Газовые законы в живой природе и медицине

Л.В.Логинов, многопрофильный комплекс (гимназия-лицей) N 109, г. Москва

Наверное, у каждого учителя есть желание объяснить материал по-своему или рассмотреть его с позиций, отличных от традиционных. Тем более что начавшееся профилирование обучения вынуждает это делать. Возьмем, к примеру, тему, которую проходят в школе и в 8-м, и в 10-м классах, – «Газы». Свойства газов упоминаются (или изучаются) уже в курсе природоведения в 5-м классе (!). Позже ребят знакомят с использованием сжатого воздуха, с приборами для измерения атмосферного давления, учат решать задачи на изменение давления воздуха при изменении других параметров, как правило, в автомобильной шине, шаре, резиновой лодке. Налицо определенный технический уклон, хотя изредка встречаются и другие задачи, например, как отпить воды из бутылки при плотно прижатых к горлышку губах, так что воздух в бутылку не пропускается, или, как пауку серебрянке построить воздушный домик в воде. Тот факт, что газовые законы активно работают в живой природе, широко применяются в медицине, как правило, не акцентируется, ни слова не говорится о том, зачем паук серебрянка строит себе тот самый воздушный домик, как он может сидеть в таком домике до получаса, а в состоянии анабиоза (спячки) – и дольше... Ведь при дыхании кислород-то непрерывно расходуется! Вдох и выдох, газообмен в легких у животных и у человека происходят тоже в соответствии с газовыми законами. Так что эта тема не только очень живая, но и актуальная. И остановиться на ней стоит.

Начнем с того, что закон Бойля–Мариотта начинает «работать на человека» (как, впрочем, и на любое млекопитающее) с момента его рождения, с первого самостоятельного вздоха. При дыхании межреберные мышцы и диафрагма периодически изменяют объем грудной клетки. Когда грудная клетка расширяется, давление воздуха в легких падает ниже атмосферного, т.е. «срабатывает» изотермический закон (р0V0 = р1V1), и вследствие образовавшегося перепада давлений происходит вдох. Другими словами, воздух идет из окружающей среды в легкие самотеком до тех пор, пока величины давления в легких и в окружающей среде не выравняются.

Выдох происходит аналогично: вследствие уменьшения объема легких давление воздуха в них становится больше, чем внешнее атмосферное, и за счет обратного перепада давлений он выходит наружу. Схематическое изображение процесса дыхания дано на рис. 1.

Важную роль в этом процессе играет плевральная полость, в которой при дыхании возникают разрежения. Если хирургическим путем открыть наружному воздуху (под нормальным атмосферным давлением) доступ в плевральное пространство, то атмосферное давление сожмет легкое, выключив его из процесса дыхания. Именно так делают при лечении легочного туберкулеза (метод пневмоторакса).

Теперь рассмотрим процесс «переработки» воздуха, поступившего в легкие. Давление воздуха складывается из парциальных давлений входящих в него газов (по закону Дальтона: рсмеси= р1+ р2+ р3+...+ рn). Как известно, свежий воздух состоит из кислорода (20,94%), углекислого газа (0,03%), азота и инертных газов (79,03%). Состав же выдыхаемого воздуха иной: кислорода — 16,3%, углекислого газа — 4%, азота и инертных газов — 79,7%. Видно, что кислорода становится меньше, а углекислого газа — больше (количество остальных газов почти не меняется). Это означает, что и парциальное давление кислорода уменьшается, а углекислого газа — растет. Стенки легочных пузырьков (альвеол) способны пропускать сквозь себя в кровь и обратно молекулы газов при наличии разности давлений газов в альвеолах и в крови. В результате после вдоха кислород из области с бо'льшим парциальным давлением движется в область с меньшим парциальным давлением, т.е. из альвеол в кровь. Углекислый же газ выводится из крови в альвеолы, после чего «переработанный» воздух выдыхается. Так работают «обычные» или, как их еще называют, биологические легкие.

Но существует еще и понятие физических легких. Это не биологический орган, а физическая система, которая функционирует подобно биологическим легким. Благодаря физическим легким дышит водяной паук серебрянка. Его тело покрыто мелким несмачиваемым пушком. Когда паук погружается в воду, к телу пристают мельчайшие пузырьки воздуха, покрывая его сплошной воздушной оболочкой. В воде эта оболочка блестит, делая паука похожим на шарик ртути. Выставляя из воды кончик брюшка, паук забирает крупный пузырек воздуха и, придерживая его задними ножками, отправляется в глубину.

