Chúng ta thở như thế nào?

3

Chúng ta thở như thế nào?

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
K. Y. BOGDANOV

Điện tâm đồ cho bạn biết điều gì? Làm thế nào để dơi bắt muỗi trong bóng tối hoàn toàn? Chim bồ câu tìm đường về nhà bằng cách nào? Đáp số những câu hỏi này và nhiều câu hỏi khác được giải đáp bởi vật lý sinh học - một ngành khoa học nghiên cứu các hiện tượng vật lý trong cơ thể sống, nằm ở điểm giao thoa giữa vật lý và sinh học, sử dụng những thành tựu mới nhất của vật lý trong nghiên cứu sinh học. Hãy thử, trang bị kiến ​​thức vật lý ở trường của chúng ta, để trả lời một câu hỏi có vẻ đơn giản: chúng ta thở như thế nào?*)

Hệ hô hấp của chúng ta

Trong quá trình thở bình thường, cơ thể chúng ta tiêu thụ khoảng 0,5 kg oxy mỗi ngày và thải ra gần như cùng một lượng carbon dioxide. Cả sự xâm nhập của oxy và sự thoát ra của carbon dioxide đều xảy ra qua phổi.

Không gian bên trong của phổi giao tiếp với khí quyển thông qua đường hô hấp. Đường hô hấp bao gồm khoang mũi, nơi không khí thở ra được làm nóng và làm ẩm, hầu họng, thanh quản, khí quản và hai phế quản chính cung cấp không khí cho phổi phải và phổi trái. Mỗi phế quản mở rộng thành các phế quản nhỏ hơn (tiểu phế quản) và kết thúc bằng các túi vi phổi - phế nang, được bao quanh tứ phía bởi một mạng lưới mạch máu. Phế nang, có số lượng khoảng 700 triệu ở người trưởng thành, là những bong bóng chứa đầy không khí được kết nối với nhau (hình 1). Tại bất kỳ thời điểm nào, các mạch máu bao quanh phế nang chứa khoảng 70 ml máu, từ đó

*) Từ biên tập viên và. Số thứ 49 của “Viblotechka «Kvant»” - cuốn sách của K. Yu. Bordanov “Nhà vật lý đến thăm nhà sinh vật học” sẽ sớm được xuất bản. Chúng tôi khuyên những ai yêu thích vật lý và sinh học nên đọc cuốn sách này; cho tất cả những ai thích đặt câu hỏi, quan sát thế giới xung quanh chúng ta.

1*

4

Năm 1929, nhà khoa học Thụy Sĩ Carl von Ningrad phát hiện ra rằng áp lực cần thiết cho sự phát triển của phổi có thể giảm đáng kể bằng cách lấp đầy phổi bằng dung dịch sinh lý. Điều này không liên quan gì đến ý tưởng coi phế nang là những quả bóng đàn hồi rỗng: nếu khi hít vào, chúng ta chỉ phải thắng lực đàn hồi, thì nỗ lực của chúng ta sẽ không phụ thuộc vào việc phổi có chứa đầy dung dịch hay không - xét cho cùng, lực đàn hồi không phụ thuộc vào điều này. Dữ liệu mà Ningrad thu được trở nên rõ ràng hơn khi hóa ra mỗi phế nang được bao phủ từ bên trong bằng một lớp chất lỏng mỏng. Tình huống này ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học của phế nang. Đặc biệt, áp lực cần thiết cho sự phát triển của phế nang lớn hơn so với trường hợp một quả bóng mô phổi rỗng. Và đây là lý do tại sao.

Người ta biết rằng bề mặt của chất lỏng hoạt động giống như một màng bị kéo căng - nó có sức căng bề mặt. Để đánh giá vai trò của lực căng bề mặt trong cơ học của phế nang, hãy xem xét một màng chất lỏng có hình cầu (ví dụ đơn giản nhất về màng như vậy là bong bóng xà phòng).*) Do sức căng bề mặt của chất lỏng, áp suất không khí bên trong bong bóng luôn lớn hơn áp suất bên ngoài. Độ lớn của áp suất dư bên trong một quả cầu có bán kính $R$ được xác định bằng tương ứng Laplace $\Delta p=2\sigma/R$, trong đó $\sigma$ là hệ số căng bề mặt của màng. Áp suất dư này càng lớn thì bán kính của quả cầu càng nhỏ. Trong màng bong bóng xà phòng, cả mặt trong và mặt ngoài đều tiếp xúc với một lực tác động $\sigma$ của màng bằng hai lần hệ số căng bề mặt của chất lỏng. Trong phế nang, sự tiếp xúc giữa không khí và chất lỏng chỉ xảy ra ở một bên, từ bên trong.

