Біофізика зовнішнього дихання

Життєдіяльність людини пов’язана із споживання її організмом кисню і виділенням у довкілля вуглекислого газу. Під зовнішнім диханням розуміється обмін газом між альвеолами легенів і навколишнім середовищем.

      Під час дихання використовується пружні властивості повітря.

      За сигналом нервової системи про те, що організмові не вистачає кисню, людина при вдиханні за допомогою м’язів грудної клітки піднімає ребра, а іншими м’язами опускає діафрагму. Внаслідок цього збільшується об’єм, який можуть займати легені ( і залишки повітря , що є в них). Проте таке збільшення об’єму зумовлює істотне зменшення тиску повітря в легенях. Виникає різниця тисків зовнішнього повітря і повітря в легенях, Через це зовнішнє повітря починає самостійно входити в легені завдяки своїй пружності . Людина лише надає йому змогу ввійти, змінюючи об’єм легенів.

        З іншого боку , легенева тканина дуже ніжна, і вона не витримала б багаторазових розтягів і досить значних натискань грудних м’язів. Тому вона й не кріпиться до них .

         Окрім цього, розширення легенів розтягуванням їхньої поверхні ( за допомогою грудних м’язів) спричинило б нерівномірне , неоднакове їх розширення у різних частинах. Тому легені покриті особливою плівкою – плеврою . Плевра однією частиною прикріплена до легені, іншою – до м’язової тканини грудної клітки. Вона утворює своєрідний мішок, стінки якого не пропускають повітря.

       Усередині плевральної порожнини наявна дуже невелика кількість газу. Тиск цього газу стає рівним тиску повітря в легенях тоді, коли стінки плеври перебувають дуже близько одна від одної. Внаслідок вдихання об’єм порожнини різко збільшується , а тиск різко спадає. Легеня завдяки наявним у ній залишкам повітря починає сама розширюватись рівномірно в усіх частинах подібно до гумової кульки під ковпаком повітряної помпи. Отже, пружні властивості повітря забезпечують ідеальну амортизацію для легеневої тканини і найсприятливіші умови для її розтягу і стиску.

        Легені і грудна клітка еластичні , тому для збільшення їхнього об’єму необхідна м’язова енергія. Зміна об’єму грудної клітки внаслідок вдихання залежить від величини м’язового зусилля. Дія м’язів , зумовлена їх скороченням, спрямована на подолання сил опору. До них належать :

        Сила, потрібна для подолання опору еластичних тканин грудної клітки і легенів;

        Сила, необхідна для подолання тертя в нееластичних тканинах, що виникає внаслідок зміщення ребер під час вдихання вона, а також діафрагми , органів черевної порожнини. Ця сила залежить від швидкості дихання; на початку і наприкінці вдихання вона дорівнює нулеві;

        Сила, потрібна для подолання тертя повітряного струменя під час вдихання і тертя, що виникає між стінками повітряних шляхів. Ця сила зумовлена різницею атмосферного і альвеолярного тисків. Тиск, необхідний для подолання цієї сили , залежить від швидкості потоку і опору.

 

Бронхи мають дуже великі розгалуження , що зумовлює виникнення «завихрень» у місцях розгалужень. Тому повітряний потік за своїми властивостями наближається до турбулентного. Внаслідок цього сили, спрямовані на подолання тертя, пропорційні квадратові швидкості. За умов ламінарного руху повітря ці сили пропорційні швидкості в першому степені.

           Робота дихальних м’язів витрачається на зміну об’єму грудної клітки , легень і переміщення повітря. Механічна робота дихання дорівнює добуткові тиску на об’єм повітря , що надходить у легені і видаляється з них.

        Тиск, який виникає через еластичність грудної клітки і легенів, можна розрахувати так:

                             Р_ел = kV                                                             (9)

де, Р_ел – тиск, що виникає в легенях, коли їхній об’єм відрізняється від середнього; k – множник, який характеризується еластичністю системи; V-  різниця між об’ємом у даний момент і середнім об’ємом .

Тиск в альвеолах визначається рівнянням

                                         Р_ел = k₁V₁ + k₂V₁                                                     (10)

де  Р_ел – різниця  тисків повітря в ротовій порожнині й альвеолах ; k₁ – коефіцієнт в’язкості повітря; V₁ – зміна об’єму грудної клітки за одиницю часу; k₂- коефіцієнт турбулентного опору .

          Механічна робота дихання в стані спокою приблизно дорівнює 0.5 за хвилину. Із збільшенням хвилинного об’єму дихання збільшується робота . за оптимальної частоти і глибини дихання мінімальна робота забезпечує нормальну вентиляцію легенів. Для того, щоб утворилися оксигемоглобін, кисень має пройти через альвеолярну мембрану, міжклітинну рідину, ендотелій капіляра, плазму і мембрани еритроцитів. Цей перехід здійснюється завдяки дифузії.

Дифузійна здатність легенів залежить від поверхні дифузії, тобто від кількості відкритих функціонуючих капілярів , які контактують з альвеолами. У людини площа  поверхні , через яку здійснюється газообмін , становить приблизно 90 м² тобто перевищує площу тіла (2м²) більш ніж у 40 разів.

           Між швидкістю молекул і тиском газу існує така залежність:

                                              υ=                                                              (11)

де  υ – середня квадратична швидкість ; P – тиск газу ; ρ– густина газу.

       Кількість газу поглинутого мембраною , пропорційна  тискові дифундую чого газу.

      За законом  Фіка , швидкість дифузії через мембрану дорівнює :

                                               = Dα(c_{1 –} c₂)                                             (12)

Де dQ/ dt – швидкість дифузії;D – коефіцієнт дифузії ; α – коефіцієнт поглинання  газу; (c_{1 –} c₂) – різниця концентрацій речовин з обох боків мембрани ; S – площа мембрани; х – товщина мембрани.

       Дифузія через альвеолярну мембрану відбувається вдвічі швидше , ніж у воді , тому що до складу мембрани входять ліпіди.

         Дифузійна здатність вуглекислого газу приблизно у 20 разів більша, ніж кисню. Це пояснюється тим , що розчинність вуглекислого газу в сольовому розчині, який входить до складу альвеолярної мембрани, істотно вища, ніж розчинність газу в мембрані покращує дифузію.

У нормі дифузійна здатність у спокої становить приблизно 15 мл О₂/хв, а за фізичних навантажень може сягати 68 млО₂/хв . З віком дифузійна здатність зменшується. Деякі захворювання зумовлюють потовщення альвеолярної мембрани, що призводить до збільшення відстані дифузійної здатності.