माध्यमिक जीवविज्ञान · Grades 10–12

8मेहनत के दौरान हृदय और फेफड़े

सीढ़ियों की चार मंज़िलें दौड़कर चढ़िए और ऊपर जाकर रुक जाइए। आपकी छाती हाँफ रही है — बारह की जगह प्रति मिनट चालीस साँसें, और हर साँस तिगुनी गहरी — और आपका हृदय एक सौ सत्तर पर धड़क रहा है। सीढ़ियों ने आपसे यह तय करने को नहीं कहा था; शरीर ने ख़ुद, कुछ ही सेकंड में, यह बंदोबस्त कर लिया, क्योंकि अध्याय 7 वाली पेशियाँ एक मिनट पहले से दस गुना अधिक ऑक्सीजन माँग रही थीं। यह अध्याय उसी पहुँचाने वाली व्यवस्था के बारे में है — फेफड़े, हृदय, रक्त वाहिकाएँ — और इस बारे में कि मेहनत शुरू होते ही उसका उत्पादन कैसे कई गुना कर दिया जाता है।

8.1 संवातन

परिभाषा 8.1 (संवातन)

फुफ्फुसीय संवातन प्रति मिनट फेफड़ों में भीतर और बाहर की गई हवा का आयतन है: एक साँस का आयतन (यानी ज्वारीय आयतन), गुणा प्रति मिनट साँसों की संख्या (यानी श्वसन दर)। विश्राम में लगभग $0.5\,\mathrm{L}$ , प्रति मिनट बारह से पंद्रह बार: $6\text{ to }8\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ । फेफड़ों में हवा क़रीब 30 करोड़ कूपिकाओं तक पहुँचती है, जो केशिकाओं में लिपटी पतली दीवारों वाली थैलियाँ हैं और जहाँ ऑक्सीजन रक्त में जाती है तथा कार्बन डाइऑक्साइड उससे बाहर।

प्रतिज्ञप्ति 8.2 (व्यायाम के दौरान संवातन)

व्यायाम के दौरान ज्वारीय आयतन और दर, दोनों बढ़ते हैं: कोई चुस्त वयस्क प्रति मिनट चालीस बार $2.5\,\mathrm{L}$ साँस ले सकता है, यानी $100\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ या उससे भी अधिक, जो विश्राम के मान का पंद्रह गुना है। यह बढ़त मेहनत के पहले कुछ सेकंड में ही शुरू हो जाती है, रक्त में कोई बदलाव आने से पहले, और फिर खपी जा रही ऑक्सीजन के अनुपात वाले स्तर पर ठहर जाती है।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

एक स्पाइरोग्राम: समय के सापेक्ष फेफड़ों में हवा का आयतन। शांत साँस किसी मध्य-स्तर के इर्द-गिर्द प्रति साँस 0.5\, L हिलाती है; और अधिकतम अंतःश्वसन के बाद अधिकतम निःश्वसन जैव धारिता को पूरा नाप लेता है, जो लगभग 4.5\, L है; जो 1.2\, L कभी बाहर नहीं निकाली जा सकती, वह अवशिष्ट आयतन है। — एक स्पाइरोग्राम: समय के सापेक्ष फेफड़ों में हवा का आयतन। शांत साँस किसी मध्य-स्तर के इर्द-गिर्द प्रति साँस $0.5\,\mathrm{L}$ हिलाती है; और अधिकतम अंतःश्वसन के बाद अधिकतम निःश्वसन जैव धारिता को पूरा नाप लेता है, जो लगभग $4.5\,\mathrm{L}$ है; जो $1.2\,\mathrm{L}$ कभी बाहर नहीं निकाली जा सकती, वह अवशिष्ट आयतन है।

उदाहरण 8.3 (स्पाइरोग्राम पढ़ना)

चित्र में चार साँसें $16\,\mathrm{s}$ लेती हैं: यानी प्रति मिनट 15 साँसें, हर एक $0.5\,\mathrm{L}$ की, यानी $7.5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ । अधिकतम झाड़ू $5.7\,\mathrm{L}$ से नीचे $1.2\,\mathrm{L}$ तक जाता है: यानी $4.5\,\mathrm{L}$ की जैव धारिता। व्यायाम के दौरान $2.5\,\mathrm{L}$ का ज्वारीय आयतन उस धारिता का आधे से अधिक इस्तेमाल कर लेता है, और इसीलिए ज़ोर से साँस लेना वैसा ही महसूस होता है।

फेफड़ों के आयतन नापना: व्यक्ति नाक पर चिमटी लगाकर एक मुखनली से स्पाइरोमीटर में साँस लेता है, और यंत्र हर साँस का आयतन दर्ज करता है।

8.2 हृदय और दोनों परिसंचरण

परिभाषा 8.4 (हृदय-निर्गम)

