Biofyzika. Biofyzika. Pro zdravotnické a biomedicínské obory. Jozef Rosina, Jana Vránová, Hana Kolářová, Jiří Stanek

Grada Publishing, a.s., U Průhonu 22, 170 00 Praha 7 tel.: +420 234 264 401, fax: +420 234 264 400 e-mail: [email protected], www.grada.cz

Jozef Rosina, Jana Vránová, Hana Kolářová, Jiří Stanek

Autoři jsou zkušení pedagogové, kteří vydali již několik učebnic v oboru lékařské biofyziky.

Biofyzika

Základní učebnice biofyziky je určena nejen studentům bakalářských oborů lékařských a sociálně zdravotních fakult, ale svým obsahem, srozumitelným jazykem, grafickým ztvárněním a matematickým aparátem popisujícím základní fyzikální vztahy je vhodná i pro studenty bakalářského studia biomedicínských a technických oborů na vyšších odborných a vysokých školách technického i přírodovědného zaměření. Slouží k pochopení fyzikálních zákonitostí biologických jevů a jejich aplikaci ve zdravotnickém prostředí. Jde o jedinečnou publikaci, která navazuje na úspěšnou knihu Biofyzika pro studenty zdravotnických oborů, a je důležitou učebnicí zaměřenou na nelékařské zdravotnické profese.

Jozef Rosina, Jana Vránová, Hana Kolářová, Jiří Stanek

Biofyzika Pro zdravotnické a biomedicínské obory

Jozef Rosina, Jana Vránová, Hana Kolářová, Jiří Stanek

Biofyzika Pro zdravotnické a biomedicínské obory

Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy

Všechna práva vyhrazena. Žádná část této tištěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována a  šířena v  papírové, elektronické či jiné podobě bez předchozího písemného souhlasu nakladatele. Neoprávněné užití této knihy bude trestně stíháno.

Prof. MUDr. Jozef Rosina, Ph.D., Ing. Jana Vránová, CSc., prof. RNDr. Hana Kolářová, CSc., MUDr. Jiří Stanek, CSc., MSc.

BIOFYZIKA Pro zdravotnické a biomedicínské obory Hlavní autor/editor: Prof. MUDr. Jozef Rosina, Ph.D. TIRÁŽ TIŠTĚNÉ PUBLIKACE: Kolektiv autorů: Prof. MUDr. Jozef Rosina, Ph.D. – Ústav lékařské biofyziky a lékařské informatiky, 3. lékařská fakulta Univerzity Karlovy v Praze a Fakulta biomedicínského inženýrství Českého vysokého učení technického v Praze Ing. Jana Vránová, CSc. – Ústav lékařské biofyziky a lékařské informatiky, 3. lékařská fakulta Univerzity Karlovy v Praze Prof. RNDr. Hana Kolářová, CSc. – Ústav lékařské biofyziky, Ústav molekulární a translační medicíny, Lékařská fakulta Univerzity Palackého v Olomouci MUDr. Jiří Stanek, CSc., MSc. – Ústav lékařské biofyziky a lékařské informatiky, 3. lékařská fakulta Univerzity Karlovy v Praze Vydání odborné knihy schválila Vědecká redakce nakladatelství Grada Publishing, a.s. Recenzovali: Prof. MUDr. Leoš Navrátil, CSc. Prof. MUDr. Vlastimil Slouka, CSc. © Grada Publishing, a.s., 2013 Cover Photo © allphoto, 2013 Vydala Grada Publishing, a.s. U Průhonu 22, Praha 7 jako svou 5159. publikaci Odpovědná redaktorka Eva Svobodová Sazba a zlom Josef Lutka Obrázky převzaty z publikace J. Rosina, H. Kolářová, J. Stanek: Biofyzika pro studenty zdravotnických oborů, překreslila MgA. Kateřina Novotná. Praha: Grada Publishing 2006; obrázky 3, 4, 9, 55 a 56 dle podkladů autorů překreslila Miloslava Krédlová. Počet stran 224 Vydání první, Praha 2013 Vytiskly Tiskárny Havlíčkův Brod, a.s. ISBN 978-80-247-4237-3 ELEKTRONICKÉ PUBLIKACE: ISBN 978-80-247-8498-4 (pro formát PDF) ISBN 978-80-247-8499-1 (pro formát EPUB)

Biofyzika.indb 4

29.4.2013 19:53:49

Obsah

Obsah Použité zkratky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

Úvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

1 Stavba hmoty, síly v přírodě . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Elementární částice hmoty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Atomové jádro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Elektronový obal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Interakce v přírodě . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Formy hmoty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6 Disperzní systém . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7 Transportní jevy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.8 Jevy na rozhraní mezi dvěma fázemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.9 Pohyb látek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13 13 15 16 16 17 18 19 23 24 27

2 Přeměna energie v organizmu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Termodynamika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Potřeba energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Energetická bilance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28 28 29 31 32

3 Sedimentace krve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Fyzikální podstata sedimentace krve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33 33 35

4 Odstředivá síla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Využití odstředivé síly ve zdravotnictví . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36 36 39

5 Biofyzikální aspekty letecké dopravy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Biofyzikální aspekty letecké dopravy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Biofyzikální aspekty kosmických letů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40 40 41 44

6 Vnější tlak a organizmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Působení vnějšího tlaku na organizmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Vliv podtlaku na organizmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Vliv přetlaku na organizmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Otrava kyslíkem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45 45 46 49 51 52

5

Biofyzika

7

Sterilizace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Základní pojmy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Fyzikální postupy sterilizace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Chemické postupy sterilizace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4 Destilace, termostat, inkubátor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53 53 53 56 58 58

8

Biofyzikální aspekty regulace teploty, využití tepla a chladu . . . . . . . . . 8.1 Regulace teploty lidského těla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Měření teploty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3 Infračervené záření (IR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4 Koupele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5 Lokálně používané tepelné procedury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6 Chlad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.7 Využití kryoterapie v medicíně . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.8 Priessnitzovy obklady . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59 59 64 67 67 69 70 71 72 73

9

Zvuk a audiometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1 Základní pojmy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Veličiny objektivní . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 Veličiny subjektivní . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4 Audiometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5 Poslech, poklep, pohmat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74 74 74 75 78 79 80

10 Ultrazvuk (UZ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1 Charakteristika a vlastnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 Výroba ultrazvuku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3 Účinky ultrazvuku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4 Obecný princip sonografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5 Diagnostický ultrazvuk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.6 Terapeutické užití ultrazvuku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

81 81 82 83 84 86 89 90

11 Biologické membrány, klidový a akční membránový potenciál . . . . . . . 11.1 Biologické membrány . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Klidový membránový potenciál . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Akční membránový potenciál . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91 91 91 93 94

12 Elektrický proud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1 Obecná charakteristika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Stejnosměrný a střídavý elektrický proud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3 Elektrické vlastnosti organizmu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4 Pasivní elektrické vlastnosti tkání . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

95 95 97 98 98

6

Obsah

12.4.1 Stejnosměrný proud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.2 Nízkofrekvenční střídavý proud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.3 Vysokofrekvenční střídavý proud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5 Účinky elektrického proudu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5.1 Stejnosměrný proud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5.2 Nízkofrekvenční střídavý proud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5.3 Vysokofrekvenční střídavý proud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6 Využití elektrického proudu v medicíně . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6.1 Stejnosměrný proud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6.2 Nízkofrekvenční střídavý proud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6.3 Středněfrekvenční střídavý proud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6.4 Vysokofrekvenční proud a elektromagnetické vlnění . . . . . 12.7 Úrazy elektrickým proudem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.7.1 Zasažení bleskem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.7.2 Sekundární příznaky úrazů elektrickým proudem . . . . . . . . 12.8 Aktivní elektrické vlastnosti vzrušivých tkání . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.9 Elektroklima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

99 99 101 101 101 101 101 101 101 105 108 109 111 112 112 113 116 116

13 Fyzikální základy dýchání, krevní oběh a krevní tlak . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1 Dýchání . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2 Krevní oběh a krevní tlak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3 Měření krevního tlaku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

117 117 119 126 127

14 Optické záření, oko, přístroje a zařízení využívající optické metody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1 Optické záření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2 Viditelné optické záření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3 Teorie barevného vnímání . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.4 Fyziologické a psychologické účinky barev, zrakové iluze . . . . . . . . . 14.5 Zdravé oko, vady oka a korekce vad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.6 Přístroje a zařízení využívající optické metody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.7 Ultrafialové záření (UV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.8 Infračervené záření (IR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

128 128 130 131 131 132 137 143 146 148

15 Biomechanika, deformace pevného tělesa a její význam ve zdravotnictví . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.1 Biomechanické funkce kostí, kloubů a šlach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2 Síla pružnosti, meze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3 Mechanické vlastnosti chrupavky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4 Mechanické vlastnosti kloubu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.5 Šlachy a vazy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.6 Mechanické vlastnosti biologických materiálů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.7 Biokompatibilita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

149 150 150 153 153 154 154 154 7

Biofyzika

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

155

16 Ionizující záření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.1 Charakteristika ionizujícího záření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2 Jednotky v radioaktivitě . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3 Druhy radioaktivní přeměny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.4 Rentgenové záření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.5 Neutrony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.6 Kosmické záření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.7 Biologické účinky ionizujícího záření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.8 Přímý a nepřímý účinek ionizujícího záření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.9 Radiosenzitivita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.10 Ochrana před vnějším ozářením . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.11 Stochastické a deterministické účinky ionizujícího záření . . . . . . . . 16.12 Život buňky zasažené radioaktivitou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.13 Akutní nemoc z ozáření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.14 Přístroje pro osobní a ochrannou dozimetrii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

156 156 158 158 160 161 161 162 162 163 164 165 166 166 167 173

17 Využití ionizujícího záření v medicíně . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.1 Nukleární medicína – diagnostika pomocí záření γ a pozitronů . . . 17.2 Radiologie – diagnostika pomocí rentgenového záření . . . . . . . . . . . 17.3 Radioterapie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.3.1 Terapeutické využití rentgenového záření . . . . . . . . . . . . . . . . 17.3.2 Terapie pomocí záření γ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.3.3 Terapie částicemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.3.4 Ozařovací plán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

174 174 177 179 179 180 181 182 182

18 Laser a jeho uplatnění ve zdravotnictví . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.1 Lasery, fyzikální podstata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2 Využití laseru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

183 183 185 189

19 Nukleární magnetická rezonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1 Princip MR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2 MR angiografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.3 Funkční magnetická rezonance (fMR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.4 Využití magnetické rezonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

190 190 191 192 192 193

20 Nanotechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1 Farmacie a nanotechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2 Cílená doprava léčiv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.3 Zobrazovací a diagnostické metody a zařízení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.4 Tkáňové inženýrství a buněčná terapie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

194 194 194 195 196

8

1

Obsah

20.5 Nanotechnologie a terapie nádorů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

196 197

21 Přístrojová technika používaná v medicíně . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1 Diagnostické přístroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.1 Diagnostika srdce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.2 Diagnostika mozku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.3 Diagnostika cév . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.4 Pletysmografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.5 Světelná reflexní reografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.6 Diagnostika plic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.7 Diagnostika oka a očnice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.8 Diagnostika ucha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.9 Diagnostika krevního tlaku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Terapeutické přístroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2.1 Kardiochirurgie a kardiologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2.2 Neurologie, revmatologie, ortopedie, onkologie, chirurgie, dermatologie, stomatologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

198 198 198 200 201 202 202 202 203 204 204 205 205

Rejstřík . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

214

Souhrn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

223

Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

224

207 213

9

Biofyzika

Použité zkratky 3D-CRT BMD BMR CT DICOM DNA EEG EKG ERG ESWL fMR FW GeV HLLT ICHS IMRT IR LLLT MED MeV MR NMR PACS PEK PET Re RTG SDU SPECT SPF TK UV V.m.

