Дышите на здоровье!

Квант 2020, №4 с. 35-37 Тег ENKR

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТАТИВ

Дышите на здоровье!

А.МИНЕЕВ

ВДАННОЙ СТАТЬЕ РЕЧЬ ПОЙДЕТ О воздействии на человека кислорода и углекислого газа – по отдельности и вместе. Некоторую настоящую интригу придает взгляд на проблему как извне – со стороны вдыхаемого воздуха, так и изнутри – внутри самого организма. Или, более научно, как со стороны внешнего дыхания – обмена между атмосферой и клетками в легких, так и внутреннего дыхания – процессы в клетках и тканях организма. Среднее значение давления земной атмосферы на уровне моря примерно равно $p_{атм} = 760$ мм рт. ст. На долю кислорода приходится 160 мм рт. ст. или приблизительно 21%. Кислород частично усваивается организмом, углекислый газ образуется в результате химических реакций окисления. Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха приведен в таблице.

Таблица 1. Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха

Чем интересны эти цифры? Азот и аргон не используются организмом человека (являются инертными). Степень усвоения кислорода невелика, около 0,25. После вдоха организм выдыхает обратно основную часть кислорода. Углекислый газ практически отсутствует во вдыхаемом воздухе и активно образуется при окислительных реакциях в организме. Процент поглощения организмом кислорода (21% – 16% = 5%) оказывается близким к проценту образования углекислого газа (4%).

DOI: https://doi.org/10.4213/kvant20200405

Инертность азота и аргона при обменных процессах в организме привела к соблазну вообще отказаться от них в условиях длительного пребывания в замкнутом пространстве. По этому пути пошли американские астронавты в первых космических полетах, перейдя на дыхание чистым кислородом. При этом давление в случае использования только $O_{2}$ было существенно ниже атмосферного и составляло 260–280 мм рт. ст. Однако по мере увеличения длительности космических полетов в такой чисто кислородной атмосфере у астронавтов стали появляться проблемы с дыхательными путями. К тому же, чисто кислородная атмосфера пожароопасна. Российские космонавты с самого начала использовали состав воздуха, близкий к земному, что потребовало более сложной системы регенерации воздуха. В настоящее время при полетах в космосе и в плавании на подводных лодках используется земной состав атмосферы.

Взгляд снаружи

Диапазон концентрации кислорода в воздухе, пригодный для жизни. Диапазон содержания кислорода в воздухе $p_{O} 2$ , при котором возможна жизнедеятельность человека в течение длительного времени, ограничен значениями

$90 - 100$ мм рт. ст. $< p_{O} 2 < 400 - 450$ мм рт. ст.

Нижняя граница соответствует началу кислородного голодания, верхняя – началу кислородного отравления. В процентном отношении наступление кислородного голодания у здорового человека наступает уже при содержании $O_{2}$ в воздухе $p_{O} 2 p_{атм}$ менее 14% (при $p_{атм} = 760$ мм рт. ст.). Эти данные соответствуют диапазону жизнедеятельности человека на уровне моря. По мере подъема в горы давление снижается, что наглядно отражают кривые атмосферного давления и парциального давления кислорода (рис.1). Видно, что начиная с высот 4,5–5 км давление кислорода становится ниже допустимой нижней границы давления в 90 мм рт. ст. При этом давление воздуха в альвеолах составляет 105–110 мм рт. ст., что также близко к нижней границе. По мере уменьшения давления кислорода до уровня

Можно ли силу 8Н разложить на две по 5Н каждая? А на две по 9Н каждая? 10. Брусок покоится на наклонной плоскости. Как графически найти точку приложения нормальной реакции опоры? 11. Закрытый вагон движется по горизонтальной поверхности с постоянным ускорением а. К полу вагона привязан на нити шарик, заполненный гелием. Куда отклонится нить? 12. Тело брошено под углом к горизонту. Как меняется во время его движения мощность силы тяжести? Сопротивление воздуха не учитывать. 13. В результате сложения электрических полей с напряженностями $E_{1}$ и $E_{2}$ получено поле Е. Равна ли энергия поля Е сумме энергий полей $E_{1}$ и $E_{2}$ ? 14. Является ли стрелка компаса, указывающая направление магнитной индукции поля Земли, вектором? 15. Вблизи Москвы вертикальная компонента магнитной индукции поля Земли $B_{в}$ составляет примерно 93% от полной индукции В. Какой процент от полной индукции составляет горизонтальная компонента $B_{г}$ ? 16. Человек идет со скоростью v навстречу зеркалу, горизонтальная плоскость которого движется вверх со скоростью u. Какова скорость изображения человека в зеркале? 17. Как будет ориентироваться относительно Солнца спутник сферической формы, одна половина которого зеркальная, а другая покрыта черными термобатареями?