हृदय चार कक्षों वाला एक दोहरा पंप है। दायाँ हिस्सा अंगों से लौटता रक्त लेता है और उसे फेफड़ों को भेजता है (फुफ्फुसीय परिसंचरण); बायाँ हिस्सा उसे फेफड़ों से वापस लेता है और अंगों को भेजता है (दैहिक परिसंचरण)। कक्षों के बीच और निकास पर लगे कपाट बहाव को एकतरफ़ा बनाए रखते हैं। हृदय-निर्गम $Q$ वह आयतन है जो हर हिस्सा प्रति मिनट पंप करता है: प्रति धड़कन बाहर धकेला गया आयतन, यानी प्रघात आयतन $V_s$ , गुणा हृदय दर $f$ ,

Q = f \times V_s .

विश्राम में प्रति मिनट $70$ धड़कनें, हर एक $70\,\mathrm{mL}$ की: यानी लगभग $5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ — यानी पूरा रक्त-आयतन मिनट में एक बार।

दोहरा परिसंचरण। नीला: ऑक्सीजन में ग़रीब रक्त, जिसे दायाँ हृदय फेफड़ों को पंप करता है। लाल: ऑक्सीजन में धनी रक्त, जिसे बायाँ हृदय अंगों को पंप करता है। दोनों हिस्से साथ-साथ धड़कते हैं और प्रति मिनट वही आयतन पंप करते हैं।

प्रतिज्ञप्ति 8.5 (व्यायाम के दौरान हृदय-निर्गम)

व्यायाम के दौरान हृदय दर दी जा रही शक्ति के साथ बढ़ती है, मोटे तौर पर $220$ में से उम्र के वर्ष घटाकर मिली अधिकतम तक, और प्रघात आयतन भी बढ़ता है — बिना प्रशिक्षण वाले में लगभग आधा और प्रशिक्षित में उससे अधिक। किसी युवा वयस्क का हृदय-निर्गम विश्राम के $5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ से बढ़कर अधिकतम मेहनत पर $20\text{ to }25\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ तक जाता है, और सहनशक्ति के किसी चैंपियन में $35\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ या उससे भी अधिक, जिसका प्रघात आयतन $180\,\mathrm{mL}$ से ऊपर जा सकता है।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

बढ़ती शक्ति पर बीस साल के किसी व्यक्ति की हृदय दर, प्रघात आयतन और हृदय-निर्गम। प्रघात आयतन मध्यम मेहनत पर ही ठहर जाता है; उससे ऊपर निर्गम अकेली दर के बल पर बढ़ता है, और दर ख़ुद 220 - 20 = 200 के पास ठहर जाती है। — बढ़ती शक्ति पर बीस साल के किसी व्यक्ति की हृदय दर, प्रघात आयतन और हृदय-निर्गम। प्रघात आयतन मध्यम मेहनत पर ही ठहर जाता है; उससे ऊपर निर्गम अकेली दर के बल पर बढ़ता है, और दर ख़ुद $220 - 20 = 200$ के पास ठहर जाती है।

उदाहरण 8.6 ( $200\,\mathrm{W}$ पर निर्गम)

चित्र से: प्रति मिनट $f = 170$ , $V_s = 115\,\mathrm{mL}$ , इसलिए $Q = 170 \times 0.115 \approx 19.6\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ : यानी विश्राम के निर्गम का चार गुना। हृदय शरीर का पूरा रक्त-आयतन प्रति मिनट चार बार हिला रहा है।

8.3 रक्त वहाँ पहुँचाना जहाँ उसकी ज़रूरत है

प्रतिज्ञप्ति 8.7 (रक्त-प्रवाह का पुनर्वितरण)

विश्राम में पेशियों को हृदय-निर्गम का लगभग पाँचवाँ हिस्सा मिलता है; और आँत, यकृत तथा गुर्दे आधा ले जाते हैं। भारी व्यायाम के दौरान काम करती पेशियों की छोटी धमनियाँ चौड़ी हो जाती हैं और आँत तथा गुर्दों की सँकरी: तब पेशियों को उस निर्गम का चार-पाँचवें से अधिक मिलता है जो ख़ुद चौगुना हो चुका है — यानी $1\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ की जगह क़रीब $20\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ , बीस गुना अधिक। मस्तिष्क का हिस्सा निरपेक्ष रूप में वही बना रहता है, और त्वचा का हिस्सा ऊष्मा बाहर ले जाने के लिए बढ़ जाता है।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

हृदय-निर्गम जाता कहाँ है, विश्राम में (5\, L/ min) और अधिकतम व्यायाम पर (24\, L/ min)। पेशियों का हिस्सा पाँचवें से बढ़कर चार-पाँचवें से ऊपर चला जाता है; और मस्तिष्क अपने 0.75\, L/ min पूरे समय बनाए रखता है। — हृदय-निर्गम जाता कहाँ है, विश्राम में ( $5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ) और अधिकतम व्यायाम पर ( $24\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ )। पेशियों का हिस्सा पाँचवें से बढ़कर चार-पाँचवें से ऊपर चला जाता है; और मस्तिष्क अपने $0.75\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ पूरे समय बनाए रखता है।

