81. Wpływ temperatury na szybkość procesów biologicznych

Temperatura wpływa na:

- współczynnik dyfuzji, lepkości

- ciśnienie

- pot. Elektrochemiczne, pot. Chemiczne (szybkość reakcji chemicznej)

- trwałość zw. biochem.

- procesy metabolizmu, transportu

- pot. Bioelektryczne zw. pobudliwością komórek

Szybkość procesów biologicznych związana jest przede wszystkim z szybkością przebiegu reakcji chemicznych. Zależność szybkości reakcji chemicznych od temperatury wyraża prawo Arrheniusa, według którego stała szybkość reakcji

k = Ae^−N_AE_a/RT

Procesy biologiczne zachodzą w przybliżeniu zgodnie z tym prawem. Wartość energii aktywacji E_a daje przy tym pewien pogląd na mechanizmy przebiegu procesu. Jednak wyznaczanie energii aktywacji dla procesów biologicznych jest często kłopotliwe, jeżeli w ogóle możliwe. Dlatego dla wyrażenia wpływu temperatury na procesy biologiczne wprowadza się współczynnik Van’t Hoffa zwany współczynnikiem Q₁₀. Współczynnik Q₁₀ definiuje się stosunkiem szybkości przebiegu procesu w temperaturze (T + 10K) do jego szybkości w temperaturze T, czyli

$$Q_{10} = \ \frac{v_{T + 10}}{v_{T}}$$

Dla procesów zachodzących w organizmach żywych wartość Q₁₀ jest zawarta w przybliżeniu w granicach 1÷4.

Dla procesów o charakterze fizycznym, np. dyfuzji w przybliżeniu jest 1,03< Q₁₀<1,3.

Dla procesów o charakterze chemicznym jest na ogół 2 < Q₁₀ < 3, dla enzymatycznych Q₁₀ < 2.

Temperatura ma szczególnie duży wpływ na szybkość przewodzenia stanu pobudzenia. Istnieje pewna temperatura optymalna, dla stałocieplnych nieco ponad 40^◦C w której szybkość przewodzenia jest największa.

Pyt. 82 Rola wilgoci w regulacji cieplnej ustroju, wzór i interpretacja.

Zmiana wilgotności otoczenia będzie miała decydujący wpływ na udział mechanizmu parowania w stratach cieplnych organizmów żywych. Równanie określające gęstość strumienia CIEPŁA PAROWANIA- q_e :

$$\mathbf{q}_{\mathbf{E}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{h}_{\mathbf{e}}}{\mathbf{\gamma}}\left( \mathbf{p}_{\mathbf{s}}\mathbf{-}\mathbf{p}_{\mathbf{0}} \right)\mathbf{\ }$$

Można również przedstawić w postaci:

$$\mathbf{q}_{\mathbf{E}}\mathbf{=}\mathbf{h}_{\mathbf{E}}\mathbf{\times}\frac{\mathbf{p}_{\mathbf{s}}}{\mathbf{\gamma}}\left( \mathbf{1 -}\frac{\mathbf{p}_{\mathbf{0}}}{\mathbf{p}_{\mathbf{s}}} \right)\mathbf{\ }$$

Gdzie: $\frac{p_{0}}{p_{s}}\ $stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej w otoczeniu do ciśnienia cząstkowego pary wodnej na powierzchni skóry żywego człowieka. W przybliżeniu:

$$\frac{\mathbf{p}_{\mathbf{0}}}{\mathbf{p}_{\mathbf{s}}}\mathbf{\approx}\frac{\mathbf{p}_{\mathbf{0}}}{\mathbf{p}_{\mathbf{n}}}\mathbf{\ }$$

$\frac{\mathbf{p}_{\mathbf{0}}}{\mathbf{p}_{\mathbf{s}}}$ wilgotność względna powietrza p_n − ciśnienie cząstkowe pary wodnej nasyconej w temperaturze pary wodnej znajdującej się w otoczeniu i mającej ciśnienie cząstkowe p₀.