Hãy ước tính các giá trị của $\Delta p$. Đối với dịch gian bào $\sigma = 5 \cdot 10^{-2}$ N/m; Chúng ta cũng hãy chấp nhận giá trị này đối với chất lỏng lót bề mặt bên trong của phế nang. Qua-

*) Trong loạt bài “Viblotechka «Kvant»” năm 1985 (số 46), Ya. Cuốn sách “Bong bóng” của E. Geguzin đã được xuất bản. Trong đó, người đọc sẽ tìm thấy lời giải thích chi tiết về bề mặt của bong bóng xà phòng trong các điều kiện khác nhau và nói chung là rất nhiều thông tin thú vị về vòng đời của bong bóng. (Ghi chú của biên tập viên)

5

ly có kích thước khác nhau. Trước tiên chúng ta hãy giả sử rằng các khoang khí của phế nang không thông tin với nhau (hình 3, a). Áp suất không khí $p_1$ ở phế nang bên trái lớn hơn áp suất $p_2$ ở phế nang bên phải (vì $R_1 < R_2$). Do đó, ngay khi chúng ta mở “vòi” nối các khoang khí của phế nang, không khí từ phế nang bên trái bắt đầu chảy vào bên phải cho đến khi áp suất ở cả hai phế nang trở nên như nhau (hình 3, b). Như vậy, khi nối các khoang khí của hai phế nang không bằng nhau, phế nang lớn hơn sẽ luôn phồng lên và phế nang nhỏ hơn sẽ xẹp xuống. Rõ ràng, sự tương tác như vậy giữa các phế nang lân cận sẽ dẫn đến sự xẹp của tất cả các phế nang nhỏ của phổi và làm vỡ các phế nang lớn; kết quả là phổi không thể thực hiện được chức năng của nó nữa. Làm thế nào chúng ta vẫn còn thở?

Khi xem xét sự tương tác giữa các phế nang lân cận, chúng tôi đã giả định trước rằng sức căng bề mặt là như nhau đối với các phế nang khác nhau và không phụ thuộc vào trạng thái của chúng - phồng lên hay xẹp xuống. Trong chất lỏng nguyên chất, sức căng bề mặt thực tế không phụ thuộc vào kích thước của bề mặt. Nhưng đối với chất lỏng chứa nhiều tạp chất khác nhau, σ phụ thuộc vào kích thước bề mặt mà chúng tiếp giáp với khí.

Một lần nữa, Thiên nhiên đã chu cấp cho mọi thứ. Chất chứa dưới dạng tạp chất trong chất lỏng làm ướt bề mặt phế nang từ bên trong có giá trị sức căng bề mặt đều đặn đến mức σ là tối thiểu khi bắt đầu hít vào (bề mặt tối thiểu) và tối đa ở cuối (bề mặt tối đa). Do đó, mặc dù thực tế là bán kính của phế nang khi bắt đầu hít vào rất nhỏ nhưng cấu trúc bao gồm rất gần với xà phòng thông thường và khi hòa tan sẽ tạo thành một lớp màng mỏng trên bề mặt nước. Nếu nồng độ của tạp chất cao để màng có thể bao phủ toàn bộ bề mặt nước bằng một lớp liên tục thì σ của chất lỏng đó bằng giá trị được xác định cho một tạp chất nhất định. Khi nồng độ tạp chất không đủ để bao phủ toàn bộ bề mặt bằng một lớp màng thì sức căng bề mặt của chất lỏng sẽ nằm giữa các giá trị tương ứng của σ đối với nước và tạp chất. Trong những trường hợp này, bề mặt chất lỏng dẫn đến giảm nồng độ bề mặt của tạp chất và làm tăng σ, đưa giá trị của nó đến gần σ đối với nước. Khi bề mặt chất lỏng giảm đi thì σ sẽ giảm đi.

