Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»(МГТУ им. Н.Э.Баумана)
Факультет: «Биомедицинская техника»
Кафедра: «Биомедицинские технические системы и устройства»
РЕФЕРАТ
на тему: «Биофизика сложных систем. Биофизика дыхания»
Москва, 2016
Содержание
Введение
1. Анатомия
2. Биофизические основы дыхания
3. Биомеханика внешнего дыхания
4. Транспорт газов
5. Биофизика клеточного дыхания
Заключение
Список литературы
Введение
Для нормального протекания обменных процессов в организме человека и животных в равной мере необходим как постоянный приток кислорода, так и непрерывное удаление углекислого газа, накапливающегося в ходе обмена веществ. Такой процесс называется дыханием. В организме человека функцию дыхания обеспечивает дыхательная (респираторная система). Различают: внешнее дыхание, перенос газа кровью, тканевое и внутреннее дыхание. Респираторная система выполняет несколько гомеостатических функций: газообмен, между внешней средой и организмом, обеспечивающий достаточную поставку кислорода к тканям и выведение углекислого газа; поддержание pH крови, за счет удерживания и выведения CO 2; превращение ангиотензина I в ангиотензин II, который участвует в регуляции кровяного давления; защиту от инородных частиц. Поступление свежего воздуха в легкие (вдох) и вывод воздуха из легких (выдох) называется вентиляцией. Координирование функций, лежащих в основе легочного газообмена, осуществляется центральной нервной системой. Рефлекторное раздражение дыхательного центра происходит при повышении содержания в крови углекислоты. Клеточное дыхание лежит в основе синтеза энергии, АТФ. Таким образом, дыхание - одна из важнейших функций регулирования жизнедеятельности человеческого организма. Именно поэтому важно изучить и рассмотреть все детали процесса.
1. Анатомия
Дыхательная система осуществляет газообмен между внешней средой и организмом, доставляет в организм кислород и выводит из него углекислый газ. Эта система состоит из дыхательных (воздухоносных) путей и парных дыхательных органов - легких. Выделяют верхние и нижние дыхательные пути. К верхним дыхательным путям относят полость носа, носовую и ротовую части глотки, к нижним дыхательным путям - гортань, трахею и бронхи с малыми площадями поверхности. Общий объем воздухоносных путей составляет около 150 мл. Поскольку ни один газообмен не происходит проводящей зоне, ее часто называют анатомически мертвым пространством. В дыхательных путях вдыхаемый воздух согревается, увлажняется, очищается от инородных частиц. Из воздуха, находящегося в альвеолах легких, путем диффузии в кровь легочных капилляров поступает кислород, а в обратном направлении - из крови в альвеолы выходит углекислый газ.
Воздухоносные пути имеют в своих стенках твердый скелет, представленный костями и хрящами, благодаря чему дыхательные пути сохраняют просвет и по ним свободно циркулирует воздух во время дыхания. Слизистая оболочка воздухоносных путей выстлана мерцательным эпителием и увлажнена. Реснички эпителиальных клеток своими движениями удаляет наружу вместе со слизью инородные частицы, попавшие в дыхательные пути.
Легкие правое и левое, располагаются в грудной полсти, по сторонам от сердца и крупных кровеносных сосудов, покрыты серозной оболочкой - плеврой, которая образует вокруг них два плевральных мешка. По форме легкое напоминает усеченный конус. Бронхи, сосуды и нервы образуют корень легкого. Каждое легкое разделено на доли. Правое легкое имеет три доли, левое - две. Доли легкого подразделяются на бронхолегочные сегменты. Сегменты состоят из долек. В дольку входит дольковый бронх, который подразделяется до концевой бронхиолы. В дальнейшем концевые бронхиолы делятся на дыхательные бронхиолы, которые переходят в альвеолярные ходы, на стенках которых находятся миниатюрные выпячивания - альвеолы. Одна концевая бронхиола с ее разветвлениями называется легочным ацинусом, являющимся структурно-функциональной единицей легкого.
Плевра представляет собой серозную оболочку, состоящую из соединительнотканной основы, выстланной плоскими клетками мезотелия. Плевра покрывает легкие со всех сторон. У плевры различают два листка: висцелярный и париетальный. Между ними имеется узкая щель - плевральная полость, в которой содержится небольшое количество серозной жидкости. Эта жидкость смачивает соприкасающиеся поверхности висцеральной и париетальной плевры, облегчает скольжение легких в плевральных полостях во время акта дыхания.
