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 возможност