Как мы дышим?

3

Как мы дышим?

Кандидат физико-mатематических наук
К. Ю. БОГДАНОВ

О чем рассказывает электронардиографма? КакLETУЧИЕ МЫШИ В ПОЛНОЙ ТЕМНОТЕ ЛОВЯТ МОШКАРУ? Как ПОЧТОВЫЕ ГОЛУБИ НАХОДЯТ ДОРУГУ ДОМОЙ? Ответы на эти и многое другие вопросы дает биофизика — наука, изучающая физические явления в живых организмах, лежащая на стыке физики и биологии, использующая новейшие достижения физики в биологических исследованиях. Попробуем и мы, вооружившись Школьными знаниями физики, ответить на, казалось бы, простой вопрос: как мы дышим?*)

Наша дыхательная система

При нормальном дыхании наш организм потребляет в день около 0,5 кг кислорода и выделяет почти также же количество углекислого газа. И поступление кислорода, и выход углекислого газа осуществляется через легкие.

Внутреннее пространство легких сообщается с атмосферой посредством воздуханых путьей. Воздухонные пути состоит из носовой полости, где выхаемый воздух подогревается и увлажняется, глотки, гортани, трахен и двух главных бронхов, подводяших воздуха к правому и левому легкому. Каждый бронх добится на более мелкие бронхи (бронхиолы) и заканчивается микросоппечими легочных пузырьками — альвеолами, окруженными со всех стороны сетью кровеносных сосудов. Альвеolы, которые у взрослого человека насчитывают около 700 миллионов, представляют собой соединенные друг с другом пузырьки, наполененные воздухаом (рис. 1). В каждый момент времени в кровеносных сосудах, оплетащих альвеolы, находится примерно 70 мл крови, из которого

*) От редакции и. Скоро выйдет в свет 49 выпуск «Виблотечки «Квант» — книга К. Ю. Борданова «Физик в гостях у биолога». Прочитать эту книгу мы советуем всем, кто любит физику, биологию; всем, кто любит задавать вопросы, гладая на окружающий нас мир.

1*

4

В 1929 году швейцарский ученый Карл фон Нингрард обнаружил, что давление, необходимое для развития легких, можно значительное уменьшить, если заполнить легкие физиологическим растором. Это никак не вызывась с представлением об альвеолах как о полых эластичных шариках: если бы при вдохе нам надо было преодолевать только силы упругостики, то наши усилия не зависялы бы от того, заполненое легкое растором или нет — ведь силы упругостики от этого не зависят. Данные, полученные Нингрардом, стали обясными, когда выяснились, что каждая альвеола изнутри покрыта тонким слоем жидкости. Это обстоятельство существенно влияет на механические свойства альвеолы. В частности, давление, необходимое для развития альвеолы, оказывается больше, чем в случае полого шарика из легочной ткани. И вот почему.

Известно, что поверхность жидкости ведет себя подобно растянутой пленке — обладает поверхностным натяжением. Чтобы оценить роль сил поверхностного натяжения в механике альвеолы, рассмотрим пленку жидкости, имеющего форму сферы (простейший пример такой пленки — мыльный пузырь).*) Давление воздуха внутри пузыря из-за поверхностного натяжения жидкости всегда оказывается больше внешнего давления. Величина избыточного давления внутри сферы радиуса $R$ определяется соответствием Лапласа $\Delta p=2\sigma/R$, где $\sigma$ — коэффициент поверхностного натяжения пленки. Это избыточное давление тем больше, чем меньше радиус сферы. В пленке мыльного пузыря и внутренняя, и внешняя поверхности соприкасаются с воздействием $\sigma$ пленки равно удвоенному значению коэффициента поверхностного натяжения жидкости. В альвеолах контакт воздуха — жидкость осуществляется лишь с одной стороны, изнутри.

Давайте оценим величины $\Delta p$. Для межклетной жидкости $\sigma = 5 \cdot 10^{-2}$ Н/m; примем это значение и для жидкости, выстилаюшей внутреннюю поверхность альвеолы. По-

*) В серии «Виблотечка «Квант» в 1985 году (46 выпуск) вышла книга Я. Е. Гегузина «Пузыри». В ней читатель найдет подробное объяснение поверхности мыльных пузырей в разных условиях и вообще много интересного из жизни пузырей. (Примеч. ред.)