प्रतिज्ञप्ति 8.8 (ऑक्सीजन पहुँचाना और निकालना)

धमनी के रक्त का हर लीटर लगभग $200\,\mathrm{mL}$ ऑक्सीजन ढोता है, और उसका लगभग पूरा हिस्सा लाल रक्त कोशिकाओं के हीमोग्लोबिन से बँधा रहता है। विश्राम में अंग हर लीटर में से लगभग $50\,\mathrm{mL}$ निकाल लेते हैं; और व्यायाम के दौरान काम करती पेशियाँ $150\,\mathrm{mL}$ तक निकालती हैं, यानी तीन गुना अधिक। प्रति मिनट खपी ऑक्सीजन हृदय-निर्गम गुणा प्रति लीटर निकाली गई मात्रा है — इसलिए निर्गम की पाँच गुनी बढ़त और निष्कर्षण की तीन गुनी बढ़त मिलकर अध्याय 7 वाली ऑक्सीजन-खपत की पंद्रह गुनी बढ़त दे देती हैं।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

उदाहरण 8.9 (ऑक्सीजन का बजट जाँचा गया)

विश्राम: $5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ $\times$ $50\,\mathrm{mL}/\mathrm{L}$ $= 250\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ , यानी विश्राम की खपत। प्रशिक्षित विद्यार्थी की अधिकतम मेहनत: $23\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ $\times$ $150\,\mathrm{mL}/\mathrm{L}$ $= 3.45\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ — यानी $69\,\mathrm{kg}$ के लिए प्रति किलोग्राम $50\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ की अधिकतम $\dot V\!\mathrm{O_2}$ , ठीक पिछले अध्याय वाला आँकड़ा।

8.4 यह जवाब नियंत्रित कैसे होता है

प्रतिज्ञप्ति 8.10 (तंत्रिका और हॉर्मोन का नियंत्रण)

हृदय और साँस की पेशियाँ मस्तिष्क के आधार में बसे तंत्रिका केंद्रों से चलती हैं। हृदय तक तंत्रिकाओं के दो जत्थे पहुँचते हैं: एक उसे धीमा करता है और विश्राम में सक्रिय रहता है; दूसरा उसे तेज़ करता है और हर धड़कन को ज़ोरदार बनाता है। व्यायाम की शुरुआत में मस्तिष्क का पेशियों को दिया गया आदेश इन केंद्रों तक भी पहुँचा दिया जाता है — हृदय एक-दो धड़कन में ही तेज़ हो जाता है — और पेशियों तथा संधियों के संवेदक उस हलचल की ख़बर देते हैं। फिर, जैसे-जैसे व्यायाम चलता रहता है, धमनियों के संवेदक रक्त की कार्बन डाइऑक्साइड और अम्लता नापते हैं और संवातन तथा हृदय दर को इस तरह समायोजित करते हैं कि वे विश्राम वाले मानों के पास बने रहें। अधिवृक्क ग्रंथियाँ इसमें एड्रीनैलिन हॉर्मोन जोड़ देती हैं, जो उस तेज़ी को और पक्का करता है और पेशियों की धमनियों को चौड़ा कर देता है।

साक्ष्य. किसी जंतु की धीमा करने वाली तंत्रिका काट देने पर उसकी विश्राम की हृदय दर 70 से बढ़कर लगभग 100 हो जाती है; और उसे उद्दीप्त करने पर हृदय रुक जाता है। तेज़ करने वाली तंत्रिका को उद्दीप्त करने से दर दोगुनी हो जाती है। जिस व्यक्ति से कहा जाए कि अभी मेहनत करनी है, उसकी हृदय दर हिलने से पहले ही चढ़ने लगती है; कार्बन डाइऑक्साइड से भरपूर हवा में साँस लेता व्यक्ति एक मिनट के भीतर संवातन बढ़ा देता है; और जिस व्यक्ति के रक्त की कार्बन डाइऑक्साइड व्यायाम के दौरान कृत्रिम रूप से स्थिर रखी जाए वह भी हिलने की शुरुआत में उसे बढ़ा देता है — यानी दोनों क्रियाविधियाँ, पहले से अंदाज़ा और बाद में सुधार, दोनों असली हैं। ∎

विधि 8.11 (ऑक्सीजन के पहुँचने की गणना)