Bây giờ chúng ta hãy xem hình 4. Nó cho thấy sự phụ thuộc của sức căng bề mặt vào diện tích bề mặt tiếp xúc của khuôn với không khí. Xin lưu ý: đối với cùng một diện tích bề mặt tiếp xúc, khuôn σ khi “hít vào” luôn lớn hơn khi “thở ra”. Điều này được kết nối với điều này. Tạp chất làm giảm sức căng bề mặt không chỉ nằm trên bề mặt khuôn mà còn ở vật thể của nó.

6

Tôi. Khi diện tích bề mặt tăng lên, nghĩa là nồng độ tạp chất trên bề mặt giảm, một số phân tử tạp chất từ ​​độ sâu của chất lỏng sẽ lao lên bề mặt. Tuy nhiên, trạng thái cân bằng không được thiết lập ngay lập tức. Do đó, ví dụ, khi bắt đầu “hít vào”, bề mặt chất lỏng tăng nhanh bị cản trở bởi sự tăng mạnh của σ, vì sự hòa tan trong thể tích tạp chất không có thời gian để chạm tới bề mặt; trạng thái cân bằng giữa các phân tử tạp chất chỉ xảy ra khi kết thúc quá trình “hít vào”. Tương tự như vậy, chỉ khi kết thúc quá trình “hít vào” σ mới tương ứng với trạng thái cân bằng. Những điều này giải thích sự phụ thuộc của σ vào diện tích bề mặt được thể hiện ở hình 4.

Các chất trong phổi đến từ đâu có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt và nhờ đó giúp chúng ta thở dễ dàng hơn? Rõ ràng chúng được tổng hợp bởi các tế bào đặc biệt nằm trong thành phế nang. Sự tổng hợp các chất này, được gọi là chất hoạt động bề mặt, xảy ra trong suốt cuộc đời của một người - từ khi sinh ra cho đến khi chết. Đường cong 2 ở hình 4 tương ứng với dịch phổi có hàm lượng chất hoạt động bề mặt giảm. Có thể thấy, giá trị tối thiểu của σ tăng gần gấp 8 lần so với định mức. Trong những trường hợp hiếm hoi khi trẻ sơ sinh không có tế bào trong phổi sản xuất chất hoạt động bề mặt, trẻ không thể tự mình hít thở lần đầu tiên. Thật không may, nhiều trẻ sơ sinh trên khắp thế giới vẫn chết khi chưa kịp trút hơi thở đầu tiên do thiếu hoặc không có chất hoạt động bề mặt trong phế nang của chúng.

Ngoại lệ đối với quy tắc

Tuy nhiên, nhiều loài động vật thở bằng phổi không hề bị ảnh hưởng bởi thực tế là không có chất hoạt động bề mặt trong phế nang của chúng. Trước hết, điều này áp dụng cho động vật máu lạnh - ếch, thằn lằn, rắn, cá sấu, v.v. Vì những động vật này không cần lãng phí năng lượng để sưởi ấm cơ thể nên nhu cầu oxy của chúng trung bình ít hơn mười lần so với động vật máu nóng. Do đó, bề mặt của phổi, nơi diễn ra quá trình trao đổi khí giữa máu và không khí, ở động vật máu lạnh nhỏ hơn ở động vật máu nóng. Sự giảm tương đối diện tích bề mặt của phổi trên một đơn vị thể tích ở động vật máu lạnh có liên quan đến sự gia tăng đường kính phế nang của chúng khoảng 10 lần so với phế nang của động vật máu nóng. Bán kính tương đối lớn hơn của phế nang giúp chúng dễ dàng phồng lên ngay cả khi không có chất hoạt động bề mặt trên bề mặt bên trong của chúng (xét cho cùng, Δp~1/R).