Микроопыт

Постарайтесь как можно сильнее ударить ногой по покоящемуся мячу (естественно, в большом спортзале или на стадионе). Как связана скорость бьющей ноги v со скоростью отлетевшего мяча u? Какие допущения вам придется сделать для этой оценки?

ципа постоянства количества движения (импульса тела) ученый странным для него образом посчитал скорость не векторной, а скалярной величиной, что стало причиной ошибочности правил, образующих декартову теорию соударений. …уже в 1669 году Гюйгенс уточнил, что при взаимодействии тел сохраняется не арифметическая, а геометрическая сумма количеств движения, и вывел законы столкновения упругих тел. …в учебниках физики на английском языке различают два понятия: velocity – скорость (векторная величина) и speed – быстрота движения (скалярная величина). Второй термин образует корень слова «спидометр». …разделить физические величины на скалярные и векторные предложил ирландский математик и механик У.Гамильтон, разработав особые правила действий с векторами. Новое исчисление оказалось удивительно подходящим для формулировки теории электромагнетизма Максвелла, а в дальнейшем было развито американским физиком Дж.Гиббсом и английским ученым О.Хевисайдом. …теория скользящих векторов, применяемая в задачах, где приходится принимать в расчет не только массу, но и размеры тела, широко используется в статике, в строительной механике, в кинематике и динамике твердого тела. …векторы, связанные с вращением, направление которых определяется знаменитым «правилом буравчика», – это момент силы, угловые скорость и ускорение. А еще один вектор – момент количества движения – «проник» из механики в теорию элементарных частиц, став одной из важнейших их характеристик, называемой спином.

Что читать в «Кванте» о векторах в физике

(публикации последних лет)

Любопытно, что…

…еще в конце ХVI века голландский инженер и математик Симон Стевин осознал векторный характер силы и предложил способ изображения сил с помощью линий и правило геометрического их сложения. …в начале XVII века Галилей, исследуя поведение тел, брошенных под углом к горизонту, выдвигает фундаментальный принцип – закон сложения перемещений. …в изданном в 1644 году трактате Декарта «Начала философии» в формулировке прин-

«Геометрия скользящих векторов» – 2014, Приложение №4, с.114; 2. «Поле и линии поля» – 2015, №2, с.35; 3. «Скорость и ускорение» – 2016, Приложение №4, с.6; 4. «Как не быть мазилой» – 2018, №7, с.37; 5. «Господин Великий Косинус» – 2019, №1, с.39; 6. «Относительность движения в задачах кинематики» – 2019, №2, с.43; 7. «Относительность движения в задачах динамики» – 2019, №4, с.40.

Материал подготовил А.Леонович

ФИЗИЧЕСКИЙ

Рис. 3. Узкая щель («опасная точка»). Для проплыва через щель было необходимо снять акваланг, поэтому каждого ребенка спасали два дайвера

сти проплыва через щель показаны на рисунке 3. Спасателям пришлось непрерывно откачивать воду из пещеры. Поэтому в ней находилось большое количество спасателей, помогавших откачивать воду и готовить детей к выходу. В этой ситуации оказались важны все отмеченные выше особенности поведения кислорода и углекислого газа в замкнутом объеме. Для борьбы с постепенным уменьшением количества кислорода в пещере была организована доставка кислорода с помощью специального трубопровода. Было решено, что накопление углекислого газа в пещере представляет существенно большую опасность, чем нехватка кислорода. Закачкой кислорода по трубопроводу в верхнюю часть пещеры вытесняли углекислый газ. Учитывалось также расслоение воздуха на фракции – $CO_{2}$ скапливался в нижней части пещеры. Вот почему дети и тренер скрылись в верхней ее части. Поиски ребят и подготовительные работы заняли почти две недели. За это время известный изобретатель и организатор исследований Илон Маск (космические корабли, электрокары) успел из запчастей к ракете изготовить миниатюрную подводную лодку на одного человека и доставить ее в Таиланд. Но из-за узкой щели от ее использования отказались. Ситуация с каждым днем становилась все более сложной. Необходимо было постоянное присутствие людей, занятых на откачке воды из пещеры (иначе пещера полностью

