Біофізика і біомеханіка - В. С. Антонюк - 2012

Розділ 4. БІОФІЗИКА СКЛАДНИХ БІОЛОГІЧНИХ СИСТЕМ

4.8.Показники фізіологічного стану дихальної системи людини

4.8.2. Газообмін у легенях і тканинах. Робота дихання

Порожнина носа має добре виражену здатність підвищувати температуру холодного повітря за рахунок теплообміну його із кров’ю судин слизуватої оболонки. У разі носового дихання температура повітря в носоглотці на 1.2 % відрізняється від температури тіла незалежно від температури навколишнього повітря. Верхні дихальні шляхи регулюють вологість вдихуваного повітря. Така здатність слизової оболонки носа дозволяє розглядати її як фізіологічний кондиціонер, який забезпечує нормальне функціонування нижніх дихальних шляхів. Якщо вдихати повітря, до якого домішані частинки диму, газу, що має різку подразнювальну дію, або речовин, що гостро пахнуть, відбувається рефлекторне вповільнення й навіть зупинення дихання. Ці рефлекси захищають нижні дихальні шляхи та легені від проникнення в них більших кількостей подразнювальних речовин. Механічні та хімічні роздратування рецепторів дихальних шляхів викликають захисні рефлекси (кашель, чхання), які активно видаляють шкідливі домішки, що вже потрапили в дихальну систему і сторонні предмети.

Роблячи вдих і видих, людина вентилює легені, підтримуючи в альвеолах відносно сталий склад газів. Людина дихає атмосферним повітрям з великою масовою часткою кисню (20,85 % ) і низьким умістом вуглекислого газу (0,03 % ), а видихає повітря, в якому кількість кисню зменшується, а вуглекислого газу - збільшується (табл. 4.2).

Таблиця 4.2

Склад вдихуваного, видихуваного та альвеолярного повітря

Як видно з табл. 4.2, склад альвеолярного повітря відрізняється від вдихуваного і видихуваного. Це пояснюється тим, що під час вдиху в альвеоли надходить повітря з повітроносних шляхів (тобто видихуване), а під час видиху, навпаки, до видихуваного та альвеолярного домішується атмосферне повітря, яке міститься в тих самих повітроносних шляхах (об’єм «мертвого» простору).

На склад альвеолярного повітря також впливає альвеолярна вентиляція. Альвеолярна вентиляція — це частина загальної вентиляції легень, що досягає альвеол. Її визначають за формулою

де f - частота дихання; V_t - об’єм дихання; V_d - альвеолярний мертвий простір.

Також можна вирахувати і об’єм альвеолярної вентиляції за одну хвилину. Його розраховують за формулою

де V_a - об’єм дихання за одну хвилину; V_d - альвеолярний мертвий простір; V₀ - загальна легенева вентиляція.

У легенях кисень з альвеолярного повітря переходить у кров, а вуглекислий газ із крові - в легені шляхом дифузії крізь стінки альвеол і кровоносних капілярів.

Робота дихання - це показник, за допомогою якого оцінюють роботу дихальних м’язів. Роботу дихання можна визначити так:

де W- робота дихання; P - тиск у легенях; V- об’єм легень.

При цьому реєструється діаграма «тиск-об’єм» у вигляді «дихальної петлі», площа якої і буде дорівнювати величині роботи дихання (рис. 4.19).

Рис. 4.19. Крива «тиск-об’єм одного дихального циклу»:

крива ОБГ — зміна внутрішньо-плеврального тиску під час вдиху; площа ОБГДО — виконувана робота; площа ОАГДО — робота еластичного опору; площа ОБГАО — робота в’язкого опору; площа ОАГЕО — робота опору дихальнихшляхів на видиху

У диханні людини беруть участь не тільки легені, але й уся поверхня тіла, тобто шкіра [89]. Шкіра на грудях, спині та животі за інтенсивністю дихання значно перевищує легені: з одиниці її поверхні може поглинатися на 28 % більше кисню, а виділятися на 54 % більше вуглекислого газу, ніж поверхні в легенів. Це явище пояснюється тим, що шкіра «дихає» чистим повітрям, а легені (порівняно зі шкірою) провітрюються гірше. Ось чому такі корисні повітряні ванни, а також гігієна тіла. Проте загальна поверхня тіла людини (усього не більше двох квадратних метрів) порівняно із сумарною поверхнею альвеол мала і робить незначний внесок до спільної діяльності легенів і шкіри.

Газообмін у легенях можна змоделювати за допомогою мембранної теорії, розглядаючи дифузійні процеси. Наявність тонкого шару рідини, що зсередини покриває поверхню альвеол, істотно змінює його механічні властивості. Причиною тут є поверхневий натяг шару рідини. Таким чином, еластичність легенів значною мірою залежить від сил поверхневого натягнення.

Близько 30 тис. разів на добу розтягуються легені людини в процесі дихання, виконуючи при цьому механічну роботу, що становить 2...25 % (залежно від продовжуваної людиною діяльності) від усіх її енергетичних витрат. Ця енергія витрачається здебільшого на розтягування легенів і просування повітря по дихальних шляхах до альвеол. Порожнина носа влаштована природою так, щоб створювався турбулентний (завихрений) потік повітря. А турбулентні потоки, як відомо, потребують більшої витрати енергії для транспортування. Але турбулізація виправдовується. Вона необхідна для того, щоб зігрівати повітря, що надходить через ніс, і відокремлювати порошинки. От чому слід дихати носом, а не ротом. Задихана людина, дихаючи ротом, легко може простудитися.

Одним з найважливіших функціональних параметрів легенів є їх дифузійна здатність. Тільки за достатньо високого його значення забезпечується нормальне насичення крові киснем у стані як спокою, так і фізичного навантаження.