Nhóm động vật thứ hai mà phổi thiếu chất hoạt động bề mặt là chim. Chim có máu nóng và có lối sống khá sôi động. Mức tiêu hao năng lượng của các loài chim và động vật có vú có cùng trọng lượng gần nhau. Nhu cầu oxy của chim cũng cao. Hơn nữa, phổi của chim có khả năng độc đáo là làm bão hòa oxy trong máu khi bay ở độ cao cao hơn (khoảng 6000 m), nơi nồng độ của nó trong không khí giảm một nửa so với nồng độ ở mực nước biển. Bất kỳ động vật có vú nào (bao gồm cả con người) ở độ cao như vậy đều bắt đầu bị thiếu oxy, hạn chế nghiêm trọng hoạt động ăn kiêng và thậm chí đôi khi rơi vào trạng thái ngất xỉu. Làm thế nào mà phổi của một con chim, vốn không có chất hoạt động bề mặt, có thể thở và làm bão hòa máu bằng oxy? Tại sao điều này không có tác dụng ở động vật có vú?

7

Hãy tham gia vào việc tự phê bình. Phổi có vấn đề gì vậy? Thứ nhất, không phải tất cả không khí nhìn thấy đều tham gia trao đổi khí với vòm: không khí đi vào khí quản và phế quản khi kết thúc thì hít vào sẽ không thể cung cấp oxy cho vòm và lấy carbon dioxide từ đó, vì thực tế không có mạch máu ở những nơi này của phổi. Phần thể tích phổi bị khí quản và phế quản chiếm giữ thường được gọi là “khoảng chết”. Tổng “không gian chết” của phổi con người có thể tích khoảng 150 cm³. Bạn có thể tăng lượng “không gian chết” một cách giả tạo bằng cách ép mình thở qua một ống dài. Bất cứ ai cố gắng làm điều này có lẽ đã nhận thấy rằng cần phải tăng độ sâu của hơi thở (lượng không khí hít vào). Rõ ràng, nếu thể tích của “không gian chết” được tạo ra bằng lượng hít vào tối đa có thể (khoảng 4,5 dm³), thì người đó bắt đầu ngạt thở, vì không khí trong lành sẽ ngừng chảy hoàn toàn vào phế nang. Như vậy, sự tồn tại “khoảng chết” trong hệ hô hấp của động vật có vú là một “sai lầm” của Tạo hóa.

Theo chúng tôi, khi tạo ra phổi của động vật có vú, Thiên nhiên đã mắc phải “sai lầm” thứ hai. Nhược điểm này là do sự chuyển động của không khí trong phổi thay đổi hướng trong quá trình chuyển từ hít vào sang hít vào. Gần một nửa thời gian có một số tính năng an toàn thực tế - trong quá trình hít vào, không khí trong lành không đi vào phế nang.

Nhưng với loài chim, Thiên nhiên lại một lần nữa đạt đến sự hoàn hảo. Ngoài phổi bình thường, chim còn có một hệ thống bổ sung bao gồm một điểm và nhiều cặp túi khí liên kết với phổi (hình 5). Các khoang của những túi này phân nhánh rộng rãi trong cơ thể và kéo dài đến tận xương trẻ sơ sinh, thậm chí đôi khi vào đến các xương nhỏ của các đốt ngón tay. Kết quả là hệ hô hấp của Utica chiếm khoảng 20% ​​thể tích cơ thể (2% - phổi và 18% - túi khí), trong khi ở người - chỉ 5%. Phổi của chim, trái ngược với phổi của động vật có vú, là một ống mỏng nối song song được cải tiến, mở ra cho quá trình hô hấp, được bao quanh bởi các mạch máu. Sự kết nối của các túi với phổi sao cho khi không khí được hít vào qua phổi của chim, dòng khí sẽ cùng hướng với khi nó thở ra. Trong quá trình thở ở chim, chỉ có thể tích không khí trong túi thay đổi, trong khi thể tích của phổi thực tế không đổi. Và nếu có nhu cầu làm phồng phổi thì cũng không cần đến chất hoạt động bề mặt trong phổi chim.

Đó là bao nhiêu điều thú vị có thể được nói trong đáp số về một câu hỏi tưởng chừng đơn giản - chúng ta thở như thế nào.