Какую роль играет молекулярно-кинетическая теория (физика) при объяснении биологических явлений и в частности дыхания человека?
Однажды известный американский физик Р. Фейнман задал вопрос своим студентам: «какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, содержало бы наибольшую информацию для передачи грядущим поколениям, если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными?» И сам ответил: «это — атомная гипотеза: все тела состоят из атомов — частиц, которые находятся в непрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из тел плотнее прижать к другому. В этой фразе содержится огромная информация о мире».
Атомная гипотеза как основа молекулярно-кинетической теории — это одна из фундаментальных научных теорий, утверждающая древнейшую научную идею — идею о дискретности вещества. Она служит основой для объяснения многих физических, химических, биологических явлений, и без неё не может обойтись ни одна из естественных наук. Давайте применим эту теорию к биологии человека и в частности к решению вопроса дыхания.
Значение дыхания
Дыхание — это совокупность физиологических процессов, обеспечивающих газообмен между организмом и внешней средой (внешнее дыхание), и окислительных процессов в клетках, в результате которых выделяется энергия (внутреннее дыхание). Обмен газов между кровью и атмосферным воздухом (газообмен) — осуществляется органами дыхания.
Источником энергии в организме служат пищевые вещества. Основным процессом, освобождающим энергию этих веществ, является процесс окисления. Он сопровождается связыванием кислорода и образованием углекислого газа. Учитывая, что в организме человека нет запасов кислорода, непрерывное поступление его жизненно необходимо. Прекращение доступа кислорода в клетки организма ведёт к их гибели. С другой стороны, образованный в процессе окисления веществ углекислый газ должен быть удалён из организма, так как накопление значительного количества его опасно для жизни. Поглощение кислорода из воздуха и выделение углекислого газа осуществляется через систему органов дыхания.
Биологическое значение дыхания заключается в:
· обеспечении организма кислородом;
· удалении углекислого газа из организма;
· окислении органических соединений БЖУ с выделением энергии, необходимой человеку для жизнедеятельности;
· удалении конечных продуктов обмена веществ (пары воды, аммиака, сероводорода и т.д.).
Общее обеспечение дыхания
Лёгкие – это парный орган: правое и левое, которые обеспечивают дыхание. Особенности строения лёгких: мелкие бронхи, бронхиолы, легочные пузырьки (альвеолы) (смотри рисунок 1). Стенки альвеол образованы однослойным эпителием и оплетены густой сетью капилляров.
В лёгких происходят процессы газообмена через альвеолярно-капилярную мембрану. При дыхании организм получает из воздуха кислород, который разносится кровью по всему телу. Кислород участвует в сложных окислительных процессах органических веществ, при котором освобождается необходимая организму энергия. Конечные продукты распада — углекислота и частично вода — выводятся из организма в окружающую среду через органы дыхания.
Описание физики процесса газообмена
Итак, кислород попадает в организм человека через лёгкие (смотри рисунок 2). Кислород проникает из воздуха через мембраны лёгочных пузырьков в кровь, а обратно из крови в воздух выдыхается углекислый газ — это происходит благодаря диффузии в альвеолах. Напомню, что диффузия – это самопроизвольное взаимное проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого. Говоря простым языком, этот процесс можно назвать смешиванием.
Альвеола — это тонкостенный пузырёк диаметром 0,2 мм, заполненный воздухом. Стенка альвеолы образована одним слоем плоских клеток эпителия, по наружной поверхности которых разветвляется сетка капилляров. Таким образом, газообмен происходит через очень тонкую перегородку (мембрану), образованную двумя слоями клеток: стенки капилляра и стенки альвеолы. Стенки тех и других очень тонкие, что способствует проникновению через них молекул газа в кровь и обратно (см.рис.3). Скорость газообмена зависит от площади поверхности, через которую происходит диффузия газов, а также от разности парциальных давлений диффундирующих газов. Кстати, парциальным называется часть общего давления, которая приходится на долю данного газа в газовой смеси.
Если газы растворены в жидкости, то термину «парциальное давление» соответствует используемый в биологии термин «напряжение». Парциальное давление кислорода в воздухе лёгочных пузырьков составляет около 10 — 11 кПа, а напряжение кислорода в притекающей к лёгким крови около 6 кПа, поэтому кислород интенсивно диффундирует из лёгких в кровь. В то же время, напряжение углекислого газа в венозной крови на 700 Па больше, чем его парциальное давление в воздухе, находящемся в лёгких, поэтому углекислый газ диффундирует из крови в лёгкие.
Множество лёгочных пузырьков и их ячеистое строение обеспечивают большую поверхность, через которую происходит газообмен между воздухом и кровью.