Т.М. ВЕРШИНИНА

Продолжение. См. № 41/2003

Атмосфера и дыхание живой природы

Интегрированный урок по биологии и физике

Однако доля участия кожи в дыхании человека ничтожна по сравнению с легкими, ведь общая поверхность тела составляет менее 2 м² и не превышает 3% суммарной поверхности легочных альвеол.

Основными составными частями органов дыхания являются дыхательные пути, легкие, дыхательная мускулатура, включая диафрагму. Атмосферный воздух, поступающий в легкие человека, представляют собой смесь газов – азота, кислорода, углекислого газа и некоторых других (рис. 2).

Рис. 2. Средние величины парциального давления газов (мм рт. ст.) в сухом

вдыхаемом воздухе, альвеолах, в выдыхаемом воздухе и в крови при мышечном покое (средняя часть рисунка). Парциальное давление газов в венозной крови, оттекающей от почек и мышц (нижняя часть рисунка)

Парциальным давлением газа в смеси газов называется давление, которое этот газ создавал бы в отсутствие других компонентов смеси. Оно зависит от процентного содержания газа в смеси: чем оно больше, тем выше парциальное давление данного газа. Парциальное давление кислорода* в альвеолярном воздухе равно 105 мм рт. ст., а в венозной крови – 40 мм рт. ст., поэтому кислород диффундирует из альвеол в кровь. Почти весь кислород в крови химически связывается с гемоглобином. Парциальное давление кислорода в тканях сравнительно низкое, поэтому он диффундирует из крови капилляров в ткань, обеспечивая тканевое дыхание и процессы превращения энергии.

Транспорт углекислого газа – одного из конечных продуктов обмена веществ – происходит подобным же образом в обратном направлении. Углекислый газ выделяется из организма через легкие. Азот в организме не используется. Парциальное давление кислорода, углекислого газа, азота в атмосферном воздухе и на разных уровнях схемы транспорта кислорода представлено на рис. 2.

Рис. 3. Спирометр: а – наружный цилиндр, б – стеклянное окно для отсчетов, в – внутренний цилиндр, г – баллон с воздухом для уравновешивания внутреннего цилиндра, д – вода

Благодаря диффузии состав альвеолярного воздуха непрерывно меняется: концентрация кислорода в нем понижается, а концентрация углекислого газа увеличивается. Для поддержания процесса дыхания состав газов в легких необходимо постоянно обновлять. Это происходит при вентиляции легких, т.е. дыхании в обычном смысле этого слова. Когда мы делаем вдох, объем легких увеличивается и в них из атмосферы поступает воздух. При этом альвеолы расширяются. В состоянии покоя в легкие при каждом вдохе поступает около 500 мл воздуха. Этот объем воздуха называется дыхательным объемом. Легкие человека обладают определенным резервом емкости, который может быть использован при усиленном дыхании. После спокойного вдоха, человек может вдохнуть еще около 1500 мл воздуха. Этот объем называется резервным объемом вдоха. После спокойного выдоха можно, сделав усилие, выдохнуть еще около 1500 мл воздуха. Это резервный объем выдоха. Дыхательный объем и резервные объемы вдоха и выдоха составляют в сумме жизненную емкость легких (ЖЕЛ). В данном случае она равна 3500 мл (500 + 1500 + 1500). Чтобы измерить ЖЕЛ, делают особенно глубокий вдох и после него максимальный выдох в трубку специального прибора – спирометра. Измерения производятся в положении стоя в состоянии покоя (рис. 3). Величина ЖЕЛ зависит от пола, возраста, размеров тела и тренированности. Этот показатель колеблется в широких пределах, составляя в среднем 2,5–4 л у женщин и 3,5–5 л у мужчин. В отдельных случаях у людей очень высокого роста, например у баскетболистов, ЖЕЛ может достигать 9 л. Под влиянием тренировки, например при выполнении специальных дыхательных упражнений, ЖЕЛ увеличивается (иногда даже на 30%).

Рис. 4. Номограмма Миллера для определения должной жизненной емкости легких

ЖЕЛ можно определить по номограмме Миллера (рис. 4). Для этого надо найти на шкале свой рост и соединить его прямой линией с возрастом (отдельно для женщин и мужчин). Эта прямая пересечет шкалу жизненной емкости легких. Важным показателем в исследованиях физической работоспособности является минутный объем дыхания, или вентиляция легких. Вентиляцией легких называют фактическое количество воздуха, которое при разных условиях проходит через легкие в течение 1 мин. В покое легочная вентиляция составляет 5–8 л/мин.

Человек способен управлять своим дыханием. Можно ненадолго задержать его или усилить. Способность к усилению дыхания измеряется величиной максимальной легочной вентиляции (МЛВ). Эта величина, как и ЖЕЛ, зависит от степени развития дыхательных мышц. При физической работе легочная вентиляция возрастает и достигает 150–180 л/мин. Чем тяжелее работа, тем больше легочная вентиляция.

Эластичность легкого в значительной степени зависит от сил поверхностного натяжения жидкости, смачивающей внутреннюю поверхность альвеол (s = 5 х 10–2 н/м). Природа сама позаботилась о том, чтобы облегчить дыхание, и создала вещества, понижающие поверхностное натяжение. Их синтезируют специальные клетки, находящиеся в стенках альвеол. Синтез этих поверхностно активных веществ (ПАВ) идет в течение всей жизни человека.

В тех редких случаях, когда у новорожденного отсутствуют в легких клетки, производящие ПАВ, ребенок не может сделать первый вдох самостоятельно и умирает. Из-за недостатка или отсутствия ПАВ в альвеолах около полумиллиона новорожденных во всем мире умирает каждый год, так и не сделав первого вдоха.

Однако некоторые животные, дышащие легкими, обходятся и без ПАВ. В первую очередь это относится к холоднокровным – лягушкам, змеям, крокодилам. Поскольку этим животным не надо тратить энергию на обогрев, их потребности в кислороде не так высоки, как у теплокровных, и поэтому площадь поверхности легких у них меньше. Если в легких человека площадь поверхности соприкосновения 1 см³ воздуха с кровеносными сосудами составляет около 300 см², то у лягушки – всего 20 см².

Относительное уменьшение площади легкого, приходящееся на единицу его объема, у холоднокровных связано с тем, что диаметр альвеол у них примерно в 10 раз больше, чем у теплокровных. А из закона Лапласа (p = 4a/R) следует, что дополнительное давление, которое надо преодолеть при вдохе, обратно пропорционально радиусу альвеолы. Большой радиус альвеол у холоднокровных позволяет им легко делать вдох даже без уменьшения величины p за счет ПАВ.

Нет ПАВ и в легких птиц. Птицы – теплокровные животные и ведут активный образ жизни. В покое потребность птиц в кислороде выше, чем у других позвоночных, включая млекопитающих, а во время полета она многократно возрастает. Дыхательная система птиц способна насыщать кровь кислородом даже при полете на большой высоте, где его концентрация значительно меньше, чем на уровне моря. Любые млекопитающие (в том числе и человек), оказавшись на такой высоте, начинают испытывать кислородное голодание, резко снижают свою двигательную активность, а иногда даже впадают в полуобморочное состояние. Как же удается легким птиц, при отсутствии ПАВ, справляться с этой непростой задачей?

Помимо обычных легких, у птиц есть дополнительная система, состоящая из пяти и более пар тонкостенных воздушных мешков, связанных с легкими. Полости этих мешков широко разветвляются в теле и заходят в некоторые кости, иногда даже в мелкие кости фаланг пальцев. В результате дыхательная система, например утки, занимает около 20% объема тела (2% легкие и 18% воздушные мешки), в то время как у человека – лишь 5%. Стенки воздушных мешков бедны сосудами и в газообмене не участвуют. Воздушные мешки не только способствуют продуванию воздуха через легкие в одном направлении, но и уменьшают плотность тела, трение между отдельными его частями, способствуют эффективному охлаждению тела.

Легкое птицы построено из окруженных кровеносными сосудами параллельно соединенных открытых с двух сторон тоненьких трубочек – воздушных капилляров, отходящих от парабронхов. Во время вдоха объемы передних и задних воздушных мешков увеличиваются. Воздух из трахеи поступает непосредственно в задние мешки. Передние мешки с основным бронхом не сообщаются и заполняются воздухом, выходящим из легких (рис. 5, а).

Рис. 5 . Движение воздуха в дыхательной системе птицы: а – вдох, б – выдох
(К1 и К2 – клапаны, изменяющие движение воздуха)

При выдохе сообщение передних мешков с основным бронхом восстанавливается, а задних – прерывается. В результате во время выдоха воздух через легкое птицы течет в том же направлении, что и при вдохе (рис. 5, б). Во время дыхания изменяются только объемы воздушных мешков, а объем легкого остается практически постоянным. Становится понятным, почему в птичьих легких нет ПАВ: они там просто ни к чему, т.к. раздувать легкие нет необходимости.

Некоторые организмы используют воздух не только для дыхания. Тело рыбки иглобрюха, обитающей в Индийском океане и Средиземном море, усеяно многочисленными иголками – видоизмененной чешуей. В спокойном состоянии иглы более или менее плотно прилегают к телу. При опасности иглобрюх устремляется к поверхности воды и, набирая воздух в кишечник, превращается в раздутый шар. При этом иглы приподнимаются и торчат во все стороны. Рыба держится у самой поверхности воды, опрокинувшись вверх брюшком, и часть ее тела выступает над водой. В таком положении иглобрюх защищен от хищников как снизу, так и сверху. Когда минует опасность, иглобрюх выпускает воздух, и тело его принимает обычные размеры.

Воздушная оболочка Земли (атмосфера) удерживается около Земли за счет сил притяжения и оказывает давление на все тела, с которыми соприкасается. Тело человека приспособлено к атмосферному давлению и плохо переносит его понижение. При подъеме в горы (4 тыс. м, а иногда и ниже) многие люди чувствуют себя плохо, появляются приступы «горной болезни»: становится трудно дышать, из ушей и носа нередко идет кровь, возможна потеря сознания. Так как суставные поверхности плотно прилегают друг к другу (в суставной сумке, охватывающей суставы, давление понижено) благодаря атмосферному давлению, то высоко в горах, где атмосферное давление сильно снижено, действие суставов расстраивается, руки и ноги плохо «слушаются», легко случаются вывихи. Альпинисты и летчики, поднимаясь на большую высоту, берут с собой кислородные приборы и перед подъемом специально тренируются.

В программу специальной подготовки космонавтов входит обязательная тренировка в барокамере, представляющей собой герметически закрывающуюся стальную камеру, соединенную с мощным насосом, создающим в ней повышенное или пониженное давление. В современной медицине барокамера используется при лечении многих болезней. В камеру подается чистый кислород, и создается высокое давление. За счет диффузии кислорода через кожу и легкие значительно повышается его напряжение в тканях. Этот метод лечения очень эффективен, например, при раневой инфекции (газовая гангрена), вызываемой анаэробными микроорганизмами, для которых кислород является сильным ядом.

На тех высотах, где летают современные космические корабли, воздуха практически нет, поэтому кабины кораблей делают герметичными, и в них создаются и поддерживаются нормальные давление и состав воздуха, влажность и температура. Нарушение герметичности кабины приводит к трагическим последствиям.

Космический корабль «Союз-11» с тремя космонавтами на борту (Г.Добровольский, В.Волков, В.Пацаев) был выведен на околоземную орбиту 6 июня 1971 г., а 30 июня при возвращении на Землю экипаж погиб в результате разгерметизации спускаемого аппарата после разделения отсеков на высоте 150 км.

Некоторые сведения о дыхании

Человек дышит ритмично. Новорожденный ребенок совершает дыхательные движения 60 раз в 1 мин, пятилетний – 25 раз в 1 мин, в 15–16 лет частота дыхания уменьшается до 16–18 в 1 мин и сохраняется такой до старости, когда она учащается вновь.

У некоторых животных частота дыхания гораздо ниже: кондор совершает одно дыхательное движение в 10 с, а хамелеон – в 30 мин. Легкие хамелеона соединены особыми мешочками, в которые он набирает воздух и при этом сильно раздувается. Низкая частота дыхания позволяет хамелеону подолгу не обнаруживать своего присутствия.

В состоянии покоя и при нормальной температуре человек потребляет в 1 мин примерно 250 мл кислорода, в час – 15 л, в сутки – 360 л. Количество потребляемого в покое кислорода непостоянно – днем оно больше, чем ночью, даже если человек днем спит. Вероятно, это проявление суточных ритмов в жизнедеятельности организма. Лежа человек потребляет в 1 ч примерно 15 л кислорода, стоя – 20 л, при спокойной ходьбе – 50 л, при ходьбе со скоростью 5 км/ч – 150 л.

При атмосферном давлении человек может дышать чистым кислородом около одних суток, после чего возникает воспаление легких, оканчивающееся смертью. При давлении 2–3 атм человек может дышать чистым кислородом не более 2 ч, потом наступает нарушение координации движений, внимания, памяти.
За 1 мин через легкие в норме проходит 7–9 л воздуха, а у тренированного бегуна – около 200 л.

Внутренние органы при усиленной работе требуют повышенного снабжения кислородом. При напряженной деятельности потребление кислорода сердцем возрастает в 2 раза, печенью – в 4 раза, почками – в 10 раз.

При каждом вдохе человек совершает работу, достаточную для подъема груза массой 1 кг на высоту 8 см. Используя работу, выполненную в течение 1 ч, можно было бы поднять этот груз на высоту 86 м, а за ночь – на 690 м.

Известно, что дыхательный центр возбуждается при повышении в крови концентрации углекислого газа. Если концентрацию углекислого газа в крови снизить, человек может не дышать более продолжительное время, чем обычно. Этого можно достичь учащенным дыханием. Подобным приемом пользуются ныряльщики, причем опытные ловцы жемчуга могут оставаться под водой 5–7 мин.

Пыль есть везде. Даже на вершине Альп в 1 мл воздуха содержится около 200 пылинок. В таком же объеме городского воздуха содержится более 500 тыс. частиц пыли. Ветер переносит пыль на очень далекие расстояния: например, в Норвегии обнаружена пыль из Сахары, а в Европе – вулканическая пыль с островов Индонезии. Частицы пыли задерживаются в органах дыхания и могут приводить к различным заболеваниям.

В Токио, где на каждого жителя приходится 40 см² уличной поверхности, полицейские работают в кислородных масках. В Париже для прохожих установлены будки чистого воздуха. Патологоанатомы узнают парижан при вскрытии по черным легким. В Лос-Анджелесе на улице установлены пластмассовые пальмы, поскольку живые погибают из-за большой загрязненности воздуха.

Продолжение следует

* Имеется в виду парциальное давление кислорода воздуха, при котором он находится в равновесии с кислородом, растворенным в крови или другой среде, называемое также напряжением кислорода в данной среде.