ФАКУЛЬТАТИВ

заполнилась бы водой) и установке труб для подачи кислорода. Более десятка аквалангистов доставляли в пещеру воду, еду и кислородные баллоны. Там постоянно присутствовали врачи и те, кто готовили спасательную операцию. При дыхании этих взрослых спасателей состав воздуха ухудшался еще стремительнее. Наступил момент, когда из-за накопления углекислого газа дальше ждать было нельзя. Множество кислородных баллонов было расставлено по всему маршруту из пещеры к выходу (каждый баллон рассчитан на работу только в течение часа). Тысяча спасателей снаружи, включая сто дайверов, начали операцию. В первый день 13 дайверов спасли четырех подростков. Во второй день 18 дайверов (и 70 аквалангистов сопровождения) спасли еще четверых. Наконец, в третий день были спасены оставшиеся четверо детей и их тренер, а также 4 человека, остававшиеся в пещере. Молодцы!

Взгляд изнутри

На уровне клеток организма состав воздушной среды совершенно иной. Содержание кислорода в клетках организма около 1– 2% (исключение – эритроциты, в которых может содержаться до 96–98% кислорода), углекислого газа в клетках около 6%. Если концентрации $CO_{2}$ в клетках уменьшается, то появляется все больше проблем с дыханием. На рисунке 4 приведена зависимость характерного времени, в течение которого человек (не рекордсмен) способен задержать дыхание, частоты пульса и степени

Рис. 4. Характерная зависимость времени задержки дыхания (секунды), частоты пульса (количество ударов в минуту) и степени ухудшения кровоснабжения (проценты) от концентрации углекислого газа в крови

КВА НT 2020/№4

ухудшения кровоснабжения органов от концентрации углекислого газа. Общий вывод таков: при уменьшении концентрации $CO_{2}$ время задержки дыхания уменьшается и, если она приближается к 3%, клетки гибнут; быстро растет частота пульса; ухудшается кровоснабжение органов. В результате желательная концентрация $CO_{2}$ в клетках должна быть 6% и даже немного больше. Примерное содержание кислорода и углекислого газа в различных частях организма человека, приведенное в таблице 3, подтверждает вышеуказанные цифры.

Таблица 3. Содержание кислорода и углекислого газа

оплетены сетью капилляров (рис.5). Через стенки альвеол (их диаметр около 0,3 мм, количество альвеол в легких человека около миллиарда, а общая поверхность приблизительно $100 м^{2} )$ осуществляется газообмен: кислород переходит в кровь и примерно столько же углекислого газа из крови поступает в легкие. Более точно, в среднем за сутки из альвеолярного воздуха в кровь поступает 500 литров кислорода и выделяется 430 литров углекислого газа из крови в альвеолярный воздух. Более подробно о свойствах альвеол рассказано в книге К.Ю.Богданова «Физик в гостях у биолога» (Библиотечка «Квант», выпуски 49, 133).

Что первично для организма: $O_{2}$ или $CO_{2}$ ?

В легких происходит обмен кислорода и углекислого газа между альвеолами и кровью. Альвеолы – концевые образования в легких, имеющие вид пузырьков, которые

Рис. 5. Вид альвеолы, опутанной капиллярами. Показаны пути поступления кислорода в эритроциты и выхода углекислого газа из эритроцитов

Помните известный парадокс: что было раньше – курица или яйцо? Он не разрешим, если не привлекать во внимание процесс эволюции и образование новых видов. Но если привлечь, то у яйца оказывается некоторый приоритет, он древнее. Так, еще динозавры откладывали яйца, а птицы произошли от одной из ветвей динозавров. Получается, что яйцо древнее птицы и в этом, эволюционном, смысле первично… В нашем случае проблема выбора – что первично (иными словами, что запускает процессы в человеческом организме): кислород или углекислый газ – решается следующим образом. Раньше первичным считался кислород – ведь он основной источник энергии, дающий толчок всем процессам в организме. Но сейчас маятник выбора качнулся в сторону углекислого газа. Постепенно пришли к выводу, что первичным, запускающим, механизмом является накопление в организме углекислого газа. Накопление $CO_{2}$ в организме в ходе расщепления в клетках жиров и белков дает сигнал мозгу о том, что углекислый газ нужно выводить из клеток – он «садится» на эритроциты и перемещается к альвеолам легких. На освободившиеся места в «поезде» эритроцитов «усаживается» $O_{2}$ и разносится по организму. Поэтому современный взгляд на процесс дыхания таков: сначала выдыхается углекислый газ, а потом вдыхается кислород. При этом вместе с углекислым газом выдыхаются и излишки кислорода.

ФИЗИЧЕСКИЙ

Для дыхания необходимы оба газа, попеременно «седлающие» эритроциты. При этом венозная кровь окрашена с помощью углекислого газа в темно-красный цвет, а артериальная кровь с помощью кислорода – в яркокрасный. Среднее соотношение между количеством углекислого газа и кислорода в организме здорового человека примерно 3:1 (6% $CO_{2}$ и 2% $O_{2} ).$ Взаимодействие «снаружи» и «изнутри». Итак, углекислый газ необходим для жизнедеятельности человека. Важно и поддержание определенного уровня $CO_{2}$ в организме. А его недостаток и избыток вредны. Слишком высокое накопление $CO_{2}$ возможно в плохо проветриваемых помещениях: при большом проценте (более 0,08–0,1%) его уровень в организме также растет (последствия этой ситуации обсуждались выше). Нехватка углекислого газа в крови (менее 4%) тоже опасна (см. рис.4). В каких случаях может возникнуть такая нехватка? Типичный пример – учащенное дыхание: слишком много $CO_{2}$ выдыхается и мало остается в организме. При недостатке углекислого газа кислород прочно «прикреплен» к эритроцитам. И даже когда кислорода в крови много, он оказывается связанным и плохо поступает в ткани организма. Если в такой ситуации дышать еще чаще, то это только усугубит ситуацию. Что делать? Движение, гимнастика, спорт на воздухе или в хорошо проветриваемом помещении – все это увеличивает содержание $CO_{2}$ . Капилляры расширяются и даже образуются новые сети капилляров, кровоток усиливается, кислород лучше отделяется от гемоглобина и поступает в клетки… Приведем еще один пример важности более редкого дыхания. Стайерам во время бега рекомендуют в случае, когда уже не хватает сил, как можно дольше задержать дыхание для того, чтобы открылось «второе дыхание» и он мог бежать дальше. Оказание первой помощи. Дыхание «рот в рот». При оказании первой доврачебной помощи человеку в случае исчезновения дыхания одним из действенных методов является искусственное дыхание методом «рот в рот» вместе с непрямым массажем сердца. В рот пострадавшего через марлю или носовой платок спасатель должен выдыхать

ФАКУЛЬТАТИВ

воздух с частотой 12–15 раз в минуту. Казалось бы, это бессмысленно. Ведь в начале статьи мы много раз повторяли, каков должен быть состав вдыхаемого воздуха (21% кислорода и 0,4% углекислого газа). А тут выходит, что пострадавший вынужден принудительно получать воздух «на выдохе» (16% $O_{2}$ и 4% $CO_{2} ).$ Тем не менее, оказывается, что и в выдыхаемом воздухе еще есть остатки кислорода в концентрации, превышающей минимально допустимую (16% > > 13–14%). А большая концентрация $CO_{2}$ оказывается полезной для стимуляции центра головного мозга, который вызывает дыхательный рефлекс, приводящий к раскрытию альвеол. В этой ситуации имеется некоторая аналогия с поведением спасателя при остановке сердца: он должен повернуть пострадавшего на спину и нанести ему удар ребром руки по грудной клетке. Цель – сотрясение грудной клетки, что должно привести к запуску остановившегося сердца. Так что роль $CO_{2}$ при остановке дыхания несколько иная, чем при обычном, спокойном дыхании. Способы увеличения концентрации выдыхаемого углекислого газа. Человек в повседневной жизни «в автоматическом режиме» делает примерно 15 циклов вдох-выдох в минуту (каждый цикл имеет длительность приблизительно 4 секунды). Обычное отношение длительности вдоха и выдоха 1: 1,3. Смысл основных дыхательных гимнастик заключается в повышении содержания в крови углекислого газа за счет задержки, ослабления, замедления или искусственного затруднения дыхания. При этом повышение концентрации $CO_{2}$ (до определенного предела, около 8%) улучшает усвоение кислорода организмом человека. В разных методиках это достигается или за счет задержки дыхания после вдоха либо после выдоха, или за счет удлиненного выдоха, или за счет удлиненного вдоха, или их комбинаций. Иными словами, нужно, чтобы фаза выдоха существенно превышала вдох. Наиболее последовательной из современных методик является система Бутейко – поверхностное дыхание с задержкой. Она направлена на уменьшение потребления кислорода и насыщение организма углекислым газом. По этой системе усилием воли вдох