Przy wilgotności względnej $\frac{\mathbf{p}_{\mathbf{0}}}{\mathbf{p}_{\mathbf{n}}}\mathbf{= 1}\ $procesy parowania z powierzchni skóry są zatrzymane.

Przy temperaturach powietrza niższych niż 30 ̊Cnie stwierdza się istotnego wpływu wilgoci względnej na temperaturę skóry żywego organizmu. Wilgotność wpływa na tzw. KOMFORT KLIMATOLOGICZNY żywego organizmu. Optymalny komfort- gdy wilgotność względna jest zawarta w granicach 40-75℅, a zakres temperatur otoczenia wynosi 25-35 ̊C.

Gdy temperaturach skóry niższych od temperatury otoczenia i wysokich wilgotnościach względnych parowanie staje się niemożliwe- organizm człowieka nie toleruje takiej sytuacji.

W wysokich temperaturach ale w całkowicie suchym powietrzu, w warunkach przemiany spoczynkowej , temperatura T organizmu nie ulegnie zmianie- do 15 min.

Na warunki wymiany ciepła oprócz temperatury otoczenia i jego wilgotności ma również prędkość ruchu powietrza. Zwiększenie ruchu powietrza powoduje wzrost strat cieplnych przez konwekcję i parowanie, a ich zmniejszenie przez mechanizm promieniowania.

83. Sposoby transportu ciepła.

86. Przewodnictwo

87. Konwekcja

Średnią temperaturę ciała, w normalnych warunkach otoczenia, oblicza się wzorem przybliżonym

T_c = 0, 3T_s +  0, 7T_r

Gdzie:

T_s – temperatura skóry

T_r – temperatura mierzona w odbycie

Wymiana ciepła pomiędzy organizmem a otoczeniem odbywa się przez:

1 przewodzenie ciepła

2 konwekcję

3 promieniowanie

4 parowanie wody

Na strumień ciepła oddany do otoczenia składają się :

F_k-strumień zawiązany z konwekcją

F_r-strumień związany z promieniowaniem

F_p- strumień związany z parowaniem

F =  F_k +  F_r +  F_p

1.PRZEWODZENIE- ma miejsce tylko przy przechodzeniu ciepła przez zewnętrzną powłokę ciała, przez warstwę powietrza przylegającą bezpośrednio do skóry. Np. przy siedzeniu.

2.KONWEKCJA- zjawisko unoszenia ciepła za pośrednictwem poruszającej się substancji. Powietrze ogrzewa i unosi się jego miejsce zajmuje powietrze chłodniejsze.

F_k  =   ∝ S(T_s −  T_p)

∝- współczynnik ostygania zal od ruchu otaczającego powietrza, gęstości, lepkości, od kształtu powierzchni oddającej ciepło, przy wietrze ten współczynnik jest większy

3. PROMIENIOWANIE –przy temperaturach ciała wyższych od otoczenia, energia jest przekazywana do otoczenia za pośrednictwem promieniowania elektromagnetycznego w zakresie podczerwieni

Strumień ciepła oddanego do otoczenia wyraża wzór Stefana-Boltzmana:

F_r =  σaS(T_S⁴ −  T_ot⁴)

T_S⁴-temp skóry

T_ot⁴-temp przedmiotów otaczających

σ-stała promieniowania ciała doskonale czarnego

a-zdolność absorpcyjna powierzchni promieniującej

4. PAROWANIE – gdy temp otoczenia zbliży się do temp skóry zawodzą mechanizmy utraty ciepła przez konwekcję i promieniowanie, pozostaje więc parowanie. Woda stale wydzielana przez skórę wyparowując pobiera ciepło parowania. Przy zbyt obfitym wydzielaniu potu, szybkość parowania może być niewystarczająca, wtedy nadmiar potu opada kroplami. Jest to niekorzystne bo woda nie wyparowując nie pobiera ciepła parowania.

F_p =  k_pS_p(p_s − p_p)

p_S i p_p – odpowiednio ciśnienia cząstkowe pary wodnej przy powierzchni skóry i w otaczającym powietrzu,

S_p –powierzchnia biorąca udział w parowaniu. Współczynnik k_p zależy między innymi od ciepła parowania wody, ruchu powietrza itd.