Среди водных растений он натягивает нити своей паутины, «клетку» для воздушного шарика, который все больше и больше наполняется воздухом по мере совершения пауком очередных «рейсов» на поверхность. Когда воздушный домик становится достаточно просторным, паук переходит к отдыху. Он дышит воздухом своего же домика, хотя принесенного запаса кислорода в нем даже отдыхающему пауку должно было хватить всего на несколько минут. Но возможность отдыхать дает сама природа. Вернее, физические законы.

Дело в том, что в воде вокруг домика-пузырька также имеется воздух. Правда, в растворенном виде. По мере расходования кислорода в пузырьке уменьшается его парциальное давление по сравнению с давлением в воде, и растворенный в воде кислород диффундирует в пузырек. Углекислый же газ, наоборот, диффундирует из домика в воду, где его парциальное давление меньше. Конечно, этот газообмен не позволяет полностью компенсировать затраты кислорода на дыхание, но тем не менее паук получает возможность обновлять атмосферу значительно реже, минут через 30, а то и более. Если паук находится в состоянии анабиоза, то воздуха от одной ходки наверх хватает на очень длительное время.

Таким образом, физические легкие — это «приспособление природы», в котором «дышит» сам пузырек, а не паук. А последний дышит уже своими биологическими легкими, т.е. воздухом, имеющимся в пузырьке.

Перейдем к проблеме измерения рабочего объема легких, т.е. объема воздуха, вдыхаемого (или выдыхаемого) при глубоком вдохе (выдохе). Известно, что он меньше полного объема легких. Следовательно, при каждом вдохе-выдохе в легких обновляется не весь воздух. По рабочему объему легких (вернее, по отношению рабочего объема к полному) можно сделать вывод о состоянии дыхательной системы человека. Различные заболевания (например астма), курение, а также малоподвижный образ жизни приводят к уменьшению рабочего объема.

Для начала необходимо знать полный объем легких. Это задача не из простых, т.к. экспериментальным путем на живом человеке этого делать не стоит. Да и как? Реально просматривается только один способ: произвести вскрытие, извлечь легкие, наполнить водой «под завязку», после чего эту воду вылить в мензурку (или большую мерную кружку). Да и то нет гарантии, что к моменту наполнения водой легкие будут расправленными и смогут вместить воды «по максимуму».

В настоящее время полный объем легких обычно определяют расчетным путем, по формуле Дюбуа, которая устанавливает зависимость площади поверхности тела человека от его массы и роста:

S = 0,167•

где m — масса тела в [кг], L — длина тела, рост в [м]. (Разумеется, для получения в свое время этой эмпирической формулы потребовались и вскрытия.) Следует сразу обратить внимание учащихся, что эта формула — только для чисел, т.е. единицы физических величин в ней не сходятся. Далее пользуются известной зависимостью, согласно которой на 1 м2 поверхности приходится у мужчин — 2,5 л, у женщин — 2 л полного объема легких.

В качестве примера можно рассчитать полный объем легких кого-нибудь из присутствующих. Кстати, ученики обычно предлагают кандидатуру... учителя! Этим стоит воспользоваться для того, чтобы затем кто-либо из учеников рассчитал и свой объем, если вспомнит массу и рост. Это в дальнейшем, по ходу урока, пригодится. Например, при массе 75 кг и росте 176 см площадь поверхности тела юноши составляет 1,92 м2. Следовательно, полный объем легких 4,8 л.

Теперь об измерении рабочего объема легких. С ним дела обстоят проще, поэтому можно организовать достаточно интересную дискуссию о том, какой должна быть конструкция прибора для таких измерений. К настоящему времени разработано достаточно много подходящих конструкций, но, несмотря даже на принципиальные различия, все эти приборы носят общее название спирометры. Разумеется, дискуссию надо направлять в нужное русло. Диалог с учениками может получиться, к примеру, следующим.

Учитель. Итак, давайте подумаем, как измерить объем воздуха, который выдыхает человек за один раз. Причем имейте в виду, что нужно получить значение объема воздуха при нормальном атмосферном давлении.

Ученик. Выдохнуть его в полиэтиленовый пакет и измерить объем.

Учитель. Как?