5

лы, имеющие разные размеры. Предположим сначала, что воздушные полости альвеол не сообщаются друг с другом (рис. 3, а). Давление воздуха $p_1$ в левой альвеоле больше, чем давление $p_2$ в правой (поскольку $R_1 < R_2$). Поэтому, как только мы открыем «кран», соединяющий воздушные полости альвеол, воздух из левой альвеол начинает перетекать в правую, пока давление в обеих альвеолах нестанет одинаковым (рис. 3, б). Таким образом, при соединении воздушных полостей двух неодинаковых альвеол большая всегда будет раздувать, а меньшая — спадать. Очевидно, что такое взаимодействие между соседними альвеолами привело бы кладению всех мелких альвеол легкого и к разрыву крупных; в результате легкое уже не могло бы выполнять свой функции. Как же мы все-tаки дышим?

Рассматривая взаимодействие между соседними альвеолами, мы заранее считали, что поверхность натяжение одинаково у различных альвеол и не зависит от того, в каком состоянии — раздутом или справшемся — они находятся. У чистых жидкостей поверхность натяжение действительное не зависит от размеров поверхности. Но у жидкостей, содержащих различные примеси, σ зависит от величины поверхности, по которой они граничат с газом.

Опять Природа все предусмотрела. Вещество, содержащесся в виде примеси в жидкости, смачивающей изнутри поверхность альвеол, так регулярен величину поверхностного натяжения, что σ минимально в начале вдоха (minimalная поверхность) и максимально в его конце (maximalная поверхность). Поэтому, несмотря на то, что радиус альвеол в начале вдоха очень мал, включающий структуре очень близки к общимому мылу и при расторении образуют тонкую лепенку на поверхности воды. Если концентрация примеси высока, так что лепенка может покрыть непрерывным слоем всего поверхность воды, то σ такой жидкость равняется определенному для данной примеси значению. Когда же концентрация примеси недостаточна, чтобы покрыть лепенкой всего поверхность, поверхность натяжение жидкости будет находиться между соответствующими значениями σ для воды и примеси. В этих случаях поверхность жидкости ведет к уменьшению поверхностной концентрации примеси и вызывает увеличение σ, приближая его значение к σ для воды. При уменьшении поверхности жидкости σ будет уменьшаться.

Теперь посмотрим на рисунок 4. На нем приведены зависимости поверхностного натяжения от площади поверхности контакта лепенка с воздуха. Обратите внимание: при одной и той же площади поверхности контакта лепенка σ на «вдохе» всегда больше, чем на «выдохе». Связан это вот с чем. Примесь, попижащая поверхность натяжение, находится не только на поверхности лепенки, но и в ее объекте.

6

me. При увеличении площади поверхности, то есть при уменьшении концентрации примеси на поверхности, часть молекул примеси из глубины жидкости устремляется к поверхности. Однако равновесие устанавливается не мгновенно. Поэтому, например, в начале «вдоха» быстро увеличение поверхности жидкости сопротивляется резким ростом σ, так как расторжение в объеме примеси не успевают выйти на поверхности; равновесие между примесными молекулиами наступает лишь в конце «вдоха». Точно также, только в конце «вдоха» σ соответствует равновесному состоянию. Эти и объясняются зависимость σ от площади поверхности, показанная на рисунке 4.

Откуда берется в легких вещества, попижающие поверхности натяжение и этим облегчающие наше дыхание? Окзадость, что их синтезируют специальные клетки, находится в стенках альвеол. Синтез этих веществ, называемых поверхностноактивными веществами (ПАВ), идет в течение всей жизни человека — от его рождения до смерти. Кривая 2 на рисунке 4 соответствует легочной жидкости с понженным содержанием ПАВ. Видно, что минимальное значение σ почти в восемь раз увеличено по сравнению с нормой. В тех редких случаях, когда у новорожденного отсутствует в легких клетки, производящие ПАВ, ребенок не может самостоятельно сделать первого водоха. К сожалению, до сих пор многоноворожденных во всем мире умирает, так и не сделав своего первого водоха, из-за недостатка или отсутствия в их альвеолах ПАВ.