10

trojrozměrná konformní radioterapie hustota minerálů v kosti (Bone Mineral Density) bazální metabolizmus (Basal Metabolic Rate) výpočetní tomografie Digital Image and Communications In Medicine deoxyribonukleová kyselina elektroencefalografie elektrokardiografie elektroretinogram Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy funkční magnetická rezonance Fahraeus-Westergren gigaelektronvolt vysokovýkonný laser (High Level Laser Therapy) ischemická choroba srdeční radioterapie s modulovanou intenzitou svazku (Intensity Modulated Radiotherapy) infračervené záření nízkovýkonný laser (Low Level Laser Therapy) minimální erytémová dávka megaelektronvolt magnetická rezonance nukleární magnetická rezonance Picture Archiving and Communications System perkutánní extrakce konkrementů pozitronová emisní tomografie Reynoldsovo číslo rentgenové záření specificko-dynamický účinek jednofotonová emisní počítačová tomografie faktor sluneční ochrany (Sun Protecting Factor) krevní tlak ultrafialové záření Valsalvův manévr

Úvod

Úvod Vývoj moderního zdravotnictví je úzce spjat s rozvojem přírodních věd, především biologie, fyziky a chemie. Právě na rozhraní fyzikálních a biologických věd vznikla jedna z mezioborových vědních disciplín – biofyzika. Součásti biofyziky je i lékařská biofyzika, která studuje základní mechanizmy působení různých fyzikálních faktorů na zdraví člověka, soustřeďuje svůj zájem na fyziologické a patologické projevy organizmu a s tím související principy diagnostiky a terapie. Učebnice lékařské biofyziky, kterou držíte v rukou, je napsána především pro studenty bakalářských programů se zájmem o zdravotnickou problematiku. Jednotlivé kapitoly podávají dostatečný obecný výklad základních mechanizmů působení různých fyzikálních dějů. Jsou napsány jazykem, který umožňuje pochopit učivo studentům s různým typem středoškolského vzdělání. Každá kapitola je rozšířena o materiál potřebný pro výuku jednotlivých bakalářských specializací (např. fyzioterapie, ošetřovatelství, zdravotní vědy, biomedicínské obory apod.). Tento výukový text prohlubuje obecné formulace učiva základních kapitol, nebo zdůrazňuje medicínské aplikace. Pro studující technických a  interdisciplinárních oborů se zájmem o  medicínské aplikace je součástí textu základní matematický aparát popisovaných fyzikálních dějů. Předkládaná učebnice má za cíl pomoci studentům lépe pochopit aplikace lékařské biofyziky pro jejich budoucí povolání. autoři

11

Stavba hmoty, síly v přírodě

1

Stavba hmoty, síly v přírodě

1.1

Elementární částice hmoty

Elementární částice (protony, neutrony, elektrony) jsou stavebními kameny všech atomů (tab. 1). Atomy jsou základními stavebními kameny hmoty, jsou to nejmenší částice, na které lze hmotu rozložit chemickou cestou, a definují vlastnosti daného chemického prvku. Všechny atomy (průměr atomu je řádově 10–10 m) se skládají z atomového jádra a elektronového obalu. Elektronový obal je tvořen záporně nabitými elektrony a je odpovědný za chemické a spektrální vlastnosti atomu. Atomové jádro (průměr atomového jádra je řádově 10–15 m) nese odpovědnost za  fyzikální vlastnosti látek, je složené z protonů a neutronů. Je v něm soustředěna téměř veškerá hmotnost atomu (to proto, že hmotnost protonu nebo neutronu je přibližně 1836krát větší než hmotnost elektronu) a nese kladný elektrický náboj. Protonové číslo Z (dříve atomové číslo) udává počet protonů v  jádře atomu a  rozhoduje o  zařazení prvku v periodické soustavě prvků. Počet protonů v jádře je stejný jako počet elektronů v  obalu, a  proto se atom jeví jako elektricky neutrální. Neutronové číslo N udává počet neutronů v jádře atomu. Celkový počet nukleonů (součet protonů a neutronů) v jádře udává nukleonové číslo A (dříve hmotnostní číslo) a je součtem čísla protonového a neutronového. Platí tedy: A = N + Z. Tab. 1 Základní charakteristiky částic atomu Částice

Symbol

Hmotnost (kg)

Relativní hmotnost

Elementární náboj

proton

p (p+)

1,6725.10–27

1,0072

+1,6.10–19 C (Coulomb)

neutron

n (n0)

1,6748.10–27

1,0086

bez náboje

elektron

(e–)

9,1091.10–31

1/1836

–1,6.10–19 C

e

Přehled všech dosud známých elementárních částic je uveden v tabulce 2. Podle současné fyziky elementárních částic se protony a neutrony skládají z kvarků, nejmenších dosud známých elementárních částic. Podle současné teorie existuje šest typů kvarků (dělíme je podle rostoucí hmotnosti). Prvními objevenými byly kvarky „u“ (up) a  „d“ (down). Nesou neceločíselný elektrický náboj, kvark „u“ má náboj –1/3, kvark „d“ nese náboj +2/3. Elementární částice mají přitom náboj celočíselný. To je možné proto, že proton je složený ze dvou kvarků „u“ a jednoho kvarku „d“ (+2/3+2/3–1/3 = 1). Neutron se skládá ze dvou kvarků „d“ a jednoho kvarku „u“ (–1/3–1/3+2/3 = 0).

13

1

1

Biofyzika

Tab. 2 Členění elementárních částic Částice

Charakteristika

fotony

klidová hmotnost je rovná nule a spinové číslo je rovné jedničce

leptony

(neutrina, elektrony, miony) klidová hmotnost je malá, téměř nulová v případě neutrina, spinové číslo je rovné jedné polovině

mezony

(piony, kaony) klidová hmotnost je vyšší než u mionů ale nižší než u protonů, spinové číslo je rovné nule

baryony

(nukleony – proton a neutron, hyperony) relativně velká klidová hmotnost, spinové číslo je rovné jedné polovině, v případě hyperonu třem polovinám

Vzájemné silové působení mezi kvarky je zprostředkováváno hypotetickými částicemi, zvanými gluony. Elementární částice, které mají neceločíselné spinové číslo, označujeme souborně jako fermiony. Tyto částice dodržují Pauliho vylučovací systém (viz níže). Částice se spinovým číslem rovným nule nebo celému číslu jsou označovány jako bosony. Více bosonů se může nacházet ve stejném kvantovém stavu, tj., bosony nedodržují Pauliho vylučovací systém, co může být důvodem, proč obvykle tvoří nestabilní struktury. Kvarky Kvarky jsou fundamentální částice tvořící hadrony. Dnes existuje šest typů kvarků, které se rozlišují tzv. „vůněmi“ (flavors). Dle fyzikálních vlastností je lze uspořádat do tří párů: u/d (z  anglického up/down), c/s (charm/strange, pro tento pár se používá i  české pojmenováni půvabný/podivný) a t/b (top (nebo truth)/bottom (nebo beauty)). Ke každému kvarku existuje odpovídající antikvark. Kvarky mají nanejvýš neobvyklou vlastnost – nesou „neceločíselný“ náboj, a to kvarky „u“, „c“ a „t“ +2/3 a kvarky „d“, „s“ a „b“ –1/3. Každý ze šesti „vůní“ kvarků může dále existovat ve třech kvantových stavech „barvách“ (red – červená, blue – modrá a  green – zelená). Mezi kvarky vzniká silové pole, jehož kvantem je vyměňovaná virtuální částice – gluon. Toto silové působení je velmi složité, protože výsledný hadron musí zůstat „bezbarvý“. K tomu může dojít pouze u „bezbarvé“ kombinace tři kvarků (baryony), u páru kvark-antikvark (mezony) a také při vyšších kombinacích pěti kvarků, které také splňují podmínku „bezbarevnosti“. Kvark nemůže existovat volný, ale pouze ve vázaném stavu v hadronech („uvěznění“ kvarků). Co je Higgsův boson? Higgsův boson je částice, která je projevem tzv. Higgsova pole. Zkoumání existence Higgsova bosonu je jednou z priorit dnešní fyziky. Důkaz o jeho existenci je klíčovým pro doplnění našich poznatků o podstatě fyzikálních sil. Nalezení Higgsova bosonu je posledním chybějícím článkem v takzvaném základním modelu částicové fyziky. Kdyby se Higgsův boson nepodařilo objevit (nebo by měl nějakou nečekanou podobu), znamenalo by to velké potíže pro dnes široce přijímané základní fyzikální teorie. Protože ze standardního modelu neplyne, jakou by měl mít hmotnost, fyzikové se snaží urychlovat proudy protonů až k rychlosti světla a nechávají je 14

Stavba hmoty, síly v přírodě

srážet. Doufají, že při takové kolizi by Higgsův boson mohl vzniknout. Jeho existence by sice byla kratičká, ale měl by být zaznamenán a na grafech se projevit špičkou, protože má mít vysokou hmotnost, po experimentech odhadovanou na 126 gigaelektronvoltů (GeV). To je 130krát více, než mají protony v jádrech atomů. GeV není sice jednotka hmotnosti, ale ve fyzikální konvenci se používá jako jednotka hmotnosti u fyzikálních částic. Odpovídá zhruba hmotnosti jednoho protonu. Higgsovu bosonu se občas říká božská částice, protože bez něj by neměly mít ostatní částice hmotnost, tudíž by se pohybovaly rychlostí světla a nevznikaly by z nich atomy.

1.2

Atomové jádro

Počátkem 20. století existovalo několik modelů atomu, avšak žádný z nich se příliš nepřiblížil skutečnosti. Jádro atomu bylo objeveno v roce 1906 Ernstem Rutherfordem. Po mnoha experimentech své vědecké skupiny vyslovil závěr, že centrální částí atomu je malé jádro, v němž je soustředěna téměř veškerá hmotnost atomu a veškerý kladný náboj. Současné experimenty ukazují, že atomové jádro není ostře ohraničeno, ale že se hustota jaderné hmoty mění. Jak bylo popsáno výše, jádra všech atomů se skládají z elementárních jaderných částic – protonů a neutronů, které označujeme jako nukleony. Aby bylo jádro schopné existence (kladně nabité protony se navzájem odpuzují), působí v něm na elementární jaderné částice specifické přitažlivé síly – jaderné síly (tzv. silná interakce). Poloměr jádra se definuje jako poloměr oblasti, ve  které působí tyto jaderné síly (průměr jádra je řádově 10–15 m). Pro určení hmotnosti jader můžeme užít hmotnostní spektrometrii. Tato metoda je založená na interakci iontů a  polí (využívá elektrické a  magnetické pole k  dělení iontů podle jejich hmotnosti a  náboje), pracuje s  dělením podle poměru m/Q, kde m je  hmotnost  a  Q je  náboj fragmentu. Principem je, že kladně nabité ionty (atomy s odebraným elektronem) o  prakticky stejné energii vstupují jako svazek štěrbinou do  homogenního magnetického pole s vektorem magnetické indukce kolmým ke směru svazku. Trajektorie iontů s menší hmotností je více zakřivená a tyto ionty dopadnou např. na fotografické desce do jiného místa než ionty těžší. Technika má jak kvalitativní, tak i kvantitativní využití. Postup hmotnostní spektrometrie Vzorek je umístěn do  přístroje, kde podstoupí odpařování, vzniká vzorek v  plynné fázi. Složky vzorku jsou ionizovány, což má za  následek vytvoření nabitých částic – iontů. Ionty jsou odděleny podle m/Q poměru v analyzátoru elektromagnetického pole a jsou detekovány obvykle kvantitativní metodou. Získaná data se počítačově zpracují. Princip hmotnostní spektroskopie a výstup měření: 1. tvorba iontů (ionizace), 2. filtrace iontů (hmotnostní analýza), 3. měření četnosti iontů v závislosti na hodnotě m/Q, 4. hmotnostní spektrum – osa x přísluší hodnotě m/Q; osa y přísluší četnosti iontů (intenzitě signálu).

15

1

1

: Biofyzika

Hmotnostní spektrometry se skládají ze tří modulů: Prvním modulem je zdroj iontů, ve kterém lze převést molekuly plynu na ionty. Druhým je hmotnostní analyzátor, který třídí ionty podle jejich hmotnosti s použitím elektromagnetických polí. Třetím je detektor, který měří hodnotu indikátoru množství, a tak poskytuje data pro výpočet množství každého iontu v reálném čase.

1.3

Elektronový obal

Elektronový obal určuje celkový rozměr atomu. V elektronovém obalu atomu je počet elektronů se záporným nábojem stejný jako počet protonů v jádře, proto celkový záporný náboj elektronového obalu atomu kompenzuje kladný náboj atomového jádra. Uspořádání elektronů se řídí obecnou zásadou, že libovolný systém (v daném případě elektronový obal) je stabilní, je–li jeho celková energie minimální. U  atomu v základním stavu jsou tedy zaplněny energetické hladiny s nejnižší energií, hladiny se obsazují postupně tak, že každý další elektron obsadí do té doby volnou hladinu s nejmenší energií. Energie elektronu roste se vzdáleností od jádra. Charakteristika každého elektronu nacházejícího se v elektronovém obalu je jednoznačně určena čtyřmi kvantovými čísly (hlavní popisuje energetickou hladinu, na které se elektron nachází; vedlejší určuje tvar atomového orbitalu; magnetické určuje orientaci jednotlivých orbitalů v prostoru; spinové popisuje tzv. vnitřní moment hybnosti elektronu). Z hlediska kvantové fyziky existuje omezení pro počet elektronů v určitém stacionárním stavu, je to tzv. Pauliho vylučovací princip. Toto omezující pravidlo říká, že dva elektrony se nemohou nacházet ve  stejném kvantovém stavu, ve kterém by měly všechna čtyři kvantová čísla stejná, tj., musí se lišit hodnotou alespoň jednoho kvantového čísla. Pauliho princip vede k  tomu, že orbital může být obsazen nejvíce dvěma elektrony, a je–li obsazen dvěma, pak musí tyto elektrony mít opačnou orientaci spinu. Při absorpci energie (tepelné, světelné, energie ionizujícího záření apod.) elektronem může tento přejít na hladinu s vyšší energií, a atom se tak dostane do excitovaného stavu. Vzhledem k výše popsané obecné zásadě stability atomu, charakterizované minimální energií, přechází posléze elektron na hladinu s nižší energií, dochází k deexcitaci elektronu. Při tomto přechodu musí dojít k vyzáření absorbované energie ve formě fotonů elektromagnetického vlnění různých vlnových délek. Pokud absorbuje atom tolik energie, že dojde k uvolnění elektronu z elektronového obalu, vznikne z atomu původně elektricky neutrálního kladně nabitá částice – kationt.

1.4

Interakce v přírodě

V přírodě existují čtyři základní druhy interakcí: silná interakce, slabá interakce, elektromagnetická interakce a gravitační interakce. Silná interakce představuje základní interakci mezi částicemi jádra. Je to nejsilnější známá interakce, která umožňuje existenci jader. Je dostatečně silná, aby překonala vzájemné elektromagnetické odpuzování kladně nabitých protonů. Silnou interakci 16

Stavba hmoty, síly v přírodě

zprostředkovávají hypotetické částice gluony, které jsou nositeli silového působení mezi kvarky (viz níže). Dosah působení silné interakce je však velice krátký (řádově 10–15 m), to znamená, že tato interakce se uplatňuje pouze v jádře. Slabá interakce je zodpovědná za některé atomární jevy, např. podílí se na přeměně beta. Typickým příkladem slabé interakce je proto přeměna jaderného neutronu v elektron (a proton), nebo jaderného protonu v pozitron (a neutron) za účasti neutrina a antineutrina. Má také velmi malý dosah, řádově 10–18 m. Je druhou nejslabší interakcí. Slabá interakce je přenášena bosony W a Z. Přeměnu beta (β–; β+) můžeme vyjádřit následujícím vztahy: n  p + e– + elektronové antineutrino (v~e ) p  n + e+ + elektronové neutrino (ve ) Elektromagnetická interakce působí mezi elektricky nabitými částicemi jádra a obalu. Její dosah je teoreticky nekonečně velký. Je druhou nejsilnější interakcí. Tato interakce fixuje velikost atomů, strukturu pevné látky. Elektromagnetická interakce tedy vytváří objem objektů. Většina sil z běžného života (třecí síly, odporové síly apod.) jsou projevem právě elektromagnetické interakce. Nositelem elektromagnetické interakce je foton. Fotonům v různých procesech (tj. při různých energiích) se říká například záření gama, rentgenové záření, světlo, mikrovlny, radiové vlny apod. Gravitační interakce je ze všech typů interakcí mezi částicemi nejslabší, ale působí na ohromné vzdálenosti, na všechny částice ve vesmíru. Projevuje se především u těles velké hmotnosti a její silové působení je popsáno Newtonovým gravitačním zákonem. Ze všech interakcí je nejznámější (není známa žádná částice ani jakékoliv hmotné těleso, které by nepodléhalo gravitační interakci). Nositelem gravitační síly jsou zatím pouze hypotetické gravitony. Mezi silovými účinky čtyř základních interakcí je obrovský nepoměr, který je závislý na vzájemné vzdálenosti interagujících objektů. Relativní poměr silového působení silné, slabé, elektromagnetické a gravitační interakce při vzdálenosti odpovídající atomovému jádru, tj. 10–15 m, můžeme číselně vyjádřit následovně 1 : 10–3: 10–15 : 10–40.

1.5

Formy hmoty

Hmota je základem všeho, co nás obklopuje. Hmota se vyskytuje ve dvou základních formách: jako látka, která je tvořena z diskrétních částic s nenulovou klidovou hmotností, anebo jako pole (záření). Obě formy hmoty se mohou vzájemně proměňovat a navíc lze částice látky chápat jako projevy polí, nebo naopak pole identifikovat v podobě částic. Základní vlastností hmoty je její objektivní existence a pohyb v prostoru a čase. Pojem záření zahrnuje běžné jevy kolem nás: např. gravitační pole Země, magnetické pole, teplo, světlo, zvuk aj. Nejlépe prozkoumané je zřejmě pole elektromagnetické (jeho elementární kvanta – fotony – mají nulovou klidovou hmotnost, spinové číslo rovné jedničce a pohybují se konstantní rychlostí rovnou rychlosti světla ve vakuu). Mezi stavební částice látky řadíme fyzikální objekty malých rozměrů, např. elektrony, protony a neutrony, atomy a molekuly. Každý ví, že látka se v prostředí naší Země může vyskytovat v různých skupenstvích (pevném, kapalném, plynném a plaz17

1

1

Biofyzika

matickém). Látka v pevném skupenství si za daného tlaku a teploty zachovává objem i tvar; kapalina si zachovává pouze objem a plyn přijímá tvar i objem své nádoby. Plazmatický stav vznikající zahříváním plynu se v  určitých směrech podobá plynnému skupenství. Látky jsou charakterizovány hmotností, elektrickým nábojem, rozměrem, tvarem, složením, vzájemným působením a  při kvantovém popisu též kvantovými čísly. Látky obecně dělíme do dvou skupin: 1. krystalické látky (charakteristické pravidelným uspořádáním atomů, molekul nebo iontů, z nichž jsou složeny; patří sem např. NaCl, diamant, kovy…), amorfní látky (periodické uspořádání částic je omezeno na  vzdálenost do  zhruba 10–8 m, na  větších vzdálenostech je pravidelnost uspořádání porušena; patří sem sklo, pryskyřice, vosk, asfalt, pasty…), kapalné krystaly – tato skupina představuje oblast fyziky kondenzovaných soustav (kapalný krystal je stav hmoty, jehož vlastnosti jsou přechodem mezi kapalným a pevným skupenstvím, mohou téci jako kapalina, ale zároveň mají uspořádané a orientované molekuly jako krystal); 2. tekutiny – kapaliny, plyny, plazma.

1.6

Disperzní systém

Disperzní systém je soustava látek, která obsahuje alespoň dvě složky nazývané fáze (chemická individua), přičemž jedna složka (disperzní podíl) je rozptýlena ve druhé složce (disperzním prostředí). Disperzním systémem je například krev, která obsahuje složku korpuskulární (krvinky) a složku tekutou (plazma), mlha je zase disperze vodních kapének (disperzní podíl je tekutá složka) ve vzduchu (disperzní prostředí je plyn). Obsahuje-li systém dvě složky a existuje-li určitá hranice mezi částicemi tvořícími obě složky, nazývá se takový systém heterogenní. Obsahuje-li naopak dvě složky a složka tvořící disperzní podíl je rozptýlena ve složce tvořící disperzní prostředí v tak drobných částicích (atomech, molekulách), že nelze mluvit o rozhraní, nazývá se takový systém homogenní. Suspenzí rozumíme hrubou disperzi tuhých látek v kapalném disperzním prostředí. Jejich koncentrovaným formám říkáme pasty. Emulze je disperzní systém sestávající ze dvou nemísitelných kapalin, z  nichž jedna je ve  formě kapiček rozptýlena ve druhé. Označení aerosol se používá pro hrubé (velikost rozptýlených částic 1 μm až 1 mm) nebo koloidní disperze (velikost rozptýlených částic 1 nm až 1 μm) tuhých látek či kapalin v plynném disperzním prostředí (tab. 3). Ke vzniku emulzí dochází například v tenkém střevě člověka. Potravou přijaté tuky, které jsou ve vodě nerozpustné, jsou emulgovány dříve, než jsou napadány lipázami. Funkci emulgátorů vykonávají soli žlučových kyselin. Účinek emulgátorů spočívá ve  tvorbě adsorpčního filmu na povrchu kapek disperzní fáze, přičemž se částice emulgátorů orientují tak, že svou hydrofobní částí míří do nepolární složky a lyofilním zbytkem do fáze polární. Suspenze, emulze a aerosoly jsou častou formou léčebných, dezinfekčních a kosmetických preparátů. Naopak, soustavné vdechování aerosolů obsahujících křemičitany způsobuje chorobu z  povolání – silikózu plic. Zdravotní nebezpečí představuje též možnost vzniku aerosolů radioaktivních izotopů, které způsobí zamoření ovzduší 18

Stavba hmoty, síly v přírodě

a případnou kontaminaci osob vdechováním a po usazení i zamoření povrchu předmětů. Tab. 3 Rozdělení disperzních systémů Disperzní prostředí

Disperzní podíl

Disperze hrubé velikost částic 1 μm až 1 mm

Disperze koloidní velikost částic 1 nm až 1 μm

Disperze analytické velikost částic do 1 nm

plyn

plyn

není

není

směsi plynů

kapalina

déšť, mlha, aerosoly aerosoly

páry kapaliny v plynu

pevná látka

kouř, dým, aerosoly aerosoly

páry tuhé látky v plynu

plyn

bubliny, pěny

pěny

roztoky plynů v kapalinách

kapalina

emulze (např. mléko)

lyosoly

směsi kapalin

pevná látka

suspenze

lyosoly, koloidní roztoky

pravé roztoky (glukóza ve vodě)

plyn

bubliny plynů v pevných látkách

tuhé pěny

plyny rozpuštěné v pevných látkách

kapalina

pevné látky s uzavřenými kapičkami

tuhé pěny

krystalická voda

pevná látka

tuhé směsi

tuhé soli

tuhé roztoky

kapalina

pevná látka

1.7

Transportní jevy

Transportní jevy jsou děje, které probíhají v  důsledku pohybu disperzí a  při nichž dochází k transportu látek. Mezi tyto jevy patří: Viskozita Viskozitou se rozumí vnitřní tření (vznikající vzájemným silovým působením částic) – vznik brzdících sil bránících relativnímu pohybu vrstev proudící tekutiny. Na stykové ploše dvou vrstev tekutiny pohybujících se různou rychlostí se projevuje viskozita tečným napětím, jímž se snaží rychlejší vrstva urychlovat pomalejší a pomalejší naopak zpomalovat vrstvu rychlejší. Toto tečné napětí je úměrné přírůstku rychlosti dv tekutiny mezi dvěma přiléhajícími vrstvami a nepřímo úměrné vzdálenosti dx těchto vrstev. Pro tečné napětí platí následující vztah:

19

1

1

Biofyzika

=

v [kg . s–1 . m–1], x

kde konstanta úměrnosti  se nazývá dynamická viskozita. Vyjadřuje sílu v Newtonech (N), která je zapotřebí, aby se vrstva o ploše 1 m2 posunula oproti vrstvě se stejnou plochou vzdálenou 1 m od ní o 1 m ve vodorovné rovině. Úpravou předchozího vztahu pro dynamickou viskozitu dostáváme vztah: ==

x [Pa . s]. v

Dynamická viskozita charakterizuje vnitřní tření kapaliny a  závisí především na přitažlivých silách mezi částicemi. Kapaliny s větší přitažlivou silou mezi částicemi mají větší viskozitu, větší viskozita zpomaluje pohyb kapaliny nebo těles v kapalině. Pro ideální kapalinu má viskozita nulovou hodnotu. Převrácená hodnota viskozity se nazývá tekutost. Viskozita je jednou z nejdůležitějších vlastností, která ovlivňuje vlastnosti proudění látek. Kapalina s větším vnitřním třením teče pomaleji. Větší viskozita znamená totiž větší brzdění pohybu kapaliny nebo pohybu těles v kapalině. Rychlost pohybu molekul proudící kapaliny závisí na teplotě, s rostoucí teplotou viskozita klesá a kapalina se pohybuje rychleji. Praktický význam v medicíně má viskozita krve. Její hodnota je ovlivněna hlavně teplotou. Kapaliny s nenulovou viskozitou se označují jako viskózní (vazké). Viskozita tělesných tekutin se většinou udává v relativních jednotkách, kdy 1 = viskozita vody. Viskozita plazmy je 2 (2krát vyšší než viskozita vody), viskozita krve je vzhledem k obsahu krvinek vyšší než u plazmy a její průměrná hodnota je kolem 4. Viskozita krve se zvyšuje při vyšším hematokritu nebo při poklesu rychlosti proudící krve. Z toho důvodu je viskozita krve v kapilárách vyšší než v arteriích (nižší rychlost proudění krve v kapilárách). Příklad: Při teplotě 37 oC se viskozita udává v rozmezí 3,0–3,6 mPa . s, pro plazmu je to 1,8–2,0 mPa . s. Hodnoty viskozity krve je třeba sledovat například při podávání většího množství erytrocytů (tzv. erymasy) nebo při patologickém zmnožení červených krvinek – polycytemia vera.

Difuze Difuzi definujeme jako tepelný pohyb částic (disperzního podílu) jedné látky do druhé. Pohyb je vyvolaný koncentračním spádem (gradientem) a řídí se snahou o  úplné vyrovnání koncentrace v  celém objemu. Molekuly rozpuštěné látky putují z míst větší koncentrace do míst s nižší koncentrací a jev trvá do té doby, než se koncentrace disperzního podílu v celém objemu vyrovnají. Difuze je jedním z nejdůležitějších fyzikálních dějů, které umožňují pohyb látek uvnitř a vně buněk. Průběh difuze je výrazně ovlivněn teplotou látky. Jelikož při vyšší teplotě proces difuze probíhá rychleji, lze z  toho usuzovat, že rychlost pohybu částic se zvyšuje s  teplotou. Chemickou podstatou difuze podle druhého termodynamického zákona je, že chemický systém vždy zvyšuje svou entropii neboli míru neuspořádanosti svého systému, čímž dospěje do stavu s nejnižší vnitřní energií. 20

Stavba hmoty, síly v přírodě

Matematicky popisují difuzi Fickovy zákony. 1. Fickův zákon říká, že hustota difuzního toku j je úměrná záporně vzatému gradientu koncentrace: j = –D . grad c. Konstantou úměrnosti v  této rovnici je tzv.  difuzní koeficient  D vyjadřující počet molů látky, které za čas 1 s projdou průřezem 1 m2 při koncentračním gradientu 1 mol/m. Příčinou toku látky jsou rozdíly v její koncentraci. Znaménko minus vyjadřuje, že difuzní tok směřuje proti koncentračnímu gradientu. Uvedený zákon se často zjednodušeně zapisuje pro jednorozměrný případ jako: j = –D

c , x

kde  Δc je rozdíl molárních koncentrací na  dvou blízkých místech, vzdálených od sebe Δx; jednotkou koncentračního gradientu je mol/m. Dialýza Dialýza je difuze malých molekul a iontů z krve přes dialyzační membránu do dialyzačního roztoku, tj. z prostředí s vyšší koncentrací do prostředí s koncentrací nižší. V medicíně se jedná o proces, který nahrazuje přirozenou funkci ledvin u pacientů s  ledvinovou nedostatečností nebo ledvinovým selháním. Dialýzou jsou z  těla odstraněny odpady metabolizmu, zejména močovina a  některé ionty (např. draslíku) a také přebytečná voda, které jsou u zdravého člověka odstraňovány pomocí ledvin do moči. Tento proces je život zachraňující výkon, bez něhož by člověk s nefunkčními ledvinami zemřel. Známe dvě formy dialýzy. Hemodialýza je proces, při němž je krev pacienta vyčištěna pomocí speciálního přístroje (tzv. umělá ledvina). Tento proces se opakuje obvykle 3krát týdně a trvá obvykle 4–6 hodin. Druhým typem dialýzy je peritoneální dialýza, kdy se krev čistí uvnitř těla pacienta pomocí pobřišnice (peritonea). Do těla se přitom 4–5krát denně přivádí speciální roztok, který provádí čištění krve (starý roztok se přitom vždy nahradí novým). Jako dialyzační membrány se dnes používají hlavně umělé membrány, např. z celofánu, esterů glukózy nebo z některého moderního plastu (např. Cuprophan), které mohou stimulovat imunitní systém pacienta – proto počet dialýz může zvyšovat riziko rejekce transplantátu v budoucnu. Membrána může být v dialyzátoru uspořádána buď ve formě listů, nebo velkého množství tenkých trubiček – cílem samozřejmě je, aby účinná plocha byla co největší. Po  jedné straně membrány krev protéká prouděním laminárním, při kterém se erytrocyty hromadí v ose toku (v centrální části), a membrána je tak více omývána plazmou. Objemový průtok je asi 200–300 ml/min. Na  opačné straně membrány protéká dialyzační roztok turbulentním prouděním v protisměru, objemový průtok je asi 500 ml/min. Tímto způsobem dosáhneme potřebného koncentračního spádu, a tím i rychlé difuze toxických odpadů metabolizmu a některých iontů z krve nemocného do dialyzátu. Látky, které se při dialýze nesmí z těla odstranit, musejí být přítomny i v dialyzačním roztoku. Všechny tyto látky však do roztoku přidat nelze (například vitaminy a aminokyseliny), a tak je pacient musí nahrazovat klasickou cestou – v potravě (během dialýzy se doporučuje jíst), popřípa21

1

1

Biofyzika

dě v tabletách. Dialyzační roztok naopak nesmí obsahovat jiné cizorodé látky, které by přešly opačně do krve. Proto se k míchání roztoku používá absolutně čistá voda. K rychlému čištění nebo zahušťování (odstraňování rozpouštědla) lze místo dialýzy použít ultrafiltraci. Jde v podstatě o filtraci membránou, která nepropouští koloidy, urychlenou podtlakem pod membránou nebo přetlakem nad membránou. Použitím různých membrán o známé propustnosti lze disperzní systém rozdělit na frakce podle velikosti částic, případně i odhadnout velikost částic. Hemofiltrace na rozdíl od dialýzy využívá konvektivní transport solutů (transport založený na proudění rozpuštěných látek) během ultrafiltrace přes dialyzační membránu. Konvektivní pohyb solutů závisí na  filtračním tlaku rozpuštěných látek a  vody na  speciální hemofiltrační membráně. Typy dialýzy  Akutní hemodialýza Akutní dialýza se používá u náhlých stavů, kde tělo pacienta není samo schopno očistit se od endogenních nebo exogenních toxických látek, objemu tekutiny nebo iontů. Mezi obecně platné principy akutní dialýzy patři především zvážení, jestli není možné zvládnout některé tyto stavy (iontové rozvraty, poruchy vnitřního prostředí) konzervativní terapií, protože dialýza je metoda, která zatěžuje organizmus (kardiovaskulární, imunitní systém).  Chronická hemodialýza Chronická hemodialýza se používá u  pacientů, u  kterých přes  chronickou insuficienci ledvin došlo k renálnímu selhání, tudíž ke stavu, kdy ani při dodržení bazálních podmínek není jejich tělo schopno zbavit se přebytečných metabolitů, objemu tekutin a korigovat vnitřní prostředí (pH, ionty). Pacienti docházejí na dialýzu obvykle 3krát týdně, dialyzují se 4–6 hodin. Tato léčba je doživotní nebo přetrvává do transplantace ledviny. Fyzikální princip akutní i chronické dialýzy je stejný, rozdíl je v indikaci.  Peritoneální dialýza Tato metoda využívá velkou difuzní a filtrační plochu peritonea. Tekutina se do břicha dostává peritoneálním katétrem, který je do břišní dutiny zaveden nastálo přes břišní stěnu pod úrovní pupku. Pacient může dialyzační roztok napouštět a vypouštět do břišní dutiny sám, a to i několikrát denně (až 4krát), nebo jednou denně (obvykle v noci). Tekutina je v peritoneální dutině ponechána obvykle 6 hodin. Použitý a  znečištěný dialyzační roztok se vypouští ven a místo něj se napouští nový a čistý dialyzát (pokud pacient dialyzuje vícekrát denně).

Osmóza Mezi živými tkáněmi existují polopropustné (semipermeabilní) membrány, které propouštějí pouze molekuly rozpouštědla (disperzního prostředí – nejčastěji vody), nepropouštějí však molekuly látek, které jsou ve vodě rozpuštěné (disperzní podíl). Snaha po vyrovnání koncentrací roztoku na obou stranách membrány se tak může realizovat pouze průnikem rozpouštědla z  roztoku s  nižší koncentrací do  roztoku s vyšší koncentrací rozpuštěných látek. To vede ke zřeďování více koncentrovaného roztoku. Koncentrované látky si rozpouštědlo přitáhnou jakoby k sobě, a to osmotickou silou, která je schopná např. překonat gravitační sílu. Tomuto samovolnému zřeďování říkáme osmóza. Roztok o nižším osmotickém tlaku se nazývá hypotonický, o vyšším osmotickém tlaku hypertonický. Rozpouštědlo proudí vždy z roztoku hypotonického do hypertonického. Roztoky o stejném osmotickém tlaku se nazývají izotonické nebo izoosmo22

Stavba hmoty, síly v přírodě

tické. Mezi takovými roztoky k osmóze nedochází. Velikost osmotického tlaku Π udává van´t Hoffova rovnice: Π = c . R . T, kde c je molární koncentrace rozpuštěné látky, R molární plynová konstanta: R = 8,31 J . K–1 . mol–1 a T teplota. Každá buňka reaguje změnou objemu na prostředí, do kterého je umístěna. Například erytrocyt přemístěný ze svého obvyklého prostředí do hypotonického prostředí začne přijímat vodu a může dojít až k rozpadu erytrocytu (hemolýze). Naopak v hypertonickém prostředí proudí voda z erytrocytu ven a červená krvinka se svrašťuje. Za  normálních okolností jsou tkáně i  tělní tekutiny v  osmotické rovnováze, neboť orgány jsou schopny osmotický tlak regulovat. Největší úlohu při osmoregulaci mají ledviny. Pokud lidský organizmus ztratil velké množství tekutin (krvácení, průjmy), je třeba ztrátu nahradit vpravením vody a případně též elektrolytů a živin do krevního řečiště. Tato kapalina (infuze) musí být ovšem s krví izotonická. Podání hypotonického nebo hypertonického roztoku poškozuje krevní elementy.

1.8

Jevy na rozhraní mezi dvěma fázemi

Molekuly nacházející se na povrchu kapaliny mají odlišné vlastnosti od molekul uvnitř kapaliny. Mají větší potenciální energii než ostatní molekuly – povrchové vrstvě přiřazujeme tzv. povrchovou energii. Jejím projevem je vznik povrchového napětí, veličiny, která charakterizuje závislost povrchové energie kapaliny na jejím povrchu (kapalina má snahu mít co nejmenší energii, proto se snaží mít i nejmenší energii povrchovou). Povrchové napětí Mezi základní vlastnosti kapalin patří: tekutost (dají se přelévat), nemají stálý tvar (zaujímají jej podle nádoby), snadno se dělí (kapky), jsou nestlačitelné (objem se nemění). Povrchové  napětí  je efekt, při kterém se  povrch  kapalin  chová jako elastická fólie a snaží se dosáhnout co možná nejhladšího stavu s minimální plochou. To znamená, že se povrch tekutiny snaží dosáhnout stavu s nejmenší energií. Pokud by na kapalinu nepůsobily vnější síly, měla by kulový tvar, protože koule má ze všech těles stejného objemu nejmenší povrch. Čím větší je povrchové napětí, tím „kulatější“ je kapička této kapaliny. Povrchové napětí je definováno jako podíl velikosti povrchové síly (leží v povrchu kapaliny) působící kolmo na jednotku délky v rovině povrchu kapaliny (N . m–1). Povrchové napětí je výsledkem vzájemné interakce molekul a  atomů, z  nichž se skládá povrchová vrstva. Je definováno jako síla F, působící kolmo na  délku l myšleného řezu povrchem kapaliny, dělená touto délkou. Vektor povrchového napětí leží v rovině tečné k povrchu v daném bodě. Povrchové napětí můžeme vyjádřit následujícím vztahem:  

F . l

23

1

1

Biofyzika

Hodnota povrchového napětí klesá s rostoucí teplotou a nezávisí na velikosti povrchu kapaliny. Povrchové napětí způsobuje dva biologicky důležité jevy: kapilární elevaci a depresi (vodní roztoky mají spíše elevaci). Látky, které snižují hodnotu povrchového napětí kapalin, se nazývají povrchově aktivní látky (surfaktanty, tenzory). Povrchové napětí se uplatňuje na fázových rozhraních živých organizmů. Má velký význam například při dýchání. S povrchovým napětím na rozhraní dvou fází souvisí i další jev – adsorpce. Adsorpce je děj, při němž adsorbent váže adsorbovanou látku pouze slabými van der Waalsovými silami. Probíhá pouze na povrchu adsorbentu. V důsledku výhodnějšího energetického uspořádání soustavy se na fázovém rozhraní může významně zvýšit koncentrace látky z jedné fáze – rozpuštěné látky nebo plynu. Pro množství adsorbované látky je rozhodující v případě plynu tlak, v případě roztoku koncentrace. Příklady: Některá léčiva upravují prostředí v tenkém i tlustém střevě, odstraňují tlak a napětí vzniklé na základě plynatosti. Jejich účinek spočívá ve snížení hodnoty povrchového napětí tekutiny obsažené v žaludku a trávicím ústrojí, čímž usnadňují odchod plynu a odstraňují nepříjemné pocity s tím spojené. Jedná se o látky, které se po perorálním podání nevstřebávají, působí pouze uvnitř trávicí trubice a odcházejí v nezměněném stavu stolicí. Některé potravinové doplňky působí v těle člověka na všechny povrchy sliznic tak, že snižují hodnotu povrchového napětí. Tím působí na vylučovací a detoxikační funkci organizmu.

1.9

Pohyb látek

V klasické mechanice jsou studovány pohyby těles, jejichž rychlosti jsou mnohem menší než rychlost světla. Kinematika je oblastí mechaniky, která se zabývá pohyby těles v závislosti na čase, nebere však do úvahy vzájemné působení druhých těles nebo polí. Druhou součástí mechaniky je dynamika. Ta, na rozdíl od výše popsané kinematiky, studuje vliv vzájemného působení – interakce – mezi tělesy na jejich mechanický pohyb. Pohyby těles vymezují tři Newtonovy pohybové zákony. 1. Newtonův zákon (zákon setrvačnosti) Každé těleso setrvává v klidu nebo v rovnoměrném přímočarém pohybu, pokud není nuceno silovým působením jiných těles tento stav změnit. Tento zákon, nazývaný také zákonem setrvačnosti, říká, že pohyb těles nemůže vzniknout jinak než jako výsledek jejich vzájemného působení. Důležité také je, že se tento zákon vztahuje pouze k  vnějším silám. Síly působící mezi částicemi tělesa (vnitřní síly) nemají žádný vliv na celkový pohyb tělesa. První pohybový zákon říká, že bez vnějšího působení si těleso zachovává svou hybnost. Hybnost je fyzikální vektorová veličina, která vyjadřuje míru setrvačnosti tělesa. Velikost hybnosti p je přímo úměrná hmotnosti m a rychlosti v tělesa, vektor hybnosti má stejný směr jako vektor rychlosti. Hybnost je matematicky vyjádřena vztahem: p = m . v. 2. Newtonův zákon (zákon síly) Velikost zrychlení tělesa (hmotného bodu) a je přímo úměrná velikosti výslednice sil působících na těleso (hmotný bod) F a nepřímo úměrná hmotnosti tělesa (hmot24

Stavba hmoty, síly v přírodě

ného bodu) m. Směr zrychlení je shodný se směrem výslednice sil. Matematicky zapisujeme druhý pohybový zákon (zákon síly) ve tvaru: a

F . m

Druhý Newtonův pohybový zákon říká, že síla je příčinou změny rychlosti pohybu, nikoliv pohybu jako takového. 3. Newtonův zákon (zákon akce a reakce) Každá dvě tělesa ne sebe vzájemně působí stejně velkými silami opačného směru (jedné síle se říká akce, druhé reakce). Akce a reakce současně vznikají a současně zanikají. Ekvivalentní formulace: Jestliže těleso 1 působí silou na těleso 2, pak také těleso 2 působí na těleso 1 stejně velkou silou opačného směru. Zákon akce a reakce můžeme matematicky vyjádřit následovně:

Distribuci (mechanizmus kinetiky) látek v organizmu lze definovat jako děj, kterým jsou látky po  svém podání rozdělovány v  celém těle i  mezi jeho jednotlivými částmi. Distribuce je podmíněna rozpuštěním látky v tělních tekutinách a její vazbou na bílkoviny plazmy a tkání. Biologicky nejdůležitějším rozpouštědlem je voda. Látka, která pronikla z krve do tkání, je zčásti rozpuštěna v extracelulární a intracelulární tekutině, zčásti se reverzibilně váže na povrch buněk a na různé makromolekulární struktury uvnitř buňky, případně se ukládá do depotních tkání. Z organizmu jsou vylučovány jednak metabolity jednotlivých metabolických pochodů, jejichž zvýšená koncentrace je pro živý organizmus zpravidla toxická (katabolity), jednak látky, které přijal organizmus v nadbytečném množství a jejichž části se zbavuje. V těchto pochodech se uplatňuje řada již výše uvedených biofyzikálních dějů a fyzikálních zákonů. Vylučování látek z organizmu se děje ledvinami, zažívacím traktem, plícemi, žlázami různých orgánů a kůží. Znalost mechanizmů kinetiky látek je nezbytná například ve farmakoterapii – farmakokinetice a farmakodynamice, kde se hledá pro danou formu léčivé látky nejúčinnější způsob podání. Cesta podání může být intravaskulární (lék je podán do žíly, do arterie či přímo do dutiny srdce), extravaskulární (lék podáváme do tkáně, odkud se vstřebává do krevního oběhu; patří sem podání do svalu, do úst, pod jazyk, do konečníku, na kůži, do podkoží, do dutiny břišní a vdechováním) či lokální (lék se nevstřebá a vyvolá pouze místní účinek v místě aplikace). Většina léků se váže (je absorbována) na plazmatické bílkoviny. Vazba na plazmatické bílkoviny je proces, který směřuje k vytvoření a k udržení rovnovážného stavu mezi vázaným a volným množstvím příslušného léčiva a je za definovaných podmínek pro každý lék specifický. Adsorpce je děj, při němž adsorbent váže adsorbovanou látku pouze slabými van der Waalsovými silami. Probíhá pouze na povrchu adsorbentu. Absorpce je děj, při němž se absorbovaná látka na absorpční činidlo váže poměrně silnými chemickými vazbami. Většinou probíhá v celém objemu absorbentu. Příklad: Ibuprofen se silně váže na plazmatické bílkoviny (až 99 %), warfarin má vazebnost více než 99 %, valproát se ve vysoké míře váže na plazmatické bílkoviny, tato vazba závisí 25

1

1

Biofyzika

na dávce a je nasytitelná. U hemofilie při vnitřním krvácení, například do svalů nebo kloubů, spočívá léčba v substituci plazmatické bílkoviny, resp. koagulačního faktoru, který chybí. Amoxicilin se váže na plazmatické bílkoviny asi z 20 %. Paracetamol se rychle a téměř úplně vstřebává z  gastrointestinálního traktu. Rychle se distribuuje do  všech tkání a  tělesných tekutin. Maximální hladiny vazebnosti v plazmě je dosaženo za 10–60 minut po podání. Vazbou látky na plazmatické bílkoviny se vytvářejí velké komplexy, které nemohou procházet biologickými membránami. Vázaná část látky je pak ve svém účinku neefektivní, protože nemůže proniknout do tkání ke svým receptorům. Zároveň se nemůže dostat k intracelulárním enzymům, není metabolizována a biochemickou transformací inaktivována. Prodlužuje se tak její účinek. Tento efekt se využívá ve farmakoterapii, chceme-li prodloužit dobu působení některého léku nebo prodloužit dobu jeho odbourávání. Příklad: Léky s postupným uvolňováním účinné látky (často nazývané retardované) patří dnes mezi velmi atraktivní ve směru vývoje léčiv. Obvykle obsahují již dříve dlouho užívanou aktivní látku. Avšak novou lékovou formu stačí vzít k  dosažení stejného účinku (když jsme užívali původní lék například 4krát denně) nyní jen jednou za den. Vedle toho, že podávání takového léku je pro pacienta pohodlnější, je často také dosaženo i lepšího udržování terapeutické hladiny účinné látky v krvi a s tím někdy spojeného snížení výskytu nežádoucích účinků.

Newtonův gravitační zákon vystihuje všeobecnou gravitaci – gravitační interakci: mezi dvěma hmotnými body působí stejně velké gravitační síly Fg a  –Fg navzájem opačného směru. Velikost gravitační síly Fg je přímo úměrná součinu hmotnosti m1, m2 hmotných bodů a nepřímo úměrná druhé mocnině jejich vzdálenosti r2. Velikost gravitační síly je tedy dána vztahem: Fg =  .

m1m2 r2

,

kde konstanta úměrnosti  se nazývá gravitační konstanta, pro kterou platí  = 6,67.10–11 N. m2. kg–2, m1, m2 jsou hmotnosti hmotných objektů a  r je vzdálenost těchto hmotných objektů. Gravitační síly míří ve směru přímky, která spojuje oba hmotné body ve vzájemné gravitační interakci. Dosah gravitační interakce je nekonečně velký, její velikost se zmenšuje s  druhou mocninou vzdálenosti. Je zřejmé, že gravitační pole zprostředkovává silové působení mezi tělesy, aniž by docházelo k jejich bezprostřednímu styku. Gravitační interakcí se zdůvodňují fenomény, jako je struktura galaxií, černá díra (ve fyzice oblast časoprostoru, kterou nic nemůže opustit. Uvnitř černé díry je pravděpodobně místo, kde je časoprostor extrémně zakřiven a přestávají platit rovnice obecné teorie relativity.), trajektorie planet, padání předmětů, ale i proč nemůžeme zvednout těžké předměty. V současnosti se vědci snaží o spojení teorie obecné relativity a kvantové mechaniky do teorie kvantové gravitace. V této teorii by měly gravitaci přenášet částice gravitony, ty ale dosud nebyly pozorovány. Jedním z úkolů experimentů prováděných v CERN bude potvrdit existenci gravitonů.

26

Stavba hmoty, síly v přírodě

CERN, mezinárodní evropská vědecká instituce (oficiální název Evropská organizace pro jaderný výzkum) je nejrozsáhlejší výzkumné centrum fyziky částic na  světě. Za  den zrodu organizace CERN lze považovat 29. září 1954. Zabývá se čistou vědou a hledá odpovědi na nejpřirozenější otázky: co je to hmota, jak hmota vznikla, jak jsou utvářeny složité hmotné objekty jako hvězdy, planety nebo lidští tvorové.

Literatura 1. KUBÍNEK R., KOLÁŘOVÁ H., HOLUBOVÁ R.: Fyzika pro každého – rychlokurz fyziky. Olomouc: Rubico 2009. 2. MCPHEE I.: Fyzika bez (m)učení. Praha: Grada Publishing 2012. 3. NAVRÁTIL L., ROSINA J.: Medicínská biofyzika. Praha: Grada Publishing 2005.

27

1

2

Biofyzika

2

Přeměna energie v organizmu

2.1

Termodynamika

Termodynamika je obor fyziky, který se zabývá procesy a vlastnostmi látek a polí spojených s teplem a tepelnými jevy, pojednává také o vzájemných přeměnách různých druhů energie, o směřování fyzikálních a chemických pochodů a o rovnovážných stavech. Vychází z obecných principů přeměny energie, které jsou popsány třemi termodynamickými zákony. První termodynamický zákon – zákon zachování energie je zákonem kvantitativním, který říká, že všechny druhy energie jsou kvantitativně rovnocenné a lze je vzájemně přeměňovat na jiné formy energie. Ukazuje, že v praxi existuje málo dějů, při nichž těleso přijímá nebo odevzdává teplo jen tepelnou výměnou nebo jen konáním práce. Běžnější jsou děje, při nichž dochází k odevzdávání nebo přijímání tepla oběma způsoby (viz vzorec níže). Druhý termodynamický zákon vysvětluje přirozený směr, kterým přírodní procesy probíhají, tj., určuje směr předávání tepelné energie. Tento zákon zajišťuje, že se nebudou odehrávat děje, které jsou sice možné z hlediska zákona zachování energie, ale jsou velmi nepravděpodobné; máme-li například vedle sebe dvě desky, jednu teplou a  jednu chladnou, je nepravděpodobné, aby teplejší deska zvýšila svou teplotu na úkor chladnější, která by se ještě více ochladila. Je zajímavé, že tento zákon neplatí stoprocentně, ale s pravděpodobností blížící se jedné. Je to způsobeno těsnou vazbou termodynamiky a pravděpodobnosti náhodných procesů. Čas od času by velmi malé množství tepla mohlo přejít z chladnějšího tělesa na teplejší. Takovým malým výkyvům říkáme fluktuace. Třetí termodynamický zákon popisuje chování látek v blízkosti absolutní nulové teploty a  říká, že při absolutní nulové teplotě je entropie látky rovna nule. Bylo zjištěno, že některé fyzikální vlastnosti se v blízkosti této teploty stávají nulovými, je to např. měrné teplo, elektrický odpor vodičů, teplotní roztažnost apod. V blízkosti absolutní nuly dochází k zastavení tepelného pohybu molekul. Entropie je stavovou veličinou a její změna závisí pouze na počátečním a konečném stavu. Při všech přeměnách energie dochází ke ztrátám a k postupné degeneraci energie a nárůstu entropie. Degeneraci lze chápat jako ubývání schopnosti konat práci. Na základě těchto ztrát, při přeměně vázané energie v použitelnou a pak rozptýlenou a již nepoužitelnou energii, se uvolňuje teplo a další emise, které řád v ekosféře mění na chaos a v konečném důsledku v tepelnou smrt. Při teplotě absolutní nuly T = 0 K (–273,15 °C) nabývá entropie pro všechny termodynamické systémy hodnoty, kterou je možné položit rovnu nule, žádné volné elektrony, žádný pohyb a  žádný chaos (třetí termodynamický zákon). Absolutní nulová teplota je mezní teplotou, k níž se můžeme velmi těsně přiblížit, ale nemůžeme ji dosáhnout.

Termodynamika se zabývá také studiem systémů tvořených mnoha složkami, mezi které patří i organizmus člověka.

28

Přeměna energie v organizmu

Pro pochopení přeměny energie v organizmu je důležitý první termodynamický zákon (zákon zachování energie), který můžeme definovat následovně: Změnu vnitřní energie ΔU termodynamické soustavy lze způsobit přidáním nebo odebráním tepla Q nebo mechanické energie, tj. vykonáním práce vnějšími silami W, tj. ΔU = Q + W. V souladu s prvním termodynamickým zákonem se v organizmu vyměňuje energie ve dvou formách – jako teplo nebo jako práce.

2.2

Potřeba energie

Vyjádřením všech chemických, energetických a enzymových reakcí, při kterých dochází k proměně látek a energií v buňkách a živých organizmech, je metabolizmus. Při metabolizmu rozlišujeme dva děje:  anabolizmus – soubor syntetických reakcí, při kterých z látek jednodušších vznikají látky složitější, energie se při těchto reakcích spotřebovává (endergonické reakce); anabolizmus převažuje v buňce, která roste a rozmnožuje se;  katabolizmus – soubor rozkladných dějů, tj. procesů, při nichž z látek složitějších vznikají látky jednodušší. Při těchto dějích se uvolňuje energie v malých použitelných množstvích. Příkladem katabolického procesu je například buněčné dýchání. Intenzitu metabolizmu určují následující faktory: specificko-dynamický účinek potravy (SDU), tělesná práce, vnější teplota, výška, váha a povrch těla, pohlaví a věk, emoce, tělesná teplota, hladina hormonů a hladina adrenalinu a noradrenalinu v krvi. Základní (bazální) metabolický výdej (bazální metabolizmus – BMR z anglického Basal Metabolic Rate) byl definován jako množství energie vydané v klidovém stavu, při mentální relaxaci, v teplotně neutrálním prostředí a nalačno (tzn. ve stavu, kdy zažívací soustava nepracuje, což znamená u lidí 12–14 hodin půstu). Výdej energie v tomto stavu je dán pouze prací (fungováním) životně důležitých orgánů, jako jsou srdce,  plíce,  mozek a  nervový systém, játra,  ledviny,  pohlavní orgány,  svaly  a  kůže. BMR se snižuje s věkem a ztrátou svalové hmoty, naopak se zvyšuje díky kardiovaskulárnímu cvičení a nárůstu svalové hmoty. Mohou jej také ovlivnit nemoc, konzumované jídlo a nápoje, teplota prostředí a množství stresu, tak jak bylo uvedeno výše. Existuje několik vzorců, podle kterých lze vypočítat odhad BMR pro člověka zadaných parametrů. Jedním z často používaných je následující vzorec podle Harrise a Benedicta, který zohledňuje energii potřebnou pro růst: BMR u žen = 655,0955 + (9,5634 × váha v kg) + (1,8496 × výška v cm) − (4,6756 × věk v letech) kcal/den BMR u mužů = 655,0955 + (13,7516 × váha v kg) + (5,0033 × výška v cm) − (6,755 × věk v letech) kcal/den Pro převod mezi kilokaloriemi a jouly platí: 1 kcal = 4148 J.

Denní energetický výdej je součtem BMR, energie potřebné pro růst, fyzickou aktivitu a regeneraci po poškození. U dospělého člověka dosahuje hodnot 7000–10 000 kJ/den. Podstatnou část energie přijímá člověk potravou ve formě chemické energie. Energetic29

2

2

Biofyzika potřeba v g . d-1

fyziologická energetická hodnota v kJ . g-1

tuky

energie na den v kJ . g-1

% ze spotřeby energie

1g asi 65

38,9

2 500 25 % 12 %

bílkoviny

1g asi 70

1 200

17,2

63 %

sacharidy 1g 17,2

6 300

asi 370

Obr. 1 Energetická hodnota živin a potřeba energie (propočítaná na muže hmotnosti 70 kg, který vykonává lehkou práci; potřeba je uvedena v gramech za den) ká potřeba je kryta třemi základními živinami – bílkovinami (proteiny), sacharidy a tuky (obr. 1). Přijatá energie se spotřebovává právě při výše uvedených procesech, tj. při metabolizmu (bílkoviny, sacharidy a tuky jsou v těle rozkládány na základní složky: jednoduché cukry, aminokyseliny a volné mastné kyseliny; tyto složky ukládá tělo buď do zásob, různě je přeměňuje, nebo je mění na energii; všechny tyto pochody vyžadují ke svému zajištění jistou energii; nejvíce energie musí tělo vydat na úpravu bílkovin, a to až 30 % jejich energetické hodnoty (SDU = 0,7), na úpravu sacharidů vydá 6 % (SDU = 0,94) a nejméně pak na úpravu tuků – asi 4 % (SDU = 0,96); při vyvážené stravě se odhaduje, že tělo vydá zhruba 10 % přijaté energie na její zpracování a využití), při vykonávání fyzické práce (faktor aktivity – fyzická práce potřebu doplnit energii zvyšuje, např. práce v kanceláři odpovídá průměrnému výkonu 127 W, nejtěžší práce u žen odpovídá 175 W, u mužů 230 W na  70 kg tělesné hmotnosti za  den, vrcholoví sportovci zvýší energetický výdej během 2 hodin maratonského běhu až zhruba na 1600 W), při změnách tělesné teploty (teplotní faktor – například při teplotě 38 °C je teplotní faktor 1,1, při 39 °C 1,2 atd.) a  při překonávání nemocí (faktor poškození – např. u  pooperačního stavu je roven hodnotě 1,1; u mnohočetných fraktur 1,2–1,38; u polytraumat 1,4–1,8, kóma 0,9 apod.). Zbytková energie (nespotřebovaná k udržení stále tělesné teploty a na bazální metabolizmus) se téměř úplně přemění na energii tepelnou, která je odváděna z organizmu. Výdej tepla do prostředí je u člověka uskutečňován především povrchem těla, a to radiací (sáláním), kondukcí (vedením), konvekcí (prouděním), evaporací (odpařování) vody z povrchu kůže a sliznic a respirací (dýcháním). Podrobně budou popsány tyto děje v kapitole 8.