Респираторная зона является областью легких, где происходит газообмен. Респираторная зона значительно больше, чем проводящая зона и занимает объем около 3 л. Она состоит из дыхательных бронхиол, альвеолярных ходов и альвеол. Альвеолы ?представляют собой структуру типа небольшого мешочка с очень тонкими стенками, обернутыми в капиллярами. 300 миллионов альвеол обеспечивают площадь поверхности около 70 м І. Благодаря значительной поверхности газообмена полный массоперенос О2 и СО2 в легких человека осуществляется всего за 0,1 с. Расстояние, через которое газ должен диффундировать очень маленькое, около 0,2 мкм, что делает альвеоло??-капиллярную систему идеально подходящей для газообмена. Газообмен между альвеолярной газовой смесью и кровью легочных капилляров происходит на альвеолокапиллярной мембране (АКМ), представляющей собой многомембранную систему. Различают несколько типов альвеоцитов.
Клетки первого I типа представляют собой тонкие эпителиальные клетки, выстилающие около 90 % от площади поверхности альвеол. Диффузия газов происходит в клетках этого типа.
Альвеоциты второго II типа являются разновидностью клеток типа I. Клетки типа II синтезируют, секретируют, перерабатывают альвеолярный суфрактант. Основу суфрактанта образует бимолекулярный липидный слой, подобный фосфолипидному бислою биологических мембран. Суфрактант непрерывно обновляется, и без него дыхание вообще было бы невозможно, так как стенки альвеолы слиплись бы под действием значительного поверхностного натяжения, присущего альвеолярному эпителию.
Альвеолярные макрофаги являются третьим III типом клеток, находящихся в альвеолах. Макрофаги поглощают вдыхаемые частицы, такие как бактерии. Эти клетки мобильны и они притягиваются на участки с инфекцией или травмой.
дыхание биофизика клеточный газ
2. Биофизические основы дыхания
Биофизическое толкование процессов растворения газов в организме важно как при анализе жизнедеятельности в обычных условиях, так и при изучении воздействия на организм различных факторов окружающей среды.
На процесс газообмена не оказывают влияния электрический, осмотический и гидростатический градиенты.
Парциальное давление газа - это такое давление компонента газовой смеси, которое он оказывал бы на заключающую его оболочку, если бы один занимал весь объем, предоставленный этой смеси. Размерностью парциального давления, также как размерностью напряжения, служат единицы давления. Расчет парциальных давлений производят по формуле:
Ра=[(Ратм+РН2О)*Сг]/100% (1)
Под напряжением газа в жидкости понимают такое парциальное давление данного газа в газовой смеси над этой жидкостью, которое нужно создать для поддержания равновесия в его содержании между газовой смесью и жидкостью, то есть для прекращения всякого газообмена между ними. Напряжение газа в жидкости ограничено пределом, которым является его парциальное давление в газовой смеси над этой жидкостью. Такое предельное состояние называется насыщением газом жидкости. Концентрация газа определяется по формуле, что выражает закон Генри-Дальтона:
Сг= mг/Vж =Рг*бг (2)
Где бг - коэффициент растворимости данного газа.
Долгое время дебатировался вопрос о существовании активного транспорта кислорода в легких. Сейчас общепризнано, что в организме нет систем активного транспорта кислорода, углекислого газа и азота. Следовательно, газообмен в легких осуществляется под действием только одной силы - концентрационного градиента каждого из этих газов на АКМ. Поэтому массоперенос газов подчиняется уравнению Фика:
Dm/dt = -D*s*grad C (3)
Для количественной оценки градиентов на АКМ необходимо знать ее толщину. Наслоение суфрактанта на эпителиальную выстилку альвеолы создают дополнительную к АКМ диффузионную среду, которую газы преодолевают при их массопереносе. Следовательно, за счет суфрактанта диффузионный путь чуть-чуть удлиняется, что приводит к незначительному снижению концентрационного градиента АКМ. Диффузионный путь определяется плотностью капиллярной сети, которая зависит от потребности той или иной ткани в кислороде. Суфрактант снижает поверхностное натяжение альвеолярных стенок, причем коэффициент поверхностного натяжения (у) зависит от толщины пленки. Колебания диффузионного пути не нарушают газообмена. Взаимосвязь между поверхностным натяжением и давлением показано на рисунке 1 и определяется законом Лапласа.
