Газообмен в легких и тканях

Цель урока - повторить состав воздуха, выяснить роль его компонентов для организма, сформулировать санитарно-гигиенические требования к воздушной среде, определить сущность легочного и тканевого дыхания.

Прежде всего надо разъяснить учащимся, что дышим мы не "чистым" кислородом, а смесью газов, на долю кислорода приходится примерно ¹/₅, 21%.

Задание 1. Определить, какая часть воздуха приходится на долю кислорода.

Опытную часть работы проводят демонстрационно. Учитель до урока карандашом для стекла наносит на воронку пять меток, делящих ее объем на пять равных частей. Воронку лучше взять большую, но с таким расчетом, чтобы она входила в кристаллизатор. Метки наносят так: наливают воду в воронку, а затем переливают ее в мензурку. Измеренный объем делят на 5. Полученный от деления результат и используют для калибровки. (Мензуркой отмеряют объем воды, равный ¹/₅ объема воронки, переливают ее в воронку и делают отметку на стекле. При калибровке сливную трубку надо закрыть. Затем приливают туда следующую такую же порцию воды и делают следующую отметку. И так пять раз.) На уроке опыт ставят так. Ко дну кристаллизатора прикрепляют свечу, лучше тонкую (рис. 24, Б). Затем в кристаллизатор наливают подкрашенную воду. Свечу зажигают. Горящую свечу осторожно накрывают воронкой. Ее трубка направлена вверх. Затем трубку закрывают пробкой. Учащиеся видят, как свеча гаснет, а уровень воды в воронке поднимается на ¹/₅. Если воронка маленькая, а свеча толстая, результат может оказаться завышенным. Уровень воды в воронке может занять ¹/₃. Этот факт нередко наводит учащихся на мысль, что в их классе кислорода больше, чем в других местах. В доказательство они ссылаются на то, что в биологическом кабинете много растений, а растения на свету "питаются углекислым газом" и выделяют кислород.

Результаты этой беседы можно использовать в двух направлениях. Во-первых, повторить роль зеленых растений в регенерации воздушной среды, во-вторых, разъяснить учащимся, что каждое предположение, как бы очевидно оно ни было, нуждается в проверке. Учащимся предлагают еще раз посмотреть на установку для опыта и найти причины, которые могли исказить его результаты. В данном случае искажение результатов произошло оттого, что не был учтен объем свечи. Чем толще свеча, тем больший объем она занимает и тем выше поднимается вода. (Для установления истинного объема кислорода, который находился в пространстве, ограниченном стенками воронки, надо найти разность между объемом жидкости, засосавшейся под воронку, и объемом, который приходился на долю свечи. Вычислить последний легко по формуле u=πr²h, где u - объем, приходящийся на долю свечи, π - отношение длины окружности к длине ее диаметра = 3,14, r - радиус цилиндрической свечи, h - высота, на которую поднялась вода в воронке.)

Объяснение опыта. Когда сливную трубку воронки закрыли и весь запас кислорода, находившийся в полости воронки, израсходовался, свеча потухла. Объем израсходованного кислорода занял углекислый газ. Но углекислый газ растворим в воде и быстро переходит в жидкость, в результате образуется разреженное пространство, куда засасывается вода.

Вывод из опыта. В воздухе на долю кислорода приходится ¹/₅. Наш организм приспособлен к дыханию "разбавленным" кислородом.

Выяснив значение азота и других элементов, входящих в воздушную смесь, следует перейти к изучейию углекислого газа. Содержание последнего в окружающем пространстве небольшое, всего 0,03%, но эта цифра средняя. В действительности она несколько варьирует. Если помещение не проветривать, то концентрация CO₂ может подняться до 0,07%. При этом возникает ощущение спертого воздуха, сопровождающееся неприятным самочувствием. Если содержание углекислого газа поднимается еще выше, до 1%, появляется одышка, ощущение жара в груди и другие болезненные симптомы. Учащихся можно спросить, какие методы гигиены использовали, чтобы установить эти факты. (Методы анализа факторов среды, физиологические и клинические наблюдения.)

Далее учащимся можно рассказать о разнице в составе вдыхаемого и выдыхаемого воздуха и легочном газообмене, после чего целесообразно провести демонстрацию с клапанами Мюллера, позволяющими сравнить содержание углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе. Для их приготовления нужны две склянки с пробками, имеющими по два отверстия, и изогнутые стеклянные трубки.

Задание 2. Сравнить содержание углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе.

Для решения этой задачи учащиеся должны вспомнить, что обнаружить углекислый газ можно известковой водой. Она мутнеет из-за образования карбоната кальция CaCO₃. При длительном пропускании CO₂ через известковую воду осадок может раствориться из-за образования Ca(HCO₃)₂. В тетрадях учащиеся записывают реакцию:

CO₂+Ca(OH)₂=CaCO₃+H₂O

Чтобы понять, какой цилиндр дыхательных клапанов работает при вдохе, а какой - при выдохе, учащиеся должны вспомнить одно общее правило: воздух будет проходить через тот цилиндр, где давление воздуха на жидкость окажется наибольшим.

Разобрать действие прибора удобно на схеме (рис. 25). Давление поступающего в цилиндры воздуха определяется по формуле P=F/S, где P - давление, F - сила воздуха, поступающего в цилиндр, S - площадь поперечного сечения жидкости, на которую давит воздух.

Рис. 25. Схема действия прибора 'Дыхательные клапаны' при вдохе (А) и выдохе (Б): а - левый цилиндр; б - правый цилиндр; 1, 2, 3, 4 - трубки прибора

При вдохе воздух будет протягиваться через цилиндр а. Он поступает через трубку 1, проходит через известковую воду и по трубке 2 попадает в дыхательные пути человека. При этом жидкость в трубке 3 несколько приподнимается. Пройти при вдохе через цилиндр б воздух не сможет, так как его изолирует жидкость. Следует учесть и то обстоятельство, что площадь поперечного сечения трубки S₁ меньше площади поперечного сечения цилиндра S_б, куда воздух засасывается через трубку 4, поэтому давление воздуха, поступающего через трубку 1, значительно превышает давление воздуха, поступившего в сосуд б через трубку 4.

При выдохе воздух будет проходить через цилиндр б, так как давление воздуха, поступающего по трубке 3, будет больше, чем давление воздуха на жидкость, поступающего в сосуд а через короткую трубку 2.