30

Přeměna energie v organizmu

2.3

Energetická bilance

Pod energetickou bilancí rozumíme rovnováhu mezi energetickým příjmem a výdejem. Při negativní energetické bilanci se spotřebovávají vnitřní zásoby, energetický výdej je větší než energetický příjem – hubnutí, při pozitivní bilanci převažuje příjem nad výdejem – přibírání až obezita. Termodynamické zákony platí pro celý vesmír, nepřipustí výjimku. Už víme, co se stane s energií přijatou v podobě jídla. Buď se změní v energii pohybu, nebo se spotřebuje na produkci tepla anebo se spotřebuje při metabolických dějích. Zbytek energie získané z potravy se neztratí, přebytečná energie se ukládá v podobě zásobní tukové tkáně. Pokud chceme snížit hmotnost, musíme se snažit o trvale negativní energetickou bilanci.

Pro organizmus je nezbytný i  přívod minerálních látek, zvláště vápníku, železa, jodu. Kromě toho potřebujeme i tzv. stopové prvky a vitaminy. Převážná část energetické potřeby je kryta sacharidy (škrob, cukr, glykogen) a tuky (živočišné a rostlinné tuky a oleje), které se mohou z hlediska energie jako živiny vzájemně zastupovat. Tuky a cukry jsou spolu s O2 v organizmu prakticky beze zbytku rozštěpeny na CO2 a H2O. Naproti tomu v organizmu nejsou úplně odbourány bílkoviny, při přeměně kterých vzniká močovina. Výživa má prakticky nejvýznamnější postavení mezi faktory životního prostředí, které ovlivňují zdravotní stav obyvatelstva, prodloužení života, zdatnost, odolnost, výkonnost, reprodukci pracovní síly, psychickou stabilitu i  pocit subjektivní pohody. Hladovění Hladovění dělíme na částečné, kdy člověk nepřijímá pouze některé složky potravy, nebo úplné. S hladem se člověk setkává například při vynuceném snížení příjmu potravy při nedostatku nebo při nemoci, mnohdy se s  ním setkávají obyvatelé tzv. třetího světa. Fyziologicky prospěšné hladovění je jednoduše řečeno hladovka (půst). Jedná se o dobrovolné naprosté zřeknutí se jídla. Je to něco zcela jiného než hladovka vynucená okolnostmi. Pokud se ocitnete bez přísunu jídla a bez vyhlídky na změnu, budete prožívat obrovský stres, strach ze smrti hladem, a to vše dokáže ublížit. Pokud se člověk dobrovolně zřekne jídla (s možností kdykoliv s hladověním přestat), dá tělu šanci, aby se samo vypořádalo nejen s nadbytečnými kilogramy, ale také s některými toxiny uloženými v  tkáních apod. Je prokázáno, že půst nebo hladovění zpomalují stárnutí, zlepšují obranyschopnost a látkovou výměnu. Člověk přežije úplný hlad 17–74 dní (záleží zejména na  teplotě prostředí), ženy jsou vůči hladu odolnější, protože mají více tuku (74 dní je rekord). V průběhu hladovění nastupuje snížení aktivity, apatie, snížení celkového metabolizmu (změněním aktivních orgánů, např. jater, snížením tyroxinu). Ubývá tuku (ale nezmizí nikdy úplně), dochází k  rychlé depleci (poměrně malých) zásob cukru. Objevuje se více ketolátek v  krvi a  dechu (snížená aktivita pentózové dráhy). Počáteční úbytek váhy je způsoben zejména úbytkem vody v  důsledku ztráty elektrolytů vyvažujícímu ztráty proteinů. Pak nastupují projevy nedostatku vitaminů, bradykardie (až na 37 tepů/min), hypotenze (systolický tlak kolem 95 mm Hg), snížený srdeční výdej (až o 45 %). Je 31

2

2

Biofyzika

podstatně snížena aktivita hypofýzy, a proto i závislých endokrinních žláz, méně tyroxinu. Snižuje se tělesná teplota (0,5–1 oC) a je pozorována zvýšená citlivost na chlad, častá je amenorea a snížené libido.

Literatura 1. KITTNAR O. a kol.: Lékařská fyziologie. Praha: Grada Publishing 2011. 2. GROFOVÁ Z.: Nutriční podpora. Praha: Grada Publishing 2007. 3. NAVRÁTIL L. a kol.: Vnitřní lékařství. Praha: Grada Publishing 2008.

32

Sedimentace krve

3

Sedimentace krve

3.1

Fyzikální podstata sedimentace krve

V okolí každého tělesa je přítomné gravitační pole, které se projevuje působením gravitační síly na všechny hmotné body a tělesa nacházející se v tomto gravitačním poli. Gravitace je tedy univerzální silové působení mezi všemi formami hmoty, má prakticky nekonečný dosah a je vždy přitažlivá. m1m2 Newtonův gravitační zákon (Fg =  byl podrobně popsán v  první kar2 ) pitole. Velmi malá číselná hodnota gravitační konstanty κ (6,67.10–11 N . m2. kg–2) způsobuje, že velikost gravitačních sil mezi pozemskými tělesy je téměř zanedbatelná. Značnou velikost má gravitační síla až v okolí těles s velkou hmotností. Při otáčení Země kolem osy vzniká odstředivá síla působící na všechna tělesa, která se nacházejí při povrchu Země. Na pólech Země je odstředivá síla rovna nule, maximální hodnotu nabývá na rovníku. Vektorovým součtem gravitační síly Země a této odstředivé síly získáváme tíhovou sílu, pro kterou platí: FG = Fg + Fod , kde FG je síla tíhová, Fg je síla gravitační a Fod je síla odstředivá. Velikost tíhové síly lze vyjádřit následovně: FG = m . g, kde m je hmotnost tělesa a g je tíhové zrychlení na daném místě Země. Tíhová síla způsobuje, že všechny uvolněné předměty padají k Zemi volným pádem. Jedná se o rovnoměrně zrychlený pohyb se zrychlením g. Jeho velikost závisí na zeměpisné šířce – v České republice má tíhové zrychlení hodnotu zhruba g = 9,81 m . s–2. Toto zrychlení nezávisí na hmotnosti padajícího tělesa. Gravitačním působením Země také vysvětlíme jev zvaný sedimentace. Jestliže například v  nádobě s  vodou rozmícháme jemný písek, tekutina se zakalí vzniklou suspenzí. Když však nádobu necháme v klidu, písek bude zvolna klesat ke dnu, zde sedimentuje a voda nad vrstvou písku bude opět čirá. Částice písku ovšem nebudou ke dnu nádoby klesat volným pádem, ale mnohem pomaleji. Je tomu tak proto, že vedle gravitačního působení se projevuje ještě vztlaková síla, která je podle Archimédova zákona úměrná hmotnosti kapaliny částicí vytlačené. Pohyb způsobený výslednicí těchto sil vyvolá brzdící třecí sílu opačného směru, než má uvedená výslednice síly tíhové a vztlakové (vnitřní tření), která závisí na velikosti a tvaru částic a na viskozitě kapaliny. Viskozitou, jak víme, se rozumí jev vzniku sil bránících relativnímu pohybu vrstev kapalin (nebo plynu).

33

31

31

Biofyzika

Pro tělesa kulového tvaru, a  za  ně částice písku můžeme považovat, lze vyjádřit velikost odporové síly F0 pomocí Stokesova vzorce: F0 = 6 . π . υ . r . ν, kde υ je viskozita, r je poloměr koule a v je rychlost koule. Odporová síla způsobí, že částice písku se budou pohybovat s menším zrychlením. Pokud se výslednice tíhové a vztlakové síly bude co do velikosti rovnat síle odporové, částice písku se budou pohybovat rovnoměrným pohybem stálou (mezní) rychlostí. Podobný jev pozorujeme i při sedimentaci krve. Je-li krev v nádobě v klidu, působí na každou krvinku jak síla tíhová, tak síla vnitřního tření. To má za následek, že krvinky padají proti proudu plazmy a jejich pád se zpomaluje. Rychlost sedimentace závisí i  na  množství krvinek v  objemové jednotce, a  proto sedimentace neprobíhá stejně rychle. V průběhu sedimentace ubývá krvinek z vrchních vrstev, ve spodních vrstvách se jejich koncentrace zvyšuje a sedimentační rychlost se snižuje. Velmi důležitým činitelem ovlivňujícím rychlost sedimentace je vytváření shluků krvinek. Na začátku sedimentace jsou téměř všechny krvinky oddělené. Srazí-li se dvě krvinky, mohou se shluknout a shluk se může opět srazit s jinými krvinkami nebo shluky. Vzniklé shluky sedimentují rychleji než jednotlivé krvinky. Rychlost vzniku shluků je ovlivňována bílkovinami krevní plazmy. Nejvíce působí fibrinogen, nejméně albuminy. Celý průběh sedimentace můžeme rozdělit do tří víceméně se překrývajících časových úseků – období. Počáteční časový úsek trvá asi 5–25 minut a dochází v něm ke vzniku shluků – sedimentační rychlost je malá. Ve druhém časovém úseku vzniklé shluky volně padají ke dnu a rychlost sedimentace je podstatně větší. Ve třetí fázi, kdy většina krvinek již klesla do  spodních vrstev, se rychlost sedimentace opět snižuje a postupně se blíží k nule (obr. 2). Sedimentace je složitý jev, při němž je důležitá i velikost a tvar červených krvinek i jejich počet. Ve zdravotnických zařízeních se provádí měření sedimentační rychlosti červených krvinek podle Fahraeuse Westergrena (FW). Krev se odebere tak, aby se nesrážela (např. přidáním citronanu sodného). Nasaje se do trubice délky 200 mm a průměru 2,5 mm. Na trubici je vyryta milimetrová stupnice. Sedimentační rychlost se určuje odečtením, o kolik mm poklesnou krvinky za 1–2 hodiny. U zdravého muže je tato hodnota podle některých zdrojů asi 2–8 mm za  1 hodinu a  12 mm za  2 hodiny. U  ženy asi 7–12 mm za  1 hodinu a  15 mm za  2 hodiny. Příčinou rychlejší sedimentace erytrocytů u žen je menší počet červených krvinek a zvýšená koncentrace fibrinogenu. Vzhledem k tomu, že se sedimentace erytrocytů urychluje s věkem, byla stanovena pomocná rovnice zohledňující věk vyšetřované osoby: u mužů je normální sedimentace erytrocytů (mm/hod) ≤ věk / 2; u žen je sedimentace erytrocytů (mm/hod) ≤ (věk + 10) / 2.

Při různých chorobných stavech, kdy dochází ke změně složení plazmatických bílkovin, dochází i ke zvýšení sedimentační rychlosti. Výsledek zkoušky je nespecifický, tj., neudává, o které onemocnění jde, avšak prokazuje chorobný stav. Rozhodujícím způsobem ovlivňuje výsledek sedimentace viskozita (vnitřní tření) krve, zejména poměr bílkovin plazmy – globulinu a albuminu. Tento poměr je při mnoha nemocech 34

Sedimentace krve

sedimentační rychlost (v relativních jednotkách)

změněn (zánětlivé procesy, nádory apod.). Proto je jednoduchá zkouška sedimentace červených krvinek jak diagnosticky, tak prognosticky velmi užitečná. Měření rychlosti sedimentace krevních tělísek v krvi patří již dlouhá desetiletí mezi základní laboratorní vyšetření a její výsledek je mnohdy pro lékaře prvním varovným signálem upozorňujícím na nemoc.

počet červených krvinek (v relativních jednotkách)

Obr. 2 Závislost sedimentační rychlosti na koncentraci červených krvinek

Sedimentace krve je nespecifické vyšetření, které informuje o průběhu mnoha patologických procesů v organizmu. Sedimentaci zvyšuje pokles počtu erytrocytů (anémie) nebo zmnožení plazmatických γ globulinů či fibrinogenu. Rychlost sedimentace je naopak zpomalená při polycytemii. Zvýšená sedimentace je průvodním nálezem u většiny infekčních onemocnění, alergických stavů, onkologických onemocnění, stresu apod. Fyziologicky se objevuje ve 2. polovině těhotenství a při menstruaci.