(Рис. 1)
Согласно закону Лапласа, давление на стенках равно удвоенному поверхностному натяжению, деленному на радиус:
P = 2у/r (4)
Сила упругости в легких, которая заставляет их спадаться на выдохе, называется эластичной тягой легких (ЭТЛ). Одним из компонентов ЭТЛ является сила поверхностного натяжения. Если поверхностное натяжение на альвеолах с разным размером было бы одинаковое, тогда давление в меньшей альвеоле было бы больше, чем давление в альвеоле с большим радиусом. В таком случае, давление уравновесилось бы за счет друг друга.
Из сопоставлений парциальных давлений и напряжений каждого из газов следует, что кислород и углекислый газ преодолевают АКМ по концентрационному градиенту в противоположных направлениях. Концентрационные градиенты О 2 и СО 2 на АКМ резко подают при патологии. Это может быть при изменении газовой среды, в которой дышит организм, а также при патологии самой дыхательной системы.
Диффузионной способностью легких называют объем данного газа, переносимый через АКМ всей «дышащей» поверхности легких в течение 1 мин при разности парциальных давлений на мембране в 1 мм рт. ст. и нормальной ее толщине. Диффузия кислорода, углекислого газа и азота в тканях происходят под действием концентрационного градиента этих газов между кровью, текущей по капиллярам, и межклеточной жидкостью. Свободной диффузии свойственна довольно медленная кинетика.
3. Биомеханика внешнего дыхания
Газообмен между альвеолярной газовой смесью и атмосферным воздухом осуществляется благодаря работе аппарата вентиляции. Процесс дыхания можно разделить на вдох и выдох.
Вдох начинается, когда диафрагма и межреберные мышцы грудной клетки реагируют на импульсы головного мозга. Сокращение наружных межреберных мышц приводит к подъему реберных дуг, грудина отходит немного вперед. Одновременно сокращаются мышечные волокна диафрагмы, ее сухожильный центр смещается книзу, оттесняя брюшные внутренности вперед и вниз. Объем грудной полости увеличивается в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Смещение диафрагмы при спокойном дыхании составляет 1-1,5 см, а при глубоком -- может увеличиваться до 10 см. При смещении диафрагмы на 1 см объем грудной полости изменяется примерно на 250-270 мл. Сокращения диафрагмы обуславливают около 50-70% глубины вдоха. Легкие пассивно следуют за всеми изменениями объема грудной полости при сокращении и расслаблении дыхательных мышц. Атмосферное давление, действующее на легкие только со стороны воздухоносных путей, плотно прижимает их к грудной стенке. Согласно закону Бойля-Мариотта (p*V=const), увеличение объема легких неизбежно сопровождается понижением давления внутри них. Оно становится ниже атмосферного, и воздух засасывается внутрь легких (в альвеолы). Воздух течет, пока давление в альвеолах не станет равным атмосферному давлению. Следует отметить, что во время вдоха и выдоха плевральное давление всегда меньше давления в альвеолах.
При выдохе объем грудной клетки уменьшается за счет возврата диафрагмы в исходное состояние и расслабление межреберных мышц. Это приводит к увеличению давления внутри легких, которое превышает атмосферное. В нормальных условиях в результате плавного уменьшения легочного объема создается градиент давления, и воздух пассивно выходит из легких.
При нарушении герметичности грудной клетки (например, при ранениях) атмосферное давление начинает действовать не только на внутреннюю поверхность легких, но и на внешнюю. Это приводит к тому, что легкие спадаются (пневмотрокс) и акты вдоха и выдоха становятся невозможными. При сплошном потоке воздуха по воздухоносным путям в физиологических процессах он не сжимается, и поэтому выполняется условие неразрывности струи: при сплошном течении несжимаемой среды через любое сечение струи в единицу времени переносятся одинаковые объемы перемещаемой среды (в данном случае воздуха). Применительно к разветвленной дыхательной трубке это означает, что объемная скорость воздушного потока одинакова во всех ее суммарных поперечных сечениях. Между объемной (Q)и линейной(v) скоростями воздушного потока установлена следующая зависимость: