Основные представления о диффузии

В лёгких совершается обмен кислородом, углекислым газом и азотом между орга­низмом и внешней средой. Благодаря работе дыхательных мышц лёгочные альвеолы об­мениваются этими газами с атмосферой, что обеспечивает относительное постоянство концентраций 0₂ и С0₂ в альвеолярной газовой смеси.

На этот процесс не оказывают влияния электрический, осмотический и гидростатический градиенты.

Долгое время обсуждался вопрос о существовании активного транспорта (секре­ции) кислорода в лёгких. Сейчас общепризнано, что в организме нет систем активного транспорта кислорода, углекислого газа и азота. Следовательно, газообмен в лёгких осу­ществляется под действием только одной силы - концентрационного градиента каждого из газов на альвеолярно-капиллярную мембрану.

Основным механизмом транспорта веществ, обусловленным наличием концентрационного градиента, является диффузия. Диффузия - это самопроизвольный процесс проникновения вещества из области большей в область меньшей его концентрации в результате теплового хаотического движения молекул. Как известно, в растворах молекулы растворённого вещества находятся в непрерывном хаотическом движении. На своем пути молекула, движущаяся хаотически, всё время сталкивается с другими молекулами того же вещества и растворителя или же с мембраной. В первых двух случаях столкновение напоминает удар двух бильярдных шаров - соударяющиеся молекулы отскакивают друг от друга, в результате траектория молекулы приобретает вид ломаной линии. При столкновении же с мембраной исход может быть двояким: молекула либо отскочит от мембраны, либо пройдет через неё. Когда вероятность последнего события велика, то говорят, что мембрана проницаема для данного вещества; когда же более вероятно, что молекула отскочит обратно, говорят о непроницаемости мембраны. Таким образом, прохождение сквозь мембраны - это суммарный результат хаотического теплового движения молекул растворенного вещества, воды и самих мембран. Для упрощенного понимания диффузии представим себе сосуд, заполненный водным раствором некоторого вещества. Если провести воображаемую границу раздела, то через нее в единицу времени будет проходить в обоих направлениях одинаковое количество и молекул растворителя, и молекул растворённого вещества.

Тепловое хаотичное движение молекул. Стрелка показывает воображаемую поверхность раздела.

Теперь представим себе, что справа от воображаемой границы раздела находится вода, а слева раствор вещества с высокой концентрацией. В этом случае молекулы растворенного вещества будут перемещаться из левой части сосуда в правую. Такое самопроизвольное перемещение частиц растворённого вещества и называется диффузией. Её процесс прекратится, когда концентрация вещества во всех частях сосуда станет одинаковой.

Диффузия в сосуде с воображаемой поверхностью раздела.

Математическое описание процесса диффузии дал Фик. Согласно закону Фика, скорость диффузии прямо пропорциональна градиенту концентрации — и площади, через которую осуществляется диффузия.

где D - коэффициент диффузии, S - площадь, через которую осуществляется диффузия, С - концентрация вещества, х - расстояние переноса, m - масса вещества, t - время диффу­зии.

Под скоростью диффузии понимают количество вещества, диффундирующего в единицу времени через данную площадь. Градиент концентрации - это изменение кон­центрации вещества, приходящееся на единицу длины х, в направлении диффузии. Знак минус в правой части уравнения показывает, что диффузия происходит из области большей концентрации в область меньшей концентрации вещества. Коэффициент D в уравнении называется коэффициентом диффузии. Коэффициент диффузии численно ра­вен количеству вещества, диффундирующего в единицу времени через единицу площади при градиенте концентрации равном единице. Коэффициент диффузии зависит от приро­ды вещества и от температуры. Он характеризует способность вещества к диффузии. Так как концентрационный градиент клеточной мембраны определить трудно, то для описания диффузии веществ через клеточные мембраны пользуются более простым уравнением, предложенным Коллендером и Берлундом:

где C₁ и С₂ - концентрации вещества по разные стороны мембраны, Р - коэффициент про­ницаемости, аналогичный коэффициенту диффузии.

В отличие от коэффициента диффузии, который зависит только от природы вещества и температуры, Р зависит ещё и от свойств мембраны и от её функционального состояния.

Содержание газов в альвеолах

Дыхательной средой для человека является атмосферный воздух, состав которого отличается постоянством. В 1 л сухого воздуха содержится 780 мл азота, 210 мл кислорода и 0,3 мл углекислого газа. Остальные 10 мл приходятся на инертные газы - аргон, неон, гелий, криптон, ксенон и водород. Содержание и парциальное давление (напряже­ние) кислорода и углекислого газа в различных средах представлено в таблице.

На уровне моря нормальное атмосферное давление составляет 760 мм рт. ст. Со­гласно закону Дальтона эта величина складывается из парциальных давлений всех газов, входящих в состав воздуха. Атмосферный воздух содержит также пары воды. В умерен­ном климате при температуре 22°С парциальное давление водяного пара в воздухе со­ставляет 20 мм рт. ст. Парциальное давление водяного пара, уравновешенного в лёгких с кровью при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. и температуре тела 37°С, составляет 47 мм рт. ст. Учитывая, что давление водяных паров в организме выше, чем в окружающей среде, в процессе дыхания организм теряет воду.