NAJWIĘCEJ CIEPŁA ODDAWANE PRZEZ WYPROMIENIOWANIE

84.Granice tolerancji zmian temperatury.

Człowiek może trwać w stanie homeostazy tylko w określonych warunkach środowiska. Zbyt wysoka temperatura otoczenia wprowadza ustrój w stan hipertermii. Wtedy ciepło oddawane do otoczenia nie jest w stanie zbilansować ciepła wytwarzanego w organizmie i jego temperatura wewnętrzna rośnie. Przy zbyt niskiej temperaturze otoczenia – stan hipotermii, gdy ciepło oddawane do otoczenia przeważa nad ciepłem wytwarzanym, temperatura wewnętrzna się zmniejsza. Odchylenia temperatury ( w normie około 37 stopni C) o około 2 ͦC są przez organizm tolerowane. Wzrost temperatury wewnętrznej do 41:42 stopnie C wprowadza zakłócenia w funkcjonowaniu ośrodka centralnego, co prowadzi do wyłączenia termoregulacji. Wzrost temperatury powoduje wtedy wzmożenie procesów metabolicznych (zgodnie z prawem Arrheniusa )co pociąga za sobą wzrost wytwarzania ciepła. Sprzężenie zwrotne staje się dodatnie – układ zamiast działać w kierunku zmniejszenia skutków zakłócenia – przeciwnie, skutki te wzmacnia. Przy temperaturze wewnętrznej 44:45 stopni C zachodzą w organizmie zmiany nieodwracalne kończące się śmiercią osobnika. Obniżenie temperatury wewnętrzne poniżej 33 stopni C wprowadza zaburzenia w sprawnym działaniu termoregulacji a przy 30 stopniach C całkowite jej wyłączenie. Przy 28 stopniach C pojawia się zagrażające życiu zakłócenie rytmu serca.

Organizm jest bardziej odporny na hipo- niż na hipertermię. Pod ścisłym nadzorem, na krótki okres temperatura wewnętrzna może być obniżona nawet do 24 ͦC.

Pyt. 85. Rozkład temperatury w organizmie człowieka.

W przybliżeniu stałą temp. Utrzymuje tylko wnętrze organizmu. Powłoka zewnętrzna zmienia temp. Zależnie od warunków otoczenia. Grubość tej powłoki- dochodzi do 2,5 cm – co stanowi 20-30%. Ciepło wytworzone w narządach o dużym metabolizmie jest rozprowadzana przez krew po całym organizmie. Przez KONWEKCJĘ dostaje się także do powłoki powierzchniowej. Przy niższych temp. otoczenia, zewnętrzna powierzchnia ciała ma temp. niższą od jej wnętrza . W powłoce powierzchniowej istnieje wtedy spadek temperatury warunkujący transport ciepła przez przewodnictwo cieplne. Ten transport uzależniony jest od przewodności właściwej warstw powierzchniowych i od spadku temperatury $\frac{\mathbf{\text{ΔT}}}{\mathbf{\text{Δx\ }}}\ ($gdzie Δx- grubosć warstwy przewodzącej ciepło) oraz od powierzchni S, przez którą ciepło jest przewodzone.

$$\frac{\mathbf{\text{ΔQ}}}{\mathbf{\text{Δt}}}\mathbf{= - \lambda S}\frac{\mathbf{\text{ΔT}}}{\mathbf{\text{Δx}}}\mathbf{\text{\ \ \ }}$$

Przewodność właściwa λ tkanki uzależniona jest od stopnia ukrwienia, co wiąże się ze stanem rozszerzenia naczyń krwionośnych. Od tego stanu zależy też grubość warstwy powierzchniowej, a wiec i spadek temperatury. Transport ciepła poprzez powlokę wiąże się z NACZYNIORUCHOWOŚCIĄ.

88 – PRAWO ARRHENIUSA, WZÓR, INTERPRETACJA:

Szybkość procesów biologicznych związana jest przede wszystkim z szybkością przebiegu reakcji chemicznych.

PRAWO ARRHENIUSA – wyraża ono zależność szybkości reakcji chemicznej od temperatury. Według niego stała szybkości reakcji (k) wynosi:

k = Ae^−N_AE_a/RT

Ea - energia aktywacji

A – stała dla danej reakcji

R – stała gazowa

T - temperatura

Pyt. 89 Współczynnik Q. Rola.

Współczynnik Q- wyraża wpływ temperatury na procesy biologiczne.

Współczynnik Q10- Stosunek szybkości przebiegu procesu w temperaturze (T+ 10K) do jego szybkości w temperaturze T:

$\mathbf{Q}_{\mathbf{10}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{v}_{\mathbf{t}}\mathbf{+ 10}}{\mathbf{v}_{\mathbf{t}}}$

Zgodnie z prawem Arrheniusa:

$\mathbf{Q}_{\mathbf{10}}\frac{\mathbf{e}^{\mathbf{-}}\left\{ \frac{\mathbf{N}_{\mathbf{A}}\mathbf{E}_{\mathbf{a}}}{\mathbf{R(T + 10}} \right\}}{\mathbf{e}^{\mathbf{-}}{}^{\frac{\mathbf{N}_{\mathbf{A}}\mathbf{E}_{\mathbf{a}}}{\mathbf{\text{RT}}}}}\mathbf{=}\mathbf{e}^{\left\{ \frac{\mathbf{N}_{\mathbf{A}}\mathbf{E}_{\mathbf{a}}}{\mathbf{R}}\mathbf{*}\frac{\mathbf{10}}{\mathbf{T(T + 10)}} \right\}}\mathbf{=}\mathbf{e}^{\frac{\mathbf{10}\mathbf{N}_{\mathbf{A}}\mathbf{E}_{\mathbf{a}}}{\mathbf{R}\mathbf{T}^{\mathbf{2}}}}$

$E_{M} = N_{A}E_{a} = \left\{ {1,91T}^{2}\text{lgQ}_{10} \right\}\frac{J}{\text{mol}}$

Albo:

$E_{M} = \left\{ {0,46T}^{2}\text{lgQ}_{10} \right\}\frac{\text{cal}}{\text{mol}}$

Dla procesów zachodzących w organizmach żywych wartość Q jest zawarta w przybliżeniu w granicach 1-4. Dla procesów o charakterze fizycznym np. dyfuzji, potencjałów błonowych od 1,03- 1,3. Dla procesów o charakterze chemicznym 2-3, dla enzymatycznych mniejsze niż 2.

Q₁₀ zachowuje się w szczególny sposób w okresie pobudzenia komórki. W okresie narastania potencjału czynnościowego Q zawarte jest w granicach 1,7-2, natomiast w okresie powrotu do stanu spoczynkowego ( w okresie refrakcji) zawiera się w granicach 2-4. Można wnioskować że procesy wywołujące pobudzenie są zbliżone do procesów typu fizycznego, natomiast podczas powrotu do stanu spoczynkowego- do chemicznego.

Pyt. 90. Fala tętna. Szybkość.

Fala tętna- Fala odkształceń sprężystych wywołana rytmicznymi skurczami serca, przenosząca się ruchem falowym wzdłuż tętnic, aż zostanie stłumiona w łożysku małych naczyń.

Szybkość fali tętna wyraża wzór:

c=$\sqrt{\frac{\mathbf{\text{Ee}}}{\mathbf{2}\mathbf{\text{ρr}}}\mathbf{\text{\ \ }}}$ gdzie: E- moduł Younga ścian naczynia, e- grubość ściany, ρ- gęstość, r- promień przekroju

Wzór Moensa- lepiej zgadza się z wynikami doświadczalnymi:

$\mathbf{c = F}\sqrt{\frac{\mathbf{\text{Ee}}}{\mathbf{2}\mathbf{\text{ρr}}}}$ gdzie F oznacza współczynnik empiryczny- dlaaory człowieka przy ciśnieniu rozkurczowym (,5 kPa wynosi 0,6-0,7.

