de airbaguri asociate cu plămânii. Cavitățile acestor pungi sunt larg ramificate în corp și intră în niște oase, uneori chiar și în oase mici, falange de degete. Ca rezultat, sistemul respirator al raței, de exemplu, ocupă aproximativ 20% din volumul corpului (2% lumină și 18% airbag), în timp ce omul doar 5%. Plămânul unei păsări, spre deosebire de un mamifer, este o colecție de tuburi subțiri conectate în paralel pe ambele părți, înconjurate de vasele de sânge. Racordarea pungilor cu plămânii este astfel încât în timpul aerului de inhalare prin plămânul păsării curge în aceeași direcție ca în timpul expirării. Prin urmare, în timpul respirației, păsările schimbă numai volumul de airbaguri, iar volumul pulmonar rămâne aproape constant. Și din moment ce nu este nevoie să umflați plămânul, atunci nu sunt necesare surfactanți în plămânii aviați. Iată cât de interesant puteți spune ca răspuns la o întrebare aparent simplă despre modul în care respiram. 5
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: