Газовые законы и дыхание
Вы уже знаете, что основным законом природы является закон сохранения энергии. Энергетические затраты организма человека покрываются за счёт окисления жиров, белков и углеводов. Для окисления необходим кислород. Доставкой его занимаются органы дыхания. У человека эту функцию выполняют лёгкие. Ритмическое движение грудной клетки–это ещё не дыхание. Сущностью дыхания являются окислительные процессы, которые лишь отдалённо напоминают горение. При обычном горении кислород непосредственно присоединяется к окисляемому веществу. При биологическом окислении белков, жиров или углеводов у них «отнимается» водород, который, в свою очередь, восстанавливает кислород, образуя воду.
Чтобы жить, необходимо снабдить кислородом каждую клетку организма. Большинство животных нашей планеты черпают кислород, растворённый в воде, используя для этого лёгкие или жабры, а кровь за тем разносит кислород по всему организму.
Жабры Легкие
Природа не сразу создала лёгкие и жабры. Первые многоклеточные организмы дышали всей поверхностью тела. Все последующие живые организмы хотя и приобрели специальные органы дыхания, но способность дышать кожей не утратили. Лишь животные, одетые в броню ( черепахи, броненосцы, крабы и им подобные) не пользуются этой привилегией.
Газовые законы и дыхание человека
У человека в дыхании принимает участие вся поверхность тела - от самого толстого эпидермиса пяток до покрытой волосами кожи головы. Особенно усиленно дышит кожа на груди, спине и животе. Интересно, что по интенсивности дыхания эти участки кожи значительно превосходят лёгкие. Так, например, с одинаковой по размеру дыхательной поверхности здесь может поглощаться кислорода на 28%, а выделяться углекислого газа на 54 % больше, чем в лёгких.
Однако участие кожи в общем дыхательном балансе человека по сравнению с лёгкими ничтожно. Общая поверхность кожи человека около двух квадратных метров, тогда как поверхность лёгких, если развернуть все 700 миллионов альвеол, микроскопических пузырьков, через стенки которых происходит газообмен между воздухом и кровью, составляет около 90-100 метров кв., т. е. в 45-50 раз больше.
Напомним, что если в некотором объёме имеется смесь газов, не вступающих в химическую реакцию, то общее давление, производимое газом на стенки сосуда, равно сумме парциальных давлений (закон Дальтона):
Где 
- давления, производимые каждым газом, входящим в состав смеси (парциальный - частный от латинского слова pars-часть).
Человек дышит атмосферным воздухом, который состоит из кислорода-20,94%, углекислого газа-0,03%, азота и инертных газов ( аргон и др.)-79,03%. Состав же выдыхаемого воздуха иной: кислорода 16,3%, углекислого гвзв-4% и ззота-79,7
Парциальное давление кислорода в крови меньше, чем в воздухе, и он переходит из воздуха в кровь до тех пор, пока их парциальные давления не уравниваются.
Благодаря диффузии молекул газа через соприкасающиеся стенки альвеол лёгких и капилляров кровеносной системы происходит газообмен в лёгких.(рис.36)
Знание газовых законов помогает понять механизм лёгочного дыхания. С помощью межрёберных мышц и диафрагмы осуществляется объёмное расширение грудной клетки в трёх направлениях: в вертикальном (купол диафрагмы становится более плоским), поперечным и переднезадним (за счёт движения рёбер). При этого давление в лёгких падает ниже атмосферного: вследствие образовавшегося перепада давлений происходит вдох. Затем вследствие расслабления мышц объём грудной клетки уменьшается, давление в лёгких становится выше атмосферного - происходит выдох.
Обратно пропорциональная зависимость между объёмом и давлением
(
, 
- закон Бойля-Мариотта) создаёт необходимые для вдоха и выдоха разности давлений атмосферного воздуха Ра и воздуха в лёгких Рл. (рис.2)
Газообмен в лёгких: (рис.1)
1-направление движения кислорода; 2-напрвление движения углекислого газа; 3-кровь в капилляре (область большой плотности углекислого газа); 4-альвеольный пузырёк лёгкого (область большой плотности кислорода).
Схема движения грудной клетки при дыхании: (рис 2)
1-грудная клетка неподвижна; 2-вдох: увеличение объёма грудной клетки; 3-выдох: уменьшение объёма грудной клетки.
Важную роль в этих процессах играет плевральная полость, в которой в процессе дыхания возникают разрежения. Если хирургическим путём открыть наружному воздуху доступ в плевральное пространство, то атмосферное давление сожмёт лёгкое, выключив из процесса дыхания (пневмоторакс - один из методов лечения лёгочного туберкулёза).
Весьма важным показателем работы лёгких является их объём. Точно определить объём лёгких не так просто, это мы увидим ниже. Существует очень простой способ определения грубого объёма лёгких человека по его росту и весу, т. е. по данным, которые известны каждому человеку. Установлено, что у мужчин примерно 2500 кубических сантиметров, а у женщин 2000 кубических сантиметров объёма лёгких приходится на 1 квадратный метр поверхности тела. Теперь можно оценить объём лёгких, если найти площадь поверхности тела по формуле Дубоиса:
Где S – искомая площадь в квадратных метрах, P-вес в кг, l-рост в м. Если обозначить через V общий объём лёгких при наибольшем выдохе и максимальном вдохе, то
Где 
-объём воздуха, выдохнутого спокойно после спокойного вдоха; 
-объём максимального выдоха после спокойного вдоха; 
-объём воздуха, постоянно находившегося в лёгких; 
-Объём, который можно выдохнуть при самом большом вдохе после выдоха. Величина
Равна именно такому объёма воздуха, который обменивается при одном цикле дыхания, и представляет наибольший интерес для медиков. Объём 
легко определить с помощью медицинского спирометра.
Он представляет собой два полых цилиндра(рис.3). Воздух, выдыхаемый через шланг 1 и трубку 2, попадает в цилиндр 3. По мере наполнения воздухом цилиндр 3 всплывает, и по шкале, которая видна на окошечке 4, можно судить об объёме максимального выдоха.
Схема спирометра (рис.3)
На рис.4 показан прибор, при помощи которого можно измерить объём лёгких, пользуясь уравнением газового состояния. Если после вдоха через трубку Тр закрыть кран Кр, то уровни воды в с сосудах 
и 
остановятся на отметках 
и 
соответствующих манометров 
и 
.
Прибор для измерения объёма лёгких (рис.4)
Обозначим объём и давление в сосуде 
до и после выдоха соответственно через 
. Тогда на основании уравнения газового состояния
Обозначим искомый объект лёгких Vx. Если этот объём содержит 
граммолекул воздуха, то, очевидно, 
Далее, температуру 
примем равной 35,5
(308,7 К), а Т измерим термометром.
Давление р’ измеряется с помощью барометра, а 
и величина давления столба воды 
отсчитывается манометрами 
и 
.
Подставив во второе уравнение системы значение 
и решив полученную систему относительно 
, получим:
Наконец, подставив 
и 
в уравнение газового состояния для Vx:
Получим искомое выражение для объёма лёгких:
(То-температура выдыхаемого воздуха, Т - вдыхаемого)
в котором все величины поддаются непосредственному измерению.
Дыхание у некоторых животных
Интересно, что природа для создания дыхательных органов у животных использовала кожные покровы и органа пищеварения. Совершенно удивительна дыхательная система насекомых. Всё их тело пронизано системой сложноветвящихся трубочек. Даже мозг и тот изрешечен воздухоносными трахеями.
Трахей, разветвляясь, уменьшаются в диаметре до тех пор, пока не станут такими тоненькими, что могут подойти буквально к каждой клетке тела ; здесь нередко они распадаются на пучок уже совсем мельчайших трахеол диаметром меньше одного микрона, которые входят прямо в протоплазму клеток. Как видим, кислород у насекомых доставляется прямо к месту назначения. Особенно много трахеол в клетках, усиленно потребляющих кислород; в крупных клетках дыхательных мышц они создают целые сплетения.
Казалось бы, у насекомых удачно решена проблема дыхания. Однако струя воздуха, проходящего внутри организма насекомого, способна быстро его «высушить». Кроме того, на испарение жидкости затрачивается энергия, которую необходимо пополнять, чтобы не переохладиться. Чтобы это не произошло, отверстия трахей открываются лишь на очень короткий срок, а у многих водяных насекомых они вообще запечатаны. В этом случае кислород путём диффузии через покровы тела или жабры просачивается в воздухоносные пути и распространяется дальше по ним тоже путём диффузии. В средах, где процент кислорода на много ниже нормы, появилось дополнительное устройство – лабиринт - система очень сложно переплетающихся каналов и полостей, расположенных в расширенной части первой жаберной дуги. Такой лабиринт был впервые замечен у гурами osphomenus olfas, что в переводе с латинского означает «нюхатель обоняющий». Гурами непрерывно поднимаются к поверхности водоёма и втягивают в себя воздух, как бы принюхиваются. Всё объясняется очень просто: жабры у гурами недоразвиты, и они дышат воздухом. Если поместить гурами в водоём, где есть много кислорода, но не дать возможности им всплывать к поверхности, лабиринтовые рыбки просто «захлебнутся» и «утонут».