Literatura 1. Laboratorní Příručka – Přehled laboratorních vyšetření, referenčních mezí a doporučení. Medicentrum Beroun s.r.o., Klinická laboratoř, 2011 [citováno 7.11.2012]. Dostupné z: http://www.medicentrum.cz/downloads/laboratorni-prirucka.pdf

35

31

4

Biofyzika

4

Odstředivá síla

4.1

Využití odstředivé síly ve zdravotnictví

V zemském gravitačním poli sedimentují dostatečně rychle pouze těžší částice. Sedimentace lehkých částic trvá velmi dlouho díky síle vnitřního tření (to vzniká při pohybu částice, která je v těsném kontaktu s jinou částicí, která sedimentaci brání). Sedimentaci lze urychlit zvětšením odstředivé síly, která na částice působí opačným směrem než síla vnitřního tření. Odstředivá síla Fod je síla setrvačná, která působí na částice při pohybu po kružnici. Vzniká jako reakce na sílu dostředivou Fd , proto je její velikost stejná jako velikost síly dostředivé, tj. Fod = Fd. Dostředivá síla je kolmá ke  směru okamžité rychlosti ν a směřuje stejně jako zrychlení ad do středu kružnice. Odstředivá síla směřuje naopak od středu zakřivení (od středu kružnice). Pohyb hmotného bodu po kružnici (obr. 3) Rovnoměrný pohyb (pohyb s konstantní rychlostí) hmotného bodu po kružnici je způsoben dostředivou silou. vm

m Fd

vB

B Us

ad Fod S

U

nj

vA r

A

Obr. 3 Dostředivé zrychlení, dostředivá a odstředivá síla Pro velikost obvodové rychlosti platí: v

s , t

kde s je oblouk AB, který hmotný bod opíše za dobu t. Při pohybu po kružnici zavádíme také úhlovou rychlost ω, která má také stálou velikost. Měříme ji ve středu kružnice a její velikost spočteme následovně:



 , t

kde  je úhlová dráha, kterou opíše průvodič hmotného bodu za časový úsek t. 36

Odstředivá síla

Vzájemný vztah mezi obvodovou a úhlovou rychlostí můžeme vyjádřit následujícím vztahem: s r = = s = v v =  . r. r.t r t V případě, že hmotný bod opíše celou kružnici, tj. S = 2π . r a  = 2π, potom čas t = T nazýváme dobou oběhu – periodou, pro kterou platí: T=

2 . r 2  . = v 

Na hmotný bod pohybující se po kružnici působí dostředivá síla Fd, která uděluje hmotnému bodu dostředivé zrychlení ad, které lze spočítat podle následující rovnice:

v = 2 . r t

2 ad =  2 . r = v . r

Pro velikost dostředivé síly, která působí na hmotný bod o hmotnosti m, potom platí: 2 Fd = m . ad = m .  2 . r = m . vr . Příklad: Připomeňme si zkušenost, kterou máme z jízdy na řetízkovém kolotoči, kdy naše tělo rovněž koná rovnoměrný pohyb po kružnici. Pociťujeme, že jsme přitlačováni k sedátku kolotoče, a zdá se nám, že naše tělo je těžší než v klidu.

Působení setrvačné odstředivé síly se uplatňuje v  odstředivkách (centrifugách). Rotor odstředivky se otáčí velkou rychlostí a vznikající odstředivá síla se využívá například k oddělování těžších látek od lehčích, pevných látek od kapalných apod. Při dostatečně velké frekvenci otáčení rotoru lze urychlit sedimentaci i  velmi jemných suspenzí. Podle způsobu pohonu se odstředivky dělí na ruční a motorické. Charakteristickým rysem odstředivky je hodnota frekvence otáčení, tzn. počet otáček rotoru odstředivky za minutu. Příklad: V laboratoři se nejčastěji používají nádobové odstředivky. Suspenzi, kterou chceme odstřeďovat, dáváme do nádobek a vkládáme je do plechových schránek v odstředivce. Při vysokých otáčkách se užívají zkumavky z umělých hmot nebo nerezové oceli, neboť dna skleněných zkumavek by nevydržela velikou hodnotu odstředivé síly. Zkumavky umístěné proti sobě je třeba vyvažovat, aby jejich hmotnost byla stejná. Jinak by mohlo dojít k poškození centrifugy. Oddělení krevních elementů od plazmy je možné provést centrifugováním při otáčkách asi 3000–4000 za minutu. Tato rychlost ale nestačí k oddělení bílkovinných molekul, jejichž velikost v poměru ke krvinkám je přibližně stejná jako velikost jablka k zeměkouli. Oddělení bílkovinných molekul lze dosáhnout zrychlením řádově 100 000 G (vysvětlení přetížení je uvedeno v kapitole 5), tedy stotisíckrát větším, než je normální tíhové zrychlení. V tomto umělém tíhovém poli pak váží 1 ml vody řádově stovky kg, a tedy jeden litr vody by vážil stovky tun. 37

4

4

Biofyzika

V roce 1923 byla švédským chemikem (nositelem Nobelovy ceny za chemii z roku 1926) Theodorem Svedbergem (1884–1971) pro potřeby zkoumání zejména koloidů a  makromolekulárních sloučenin vyvinuta první ultracentrifuga, pomocí které lze zkoumat v roztoku obsažené velké molekuly (koloidní systémy). Ultracentrifugy – rychloběžné odstředivky – pracují při vysokých otáčkách (nad 10 000 otáček za minutu). Ultracentrifuga je schopna odstředit nejen pevné viditelné částice, nebo viry a ribozomy, ale také bílkoviny a nukleové kyseliny. Základem zařízení ultracentrifugy je rotor ze speciální slitiny, do něhož se vkládá kyveta s analyzovaným vzorkem. Rotor je umístěn ve vakuované termostatované skříni. Jsou používány dva základní typy: preparativní ultracentrifuga, která slouží hlavně k  separačním účelům – k  dělení disperzí na jednotlivé frakce, které pak mohou být analyzovány; není vybavena zařízením pro sledování průběhu sedimentace; analytická ultracentrifuga (schematické znázornění na obrázku 4) je používána pro studium velikosti disperzních částic a četnosti jejich rozdělení podle velikosti. Proces sedimentace je sledován speciálním optickým systémem. Používá se jak absorpčních, tak refraktometrických metod. zdroj světla

motor

kyveta rotor k vývěvě

registrační zařízení

Obr. 4 Schéma analytické ultracentrifugy Rychlost sedimentace závisí nejen na velikosti a hustotě částic, ale také na velikosti odstředivé síly. Tato síla, jak je zřejmé z výše uvedeného vztahu, se zvětšuje s druhou mocninou počtu otáček a s poloměrem rotoru (vzdálenost částice od středu rotace). Proto je možné v ultracentrifugách při více než 60 000 otáčkách za minutu dosáhnout hodnotu přetížení až několika milionů G. Centrifugy mají své nezastupitelné místo i ve výcviku pilotů stíhacích letadel nebo kosmonautů. S pokrokem letecké techniky se zjistilo, že vysoké přetížení je jedním z největších nebezpečí pro vojenské piloty i kosmonauty. Vysoká přetížení v bojových letadlech překonává pilot při akrobacii, při nácviku souboje s nepřítelem nebo nácviku úhybného manévru vůči řízené střele. Kosmonauti se s vysokým přetížením setkávají při startu i návratu kosmických lodí. Výcvik na snášení vysokých přetížení je oficiální důvod, proč se staví centrifugy ve výcvikových střediscích pro piloty a kosmonauty. 38

Odstředivá síla

Literatura 1. ROSINA J., KOLÁŘOVÁ H., STANEK J.: Biofyzika pro studenty zdravotnických oborů. Praha: Grada Publishing 2006. 2. Odstředivá síla – příručka pro učitele [cit. 8. 11. 2012]. Dostupné z: http://www.sszdra–karvina.cz/bunka/fy/met/mdood.pdf

39

4

5

Biofyzika

5

Biofyzikální aspekty letecké dopravy

5.1

Biofyzikální aspekty letecké dopravy

Ve světě ročně využívají leteckou dopravu miliony lidí. Do popředí se tak dostávají i otázky její zdravotní bezpečnosti. Klinické problémy přinášejí rychlé změny barometrického tlaku, při nichž dochází k  rozpínání nebo naopak ke  kompresi plynů v  tělesných dutinách a  tkáních (např. v  cestovní výšce 2300 m se objem plynů zvětší zhruba o  30 %), co může způsobit problémy zejména u pacientů s chronickým srdečním nebo respiračním selháváním. Nejčastějším problémem rychlých změn tlaku je pocit napětí ve středouší. Typickou fází letu, kdy tyto pocity nastávají, je klesání. Při výstupu totiž vzduch v dutině expanduje, vzniká přetlak a vzduch spontánně uniká Eustachovou trubicí do nosohltanu. Při klesání vzniká ve středoušní dutině podtlak, který není spontánně kompenzován cestou Eustachovy trubice, která funguje jako jednosměrný ventil. Podtlak vede k vpáčení bubínku. Klinickým obrazem je pocit zalehnutí postiženého ucha, pulzující zvuky v uchu, pocit tlaku v uchu, postupně přecházející v intenzivní píchavou bolest, zhoršení kvality sluchu, zavrať a nauzeu (zvracení). Rozdíl tlaků vyrovnáváme aktivními manévry, kterými jsou: polykání, žvýkání, zívání, krouživý pohyb dolní čelistí, nebo Valsalvův manévr (V.m.), kdy vydechujeme proti sevřeným nosním křídlům a uzavřené ústní dutině při uzavřené epiglottis, co vede ke zvýšení nitroústního tlaku a ventilaci Eustachovy trubice směrem do středouší. V.m. je nutné provádět krátce a  intenzivně, je kontraindikován při bakteriálně komplikované rýmě. Cestování letadlem z důvodu rozpětí tlaku vzduchu je kontraindikováno také u osob s pneumothoraxem. Nežádoucí účinky mohou vzniknout u osob s inkarceracemi (uskřinutí) a u stavů po laparotomii do 10. dne (chirurgické otevření dutiny břišní). Nemocní s kolostomií (chirurgicky vytvořený otvor na tlustém střevě; střevo je vyvedeno skrze břišní stěnu a přišito ke kůži) mohou očekávat vydatné a časté vyprazdňování. Snížení tlaku O2 (nižší tlak kyslíku na palubě) může vyvolat nežádoucí účinky u těžkých plicních chorob, např. astmatu, emfyzému (trvalé abnormální rozšíření dýchacích cest distálně od terminálních bronchiolů; je charakterizován úbytkem plicní tkáně) nebo u cystické fibrózy (lidská dědičná nemoc, která postihuje převážně dýchací a trávicí soustavu), u srdečního selhání, u těžké klidové anginy pectoris (srdeční onemocnění, které spočívá ve špatném zásobování srdečního svalu krví, a v důsledku toho kyslíkem; převážně během zátěže pak dochází ke vzniku nepoměru mezi přívodem kyslíku a požadavkem na větší množství kyslíku, který se projevuje ostrou bodavou bolestí nejčastěji v oblasti za hrudní kostí vystřelující do ramen, paží, nebo do spodní čelisti; označuje se jako jedna z forem ischemické choroby srdeční), u kongenitálních srdečních vad, u těžké anémie atd. Takové osoby by během letu měly mít možnost užít kyslík a na jejich přítomnost na palubě je třeba upozornit leteckou společnost. Pacienti po akutním infarktu myokardu by neměli cestovat dříve než za 10 dnů po odeznění akutní fáze. Nemocní léčení inzulinem by měli měnit rytmus aplikace inzulinu. Turbulence vyvolávají závratě, zvracení, pocení. Změny časových pásem přinášejí řadu psychických a biologických stresů. Psychologický stres se projevuje jako klaustrofobie a úzkost, u neurastenických osob se sklonem k hyperventilaci mohou vzniknout křeče. Kardiostimulátory jsou chráněny proti interferenci s bezpečnostními zařízeními, kterými prochází každý cestující. Před letem by mělo být zkontrolováno napětí baterií. U osob s kontaktními čočkami 40

Biofyzikální aspekty letecké dopravy

dochází při malé vlhkosti v kabině k podráždění oka. Při nesprávně provedené výplni sanovaného zubu, obsahující vzduchovou bublinu vzduch expanduje do dřeňové dutiny a vyvolává baroobtíže. Typickou fází letu, při které vznikají tyto potíže, je výstup. Bolest je v postiženém zubu zpočátku nepřesně lokalizovaná, pak intenzivní až šokující.