Ученик. Хотя бы опустить в воду и измерить объем вытесняемой жидкости. Оболочка — тонкая, так что объем пакета с воздухом примерно равен объему одного воздуха.

Учитель. Но ведь пакет, погруженный в жидкость, будет испытывать давление жидкости. Кстати, как оно называется?

Ученик. ...Гидростатическое... Ну тогда... не погружать, а измерить как-нибудь. Линейкой...

Учитель. А что, надутый полиэтиленовый пакет имеет форму параллелепипеда или шара? Только в этих случаях достаточно было бы линейки и соответствующих формул.

Ученик. Ну тогда выдохнуть в воздушный шарик. Он-то круглый!

Учитель. Да, но только при надувании резина...

Ученик. ...натягивается...

Учитель. ...и оказывает давление на воздух. И давление воздуха будет больше атмосферного, а объем соответственно меньше. (Ученики задумываются.)

Учитель. Воздух будет испытывать давление жидкости, если только воздушный пузырь будет погружен в нее. А если не погружать?.. Просто придержать выдохнутый воздух у поверхности воды...

Ученик. Чем?

Учитель. А вот чем? Думайте.

Ученик. Каким-нибудь поплавком или перевернутым стаканчиком.

Учитель. Идея неплохая, но поясните, что дальше-то... Каков объем воздуха в поплавке?

Ученик. Чем больше воздуха, тем сильнее поплавок всплывает.

Учитель. В общем, верно. И как в этот поплавок выдохнуть воздух?

Ученик. Подвести трубочку снизу, и через нее...

Учитель. Но ведь поплавок своей надводной частью тоже будет давить на воздух...

Ученик. Надо сделать поплавок из тонкого и легкого материала, чтобы он почти совсем не давил. Хотя бы тот же полиэтилен.

Учитель. Хорошо. А как по высоте всплытия будем определять объем?

Ученик. Нанесем шкалу на поплавок.

Учитель. Верно, но показания будут правильными, если поплавок будет сохранять строго вертикальное положение. Как обеспечить вертикальность?

Ученик. Пусть поднимается внутри какой-нибудь трубки, по диаметру такой же.

Учитель. А еще лучше, если этой трубкой будет сам сосуд с водой. А поплавок — его невесомой и поднимающейся крышкой. Осталось только сделать так, чтобы между сосудом и поплавком-крышкой не было...

Ученик. Трения!

Учитель. Прекрасно! Итак, мы с вами сформулировали основные принципы построения спирометра. Давайте сделаем рисунок.

Учащиеся зарисовывают схему, показанную на рис. 2, в тетрадь. Затем говорим, что первые медицинские спирометры были именно такой конструкции. Но она громоздкая, хрупкая, неудобная: при резком перемещении прибора вода может вылиться. Поэтому сейчас чаще всего можно встретить так называемые турбинные спирометры типа ССП. Наверняка, многие имели дело с ними на диспансеризации. Лучше всего, если удастся такой спирометр попросить на время в каком-нибудь медицинском учреждении для демонстрации. С ним легко работать, он маленький, легкий, а главное — принцип работы предельно прост: поток выдыхаемого воздуха давит на лопасти турбинки, вал которой соединен через передаточный механизм со стрелкой, скользящей вдоль шкалы. Чем больше воздуха прошло через турбинку, тем больше оборотов она сделает, тем выше показания прибора.

Если удалось где-то взять напрокат спирометр ССП, то после объяснения принципа работы его можно продемонстрировать. Сначала — сам учитель, затем (разумеется, после смены трубочки) ученик, желательно такого же роста и телосложения, еще лучше — курящий. Сразу станет видно, что при одинаковом полном объеме легких рабочий объем у курящего меньше, чем у некурящего. (И это в пятнадцать-то лет! А что будет дальше?!) Конечно, не факт, что после этого учащийся сразу бросит курить, но где-то «под коркой» у него это отложится. Глядишь, кто-то из собиравшихся начать курить не сделает этого или начнет в более позднем возрасте. Так что ненавязчивая антиникотиновая пропаганда тоже, дай Бог, пойдет на пользу.

Обычно после звонка с урока учащиеся еще долго (с разрешения учителя, конечно же) измеряют объем своих легких и «уличают» друг друга в курении. Короче, получается и познавательно, и весело. Только учитель ОБЯЗАН СЛЕДИТЬ, чтобы учащиеся каждый раз меняли трубочки, в которые дуют.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.1september.ru/