Pyt. 91. Impedancja tętnicza. Definicja, wzór, rola.

Średnia energia kinetyczna Ek porcji krwi o masie m wyraża się wzorem:

$\mathbf{E}_{\mathbf{k}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{\text{mv}}^{\mathbf{2}}}{\mathbf{2}}$ gdzie v- średnia prędkość liniowa porcji krwi o masie m=ρΔxS, gdzie ρ- gęstość krwi, Δx- droga którą przebywa fala tetna o prędkości v_t w czasie, S- powierzchnia pola poprzecznego przekroju naczynia. Zatem:

m = ρv_ttS 

Natomiast prędkość liniową krwi v można wyrazić jako stosunek strumienia objętości porcji krwi Q do powierzchni pola poprzecznego S: $\mathbf{v =}\frac{\mathbf{Q}}{\mathbf{S}}$ Zatem maksymalna energia kinetyczna wynosi:

$$\mathbf{E}_{\mathbf{k}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{\text{pv}}_{\mathbf{t}}\mathbf{tSQ}^{\mathbf{2}}}{{\mathbf{2}\mathbf{S}}^{\mathbf{2}}}\mathbf{\ }$$

Energia ta zamienia się na energię potencjalną sprężystości E_p :

$$E_{p} = \frac{\left\{ \mathbf{p}_{\mathbf{\text{sk}}}\mathbf{-}\mathbf{p}_{\mathbf{\text{rozk}}} \right\}\mathbf{\text{ΔV}}}{\mathbf{2}}\mathbf{\ }$$

Gdzie: p_skp_rozk odpowiednio ciśnienie skurczowe i rozkurczowe, ΔV- objętość porcji krwi.

Porównując E_k i E_p - Zasada zachowania energii oraz dzieląc obustronnie przez Δt po uporządkowaniu otrzymujemy:

$$\frac{\mathbf{p}_{\mathbf{\text{sk}}}\mathbf{-}\mathbf{p}_{\mathbf{\text{rozk}}}}{\mathbf{Q}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{\text{ρv}}_{\mathbf{t}}}{\mathbf{S}}\mathbf{= Z\ \ }$$

Lewa strona równania- DEFINICJA IMPEDANCJI TETNICZEJ

Prawa strona- określa czynniki, które wpływają na impedancję tętniczą- gęstość krwi, prędkość fali tętna, pole poprzecznego przekroju tętnicy. Impedancja tętnicza w obwodzie tętniczym naczyń krwionośnych odgrywa analogiczną rolę jak impedancja elektryczna w obwodzie RLC.

Pyt.92. Opór naczyniowy – współczynnik, wzór, rola, wartość.

$$\mathbf{R =}\frac{\mathbf{\text{Δp}}}{\mathbf{Q}}\mathbf{\text{\ \ }}$$

Współczynnik R nosi nazwę OPORU NACZYNIOWEGO PRZEPŁYWU.

$$\mathbf{R =}\frac{\mathbf{8}\mathbf{\text{ηl}}}{\mathbf{\text{πr}}^{\mathbf{4}}}\mathbf{\ }$$

Można stwierdzić , że opór naczyniowy jest odwrotnie proporcjonalny do kwadratu pola przekroju przewodu (πr²)²=S². Gdy układ składa się z przewodników o różnym przekroju, różnym odcinkom układu odpowiada różny opór a więc i różny spadek ciśnienia. Na przewodzie o większym przekroju (mniejszym oporze) spadek ciśnienia jest mniejszy.

93 – PORÓWNANIE OPORU NACZYNIOWEGO Z ELEKTRYCZNYM:

R = Δ p/Q -> opór naczyniowy przepływu

$\mathbf{R =}\frac{\mathbf{8}\mathbf{\text{ηl}}}{\mathbf{\text{πr}}^{\mathbf{4}}}$analogia do prawa Ohma:

Opór odcinka przewodnika o stałym przekroju poprzecznym jest proporcjonalny do długości tego odcinka i odwrotnie proporcjonalny do pola powierzchni przekroju

Opór naczyniowy jest odwrotnie proporcjonalny do kwadratu pola przekroju przewodu ( л r^2)^2 ,

inaczej jak dla prądu elektrycznego, gdzie opór jest odwrotnie proporcjonalny do samego pola przekroju S.