5.2

Biofyzikální aspekty kosmických letů

Raketová technika umožnila, aby člověk opustil povrch Země a dosáhl dokonce i nejbližšího kosmického tělesa – Měsíce. Kosmický prostor začíná ve výšce 100 km nad povrchem Země. Cesty do kosmu kladou nároky nejen na konstrukci nosných raket, kosmických lodí a  stanic, ale především na  přípravu lidského organizmu pro život v neobvyklých podmínkách spojených s pobytem v kosmickém prostoru. Základní odlišnost spočívá ve  změnách silového působení na  člověka. Nejde jen o  to, že se síla gravitačního působení s  rostoucí vzdáleností od  Země zmenšuje, ale také o  to, že při startu rakety dosahuje silové působení na tělo kosmonauta několikanásobku síly, která na něho působí na Zemi – vzniká přetížení. Dalším jevem, se kterým se při kosmických letech setkáváme, je beztížný stav a jeho působení na lidský organizmus. Přetížení Člověk snáší dobře libovolnou konstantní rychlost – nevnímá např. rychlost pohybu Země kolem Slunce, rovnoměrný pohyb v jedoucím autě, nebo let letadla. Naopak nepříjemně vnímá velkou změnu rychlosti v, a to především ve velmi krátkém časovém intervalu t. Fyzikální veličinou, která charakterizuje změnu rychlosti, je zrychlení a, pro které platí: a=

v . t

Zrychlení rozeznáváme kladné (rychlé zvýšení rychlosti) a záporné (rychlé snížení rychlosti). Se zrychlením a hmotností tělesa souvisí přetížení, které se obvykle vyjadřuje v násobcích normálního tíhového zrychlení g (G). Na povrchu naší planety jsou všechny předměty (i lidské tělo) permanentně vystaveny tíhovému zrychlení g = 9,81 m/s-2 ≈ 10 m/s-2 a jsou přitahování k povrchu Země tíhovou silou FG = m . g. Tato tíhová síla, kterou si, pokud stojíme pevně na Zemi, většinou ani neuvědomujeme, je způsobena právě přetížením o velikosti 1 g (označujeme jej 1 G). Startuje-li raketa svisle vzhůru, sčítá se zrychlení rakety s gravitačním zrychlením. Startuje-li – raketa například se zrychlením 20 m/s-2, činí celkové přetížení 3 G. S tímto přetížením startují a přistávají i americké raketoplány. Lineární zrychlení vzniká změnou rychlosti tělesa bez změny směru jeho pohybu. Radiální  zrychlení je naopak způsobeno rychlou změnou směru pohybu beze změny rychlosti pohybu. Vzniká odstředivá síla, která na nás při této rychle změně pohybu působí. V důsledku zákona akce a reakce vzniká tíhová síla (vyvolaná hmot41

5

5

Biofyzika

ností našeho těla), kterou jsme vtlačováni do sedadla letadla nebo rychle jedoucího automobilu apod. Tab. 4 Zrychlení v letectví Situace

Zrychlení (m . s–2)

Doba trvání zrychlení (s)

vymrštění sedadla katapultem

10–15

0,25

otevření padáku (v různých dobách)

5–33

asi 1

přistání padákem

3–4

velmi krátké

nouzové přistání letadla bez podvozku

až 45

asi 1

start letadla

0,5

10 i více

katapultování pilota ze sedadla

2,4–5

1,5

Z hlediska lidského organizmu a jeho reakce na přetížení je důležitá nejen velikost přetížení, ale i doba působení přetížení. Bez poruchy může organizmus snést poměrně vysoká přetížení, působí-i jen zlomek sekundy, avšak malá přetížení působící dlouhou dobu snáší organizmus hůře. Působí-i menší přetížení delší dobu, dostaví se ztráta vidění a výrazné zhoršení pohybu. Při působení větších sil kratší dobu může dojít k roztržení svalu nebo zlomeninám kostí. Tyto faktory se uplatňují například při katapultování pilota s padákem, musí-li pilot opustit velmi rychle letící letadlo (tab. 4). Vzniká nebezpečí zlomeniny páteře a při náhlém a značném zpomalení (po otevření padáku) poškození srdečního svalu nárazem o hrudní koš, což někdy vede k tzv. pozdní smrti. Po nárazu srdce o hrudní koš může dojít k náhlému zvýšení podráždění myokardu, objevují se poruchy rytmu až fibrilace komor, poruchy převodu vzruchu až zástava srdeční činnosti. Po silném úderu může vzniknout také traumatický infarkt myokardu. Pro účinek přetížení je rozhodující také směr jeho působení. Podle směru působení rozeznáváme: Přetížení kladné podélné vzniká, směřuje-li výsledná síla působící na  člověka od hlavy k nohám, tj. ve směru gravitační síly. Je nejobvyklejším směrem působení přetížení v letadle. Přetížení způsobuje deformaci tělesných orgánů, avšak větší efekt má na cirkulující tělesné tekutiny, především na krev v tepnách. Při přetíženích +2 G převládá pocit těžkých, hůře ovládaných končetin, při přetíženích větších než +5 G dochází k velkému městnání krve v dolních končetinách, tlak v žilách nohou stojící osoby může dosáhnout až 60 kPa (450 mm Hg), žíly značně dilatují, brzdí žilní návrat, zatímco arteriální tlak na úrovni srdce může poklesnout až na 5,3 kPa (40 mm Hg). Tím dochází k nedokrvení mozku, což vede až ke ztrátě vědomí, a nedokrvení sítnice oka má za následek tzv. bílou slepotu (při +4 G až +6 G nastupuje za několik sekund). Při přetíženích větších než +20 G může docházet k  fraktuře obratlů. Proti kladnému podélnému přetížení pomáhá anti-G oděv (podepřená ruka může vykonávat pohyby při +8 G, za použití ochranných manévrů a anti-G oděvu až +18 G. Kladné podélné přetížení, které člověk vydrží v sedě, je +4 G asi 40 až 42

Biofyzikální aspekty letecké dopravy

50 sekund, +20 G asi 1 sekundu (ve stoje méně). Při +4 G se nedaří udržet vzpřímenou polohu, udržet otevřené oči je namáhavé, stejně jako dýchání. Trénink: komprese břicha předklonem a stahem břišních svalů; zvýšení nitrohrudního tlaku. Zjednodušeně se dá kladné přetížení definovat jako síla, která vás tlačí při startu do sedadla letadla. Uvádíme-li například přetížení +2 G, znamená to, že při startu budeme tlačeni do sedačky silou, odpovídající dvojnásobku naší hmotnosti. Můžeme tedy říci, že pokud vážíme 100 kg, naše aktuální hmotnost pří hodnotě +2 G bude činit 200 kg. Pokud je kladné podélné přetížení vysoké, pilot padá do bezvědomí, ze kterého se probírá asi až po  15 sekundách po  ukončení přetížení. Dalších 15 sekund je dezorientovaný a  není schopen vést stroj. Zajímavé je, že si tuto příhodu pilot vůbec nemusí pamatovat! Přesto je jeho psychická výkonnost narušena.

Překvapivě nejlépe snášíme přetížení boční, a to kladné i záporné, směřující od jednoho ramene k druhému. O něco hůře, ale stále poměrně dobře, snášíme přetížení předozadní kladné, působící od čela dozadu za záda. Hlavním problémem tohoto přetížení je jeho působení na hrudník, kdy proti setrvačné síle nejsme schopni hrudník roztáhnout a nadechnout se. I zde může stíhači pomoci systém přetlakového dýchání, kdy mu tlak v dýchacím přístroji pomáhá nadechnout se. V tomto směru snášíme i +12 G bez zásadních obtíží (+17 G snáší trénovaný organizmus až 3 minuty). Konstruktéři stíhaček jsou si této skutečnosti vědomi. To je důvod, proč piloti v moderních stíhačkách (např. F-16) částečně leží, ideální je sklon 18–30 stupňů. Zvyšuje to toleranci až o +3 G, ale za cenu zhoršení viditelnosti dopředu. 

U přetížení zadopředního se přidává problém s končetinami, které nám „ulétnou“ dopředu, jsou k řízení nepoužitelné a může dojít k jejich poranění. Přetížení záporné (snášíme jej nejhůře ze všech typů přetížení) vzniká, směřuje-li výsledná síla působící na člověka od nohou k hlavě, dochází k městnání krve v hlavě. Pocit plnosti a tlaku v hlavě se stupňuje až v nesnesitelnou bolest už při přetížení –2 G. K  tomu se objevuje nesnesitelný tlak za  očima při –3 G, můžeme dokonce krvácet do spojivek (vzniká tzv. červená slepota). Naprostá zmatenost až bezvědomí se objeví při záporném přetížení –4 až –5 G, trvá-li 6 sekund. Je pravděpodobné, že za rychlé smrtící účinky záporného přetížení může nahrnutí krve do mozku, který reaguje přirozenou obrannou reakcí – zpomalením srdečního rytmu až úplnou zástavou srdce. To způsobí nedokysličení mozku s  následným bezvědomím. Záporné přetížení tak skutečně představuje pro lidský organizmus největší nebezpečí. Letadla zvládnou konstrukčně přetížení až 15 G, piloti zvládají bezproblémově přetížení pouze 7 G. Uvádí se, že ke  spolehlivému „ulétnutí“ řízené střele, vystřelené proti letadlu, je zapotřebí dosáhnout přetížení 7 G až 9 G. Právě hodnota 9 G způsobuje tzv. g-lock (ztrátu vědomí). Velmi intenzivní praktický výcvik na centrifuze umožňuje posléze pilotům překonat i tuto překážku. Nebezpečí účinků přetížení na krevní oběh je možné podstatně snížit vhodnou polohou těla kosmonauta. Výhodná je poloha, kdy směr výsledné síly na něho působící svírá s osou jeho těla úhel 18–30o, takže kosmonaut je v kabině umístěn polosedě pololeže. V poloze kolmé na směr této síly by vznikl tlak na hrudník a dýchání by bylo znemožněno.

43

5

5

Biofyzika

Vliv odstředivých sil na krevní oběh a celkový zdravotní stav letce se studuje v pozemských podmínkách ve zvláštních velkých odstředivkách (centrifugách), které dovolují zaznamenat reakce sledované osoby na působení odstředivých sil. Beztížný stav Do „kosmické“ medicíny patří také výzkum působení beztížného stavu na organizmus. Při dosažení oběžné dráhy kolem Země působí na člověka v kosmické lodi vedle tíhové síly stejně velká síla odstředivá, která má opačný směr. Obě síly se navzájem vyrovnají, takže člověk v družici žije v beztížném stavu. Mozek nedostává žádnou informaci o poloze těla ze smyslových receptorů v kůži, ve svalstvu, v kloubech a ve vnitřních orgánech ani z polohového čidla ve vnitřním uchu. Kontrola mozku nad polohou těla je ztížena, částečně je porušena i orientace v prostoru. Z výše uvedeného můžeme jmenovat tři hlavní problémy s „beztíží“: 1. vnímání gravitace (syndrom adaptace na vesmír je „formou mořské nemoci“, vzniká z nesouladu mezi vizuálními, taktilními a gravitačními vjemy). Začíná po hodině až 2 dnech letu, může přetrvávat až 4 dny. Výsledkem je nechutenství, pocení, nevolnost, závratě, zvracení, bolest hlavy, poruchy soustředění. Odeznívá spontánně. 2. přesuny vody (voda se přesunuje zdola nahoru, každá noha ztrácí asi litr tekutiny během prvního dne). Výsledkem je otok obličeje, nosní kongesce, „rýma“ po celou dobu beztíže. Větší objem krve v  hrudníku zvyšuje tepový objem a  srdeční výdej. Ten ale posléze klesá, protože neaktivní svaly ho méně potřebují. Je popisována dehydratace tkání. Normalizace nastupuje během pár týdnů po návratu. Tyto změny se omezují cvičením a zvýšeným příjmem vody. 3. kosti a  svaly. Kosmonauti „povyrostou“, protože na  páteř netlačí nic směrem dolů. Je pozorována ztráta asi 1–1,5 % kostní hmoty (a vápníku) za měsíc po celou dobu letu. Cvičení to nezastaví, jen trochu zpomalí, k zastavení dochází až asi měsíc po návratu. Osteolýza zvyšuje koncentraci Ca2+ v plazmě, to zvyšuje riziko ledvinových kamenů. Svaly atrofují a ubývá v nich cév a nervových zakončení. Tréninkem však lze získat velmi dobrou adaptaci na stav beztíže. Do kosmické medicíny patří také otázky umělé atmosféry a regenerace vzduchu v kosmické lodi, otázky výživy při kosmických letech a dodržování biologického rytmu organizmu. Člověk je zvyklý na střídání dne a noci jednou za 24 hodin, ale při letu družice kolem Země se za tuto dobu den a noc vystřídá 16krát. Důležitá je také ochrana kosmonautů před radioaktivním zářením.

Literatura 1. Mass and balance: 500 questions. Praha: International Wings 2010. 2. ROSINA J., KOLÁŘOVÁ H., STANEK J.: Biofyzika pro studenty zdravotnických oborů. Praha: Grada Publishing 2006.

44

Vnější tlak a organizmus

6

Vnější tlak a organizmus

6.1

Působení vnějšího tlaku na organizmus

Naši Zemi obklopuje mohutná vrstva vzduchu zvaná atmosféra. Působením tíhového pole Země je atmosféra poutána k povrchu Země a s ní také koná otáčivý pohyb. Atmosféra má svoji hmotnost – 1 m3 vzduchu má hmotnost asi 1,29 kg. Hmotnost zemské atmosféry je přibližně 5 157 000 tun. Tato hmotnost atmosféry (vzduchu) má také svou tíhu G, která působí atmosferickou tlakovou sílou na jakékoliv těleso na zemském povrchu. Tlak způsobený atmosférickou tlakovou sílou se nazývá atmosférický tlak pa. Atmosférický tlak můžeme definovat jako sílu Fa (Fa = G), která působí v  daném místě atmosféry kolmo na libovolně orientovanou plochu S jednotkové velikosti; je vyvolán tíhou vzduchového sloupce sahajícího od povrchu země až k horní hranici atmosféry: pa =

Fa S

, nebo také pa =

G , S

kde pa je atmosférický tlak (Pa), Fa je atmosférická tlaková síla (N), G je tíha sloupce vzduchu (N) a S je plocha (m2). Hodnota atmosférického tlaku v  daném místě a  čase závisí na  nadmořské výšce a zeměpisné šířce, na vlhkosti, teplotě a hustotě vzduchu a na povětrnostní situaci. Pro vzájemné porovnávání atmosférického tlaku v různých místech zemského povrchu se používá hodnota atmosférického vzduchu měřeného na hladině moře, která se rovná 101,325 kPa. Celkový tlak vzduchu je podle Daltonova zákona roven součtu parciálních tlaků jednotlivých plynů obsažených ve vzduchu. Hustotu vzduchu lze určit ze stavové rovnice ideálního plynu:

pV = nRT, kde p je tlak (Pa), V je objem (m3), n je látkové množství (počet molů), R = 8,314 J . K–1 . mol–1 je molární plynová konstanta a T je teplota (K) vzduchu. Plynu o hmotnosti m odpovídá látkové množství n = m/Mm, kde Mm je molární hmotnost plynu (hmotnost odpovídající 1 molu látky). Stavovou rovnici můžeme potom upravit na tvar:

pV =

m RT. Mm

Protože je hustota definována vztahem  = m/V [kg . m–3], lze hustotu plynů snadno vypočítat ze znalosti jejich molárních hmotností, nebo naopak určit molární hmotnost látky ze znalosti její hustoty:

=

pMm RT

.

45

6

Toto je pouze náhled elektronické knihy. Zakoupení její plné verze je možné v elektronickém obchodě společnosti eReading.