Исключение из правил

Однако многоные животные,дышашие легкими,совсем не страдают от того, что в их альвеолах нет ПАВ. В первую очередь это относится к холоднокровным — лягушкам, ящерцам, змеям, крокодилам и т. д. Так как этим животным не надо траить энергию на обогрев собственного организма, их потребности в кислороде в среднем вдесят раз меньше, чем у теплокровных. Поэтому и поверхность легких, через которое происходит газообмен между кровью и воздухам, у холоднокровных меньше, чем у теплокровных. Относительное уменьшение площади поверхности легкого, приходящей на единицу его объема, у холоднокровных связано с увеличением приблизительного вдесят раз диаметра их альвеол по сравнению с альвеолами теплокровных. Относительное больший раздиус альвеол позволяет легко раздувать их даже в отсутствие на их внутренней поверхности ПАВ (ведь Δp~1/R).

Второй группой животных, в легких которых отсутствует ПАВ, является птицы. Птицы — теплокровные и ведут довольно бойкий образ жизни. Энергетическая затрата птиц и млекопитающих одинакового веса близки между собой. Высоки и потребности птицы в кислороде. Причем легкие птицы обладают уникальной способностью насыщать кровь кислородом при попете на больший высоте (около 6000 м), где его концентрация в воздухае падает в два раза по сравнению с концентрацией на уровне моря. Любое млекопитающее (в том числе и человека) на такой высоте начинает испытывать недостаток кислорода, резко ограничивает свою дигетальную активность, а иногда даже впадает в получиморочное состояние. Как же удается легким птицы, не имеющим ПАВ,ышать и насыщать кровь кислородом? Почему это не получается у млекопитающих?

7

Зайmemся самокритикой. Чем плохи нашли легкие? Во-первых, не весь видхаемый воздух участует в газообмене с крывью: воздух, оказавшийся в конце вдоха в трахее и бронхах, не сможет отдать кислород в крывь и взять оттуда углекислый газ, так как в этих местах легкого практических отсутствуют кровеносные сосуда. Позному часть объема легких, занимаемую трахеей и бронхами, приято называть «мертвым пространством». Общибое «мертвое пространство» легких человека имеет объем около 150 см³. Можно искусственно увеличить объем «мертвого пространства», если заставить себя дышать через длину трубку. Каждый, кто пытается так делать, наверное, заметил, что при этом необходимо увеличивать глубину дыхания (объем вдыхаемого воздуха). Очевидно, что если объем «мертвого пространства» сделать равным максимальным возможному вдоху (около 4,5 дм³), то человек начинает задыхаться, так как свежий воздуха вообще перестанет поступать в альвеoli. Таким образом, существование «мертвого пространства» в дыхательной системе млекопитающих является «ошибкой» Природы.

Создавая легкие млекопитающих, Природа, по нашему мнению, сделала и вторую «ошибку». Этот недостаток связаан с тем, что движение воздуха в легких меняет свое направление при переходе от вдоха к вдоху. Позному почти половину времени легкие практические безопасности — во время вдоха свежий воздуха в альвеoli не поступает.

А вот у птиц Природа вовь достигает совершенства. Помимо обычных легких, у птиц есть дополнительная система, состоящая из пятни и более пар воздушных мешков, связанных с легками (рис. 5). Полости этих мешков широко разветвляются в теле и заходят в неокотые кости, иногда даже в мелкие кости фаланг пальцев. В результате дыхательная система утики занимает около 20 % объема тела (2 % — легкие и 18 % — воздушные мешки), в то время как у человека — лишь 5 %. Легкое птицы, в отличие от легкого млекопитающего, представляют собой совершенствованный паралельно соединенных открытых с дыхоном тоненых трубок, окруженных кровеносными сосудами. Соединение мешков с легками таково, что во время вдоха воздуха через легкое птицы течение в том же направлении, что и при выдохе. Позному во время дыхания у птиц изменяются только объемы воздуха мешков, а объем легкого остается практическими постоянными. А разнет необходимости раздувать легкое, то не нужны и поверхностно-активные вещества в птичих легких.

Вот как много интересного можно расскаазать в ответ на, казалось бы, простой вопрос — как мы дышим.