94-ZWIĄZEK POMIĘDZY ZMIANAMI CIŚNIENIA BOCZNEGO, A WŁAŚCIWOŚCIAMI BIOMECHANICZNYMI NACZYNIA KRWIONOŚNEGO:

W naczyniach sprężystych przy wzroście ciśnienia napędowego rośnie ciśnienie działające na ściany naczynia.

Ściany naczynia rozciągają się, zmniejsza się czynnik geometryczny l/r^4, zmniejsza się opór naczyniowy.

Ciśnienie, z jakim krew działa na ściany naczynia, jest zrównoważone ciśnieniem ściany na krew. Jest ono wynikiem napięć sprężystych występujących w ścianie.

Siły rozciągające naczynia działają stycznie do cylindrycznej powierzchni naczynia i są przyłożone prostopadle do odcinków równoległych osi cylindra ryc.13.7 w Pilawskim, str.296).

Siłom tym przeciwstawiają się siły sprężyste w ścianie naczynia.

Stosunek wypadkowej F tych sił do długości L odcinka, wzdłuż którego są zaczepione, nazywa się napięciem sprężystym.

T = F / L [T] = Nm^-1

Naczynia mają także zdolność do czynnej zmiany światła ich przekroju (zdolność naczynioruchowa)-pobudzenie mięśni gładkich w ścianie naczynia powoduje ich skurcz. Podczas skurczu zmniejsza się promień naczynia.

95 – ZWIĄZEK MIĘDZY ZMIANAMI PROMIENIA TĘTNICY, A ZMIANĄ CIŚNIENIA BOCZNEGO:

Pomiędzy ciśnieniem sprężystym p, z jakim ściana naczynia cylindrycznego o promieniu r działa na ciecz, a napięciem sprężystym T istnieje zależność wyrażająca się wzorem Laplace'a:

p=T/r

ciśnienie sprężyste jest odwrotnie proporcjonalne do promienia naczynia

ciśnienie sprężyste jest proporcjonalne do napięcia sprężystego

małe naczynia potrafią przeciwstawiać się stosunkowo dużym ciśnieniom, dzięki znacznie mniejszemu promieniowi

p r = T

napięcie sprężyste T wzrasta w przybliżeniu liniowo ze wzrostem promienia dla odkształceń małych, dla odkształceń większych napięcie rośnie coraz gwałtowniej

96 – PODSTAWOWE WIELKOŚCI CHARAKTERYZUJĄCE UKŁAD KRĄŻENIA W ASPEKCIE BIOFIZYCZNYM

ciśnienie – ruch krwi jest uwarunkowany różnicą ciśnień między układem tętniczym i żylnym, utrzymywaną przez pracę serca (aorta – śr.100 mmHg, w żyłach ok.10mmHg, różnica – 90mmHg)

na ciśnienie krwi w naczyniach wpływa też ciśnieni hydrostatyczne wywołane polem grawitacyjnym, zależy ono od wysokości słupa cieczy:

p = ρgh

prędkość przepływu – wg.prawa ciągłości strumienia jest ona odwrotnie proporcjonalna do pola przekroju przewodu

Q = S v -> v = Q / S

opór naczyniowy przepływu – pyt.92

szybkość fali tętna(c):

c^2 = Ee / 2ρr

E-moduł Younga ścian naczynia

e – grubość ściany

ρ – gęstość

r – promień przekroju

praca, moc i wydajnośc serca – pyt.103

Przygotowały i opracowały 3 niezawodne, miłe, mądre dziewczyny z 3 B!!!

Pozdrawiamy!!! (szczególnie grupę 8a i 4b )

Życzymy wszystkim powodzenia!

Będzie dobrze!