संवातन: ज्वारीय आयतन $\times$ दर। हर साँस का केवल लगभग 70% ही कूपिकाओं तक पहुँचता है; बाक़ी वायुमार्ग भर देता है।
हृदय-निर्गम: $Q = f \times V_s$ , और यदि $V_s$ लीटर में हो तो निर्गम लीटर प्रति मिनट में।
प्रति मिनट खपी ऑक्सीजन: $Q \times$ (रक्त के प्रति लीटर निकाली गई ऑक्सीजन)।
किसी अंग तक प्रवाह: $Q$ में उसका हिस्सा। हिस्सों की नहीं, निरपेक्ष प्रवाहों की तुलना कीजिए — किसी बड़े निर्गम का छोटा हिस्सा अधिक रक्त हो सकता है।
जाँचिए: खपत अधिकतम $\dot V\!\mathrm{O_2}$ से ऊपर नहीं जा सकती, और $f$ लगभग $220 -$ उम्र से ऊपर नहीं।

टिप्पणी 8.12 (सीमा है कहाँ)

संवातन $150\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ के पार जा सकता है, और अधिकतम मेहनत पर भी फेफड़ों से निकलता रक्त लगभग संतृप्त ही रहता है: यानी अड़चन फेफड़े नहीं हैं। प्रघात आयतन है: वही तय करता है कि हर धड़कन कितना रक्त, और इसलिए कितनी ऑक्सीजन, पहुँचाती है। सहनशक्ति का प्रशिक्षण हृदय और उसका प्रघात आयतन बड़ा कर देता है — और इसीलिए प्रशिक्षित हृदय विश्राम में उन्हीं $5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ के लिए 70 की जगह 45 पर धड़कता है, और इसीलिए प्रशिक्षण के साथ अधिकतम $\dot V\!\mathrm{O_2}$ बढ़ती है।

8.5 अभ्यास

अभ्यास 8.1 ★

प्रति मिनट चौदह बार $0.6\,\mathrm{L}$ साँस लेते व्यक्ति का संवातन निकालिए; फिर उसी व्यक्ति का, जब वह प्रति मिनट पैंतीस बार $2.2\,\mathrm{L}$ साँस ले रहा हो।

हल

हल — अभ्यास 8.1.

$0.6 \times 14 = 8.4\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ; $2.2 \times 35 = 77\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ।

अभ्यास 8.2 ★

हृदय-निर्गम की परिभाषा और सूत्र दीजिए। प्रति मिनट 65 की हृदय दर और $75\,\mathrm{mL}$ के प्रघात आयतन के लिए उसे निकालिए।

हल

हल — अभ्यास 8.2.

हृदय के एक हिस्से से प्रति मिनट पंप किए गए रक्त का आयतन: $Q = f \times V_s$ । $65 \times 0.075 \approx 4.9\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ।

अभ्यास 8.3 ★

दाएँ अलिंद से चलकर दाएँ अलिंद तक लौटती किसी लाल रक्त कोशिका का रास्ता बताइए, और कक्षों तथा दोनों परिसंचरणों के नाम भी।

हल

हल — अभ्यास 8.3.

दायाँ अलिंद, दायाँ निलय, फुफ्फुसीय धमनी, फेफड़े (फुफ्फुसीय परिसंचरण), फुफ्फुसीय शिराएँ, बायाँ अलिंद, बायाँ निलय, महाधमनी, अंग (दैहिक परिसंचरण), शिराएँ, दायाँ अलिंद।

अभ्यास 8.4 ★

स्पाइरोग्राम वाले चित्र से ज्वारीय आयतन, जैव धारिता और अवशिष्ट आयतन बताइए।

हल

हल — अभ्यास 8.4.

ज्वारीय आयतन $0.5\,\mathrm{L}$ ; जैव धारिता $4.5\,\mathrm{L}$ ; अवशिष्ट आयतन $1.2\,\mathrm{L}$ ।

अभ्यास 8.5 ★

16 साल के व्यक्ति की अधिकतम हृदय दर क्या है? और 60 साल के व्यक्ति की?

हल

हल — अभ्यास 8.5.

प्रति मिनट लगभग $220 - 16 = 204$ और $220 - 60 = 160$ धड़कनें।

अभ्यास 8.6 ★★

हृदय दर वाले चित्र से $100\,\mathrm{W}$ और $300\,\mathrm{W}$ पर हृदय-निर्गम निकालिए, और दोनों के बीच का गुणक भी।

हल

हल — अभ्यास 8.6.

$100\,\mathrm{W}$ : $120 \times 0.105 \approx 12.6\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ; $300\,\mathrm{W}$ : $198 \times 0.115 \approx 22.8\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ; यानी 1.8 का गुणक।

अभ्यास 8.7 ★★

विश्राम में आँत और गुर्दों को $5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ का 50% मिलता है; अधिकतम व्यायाम पर $24\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ का 4%। दोनों प्रवाह निकालिए। अधिक क्या बदलता है, हिस्सा या निरपेक्ष प्रवाह?

हल

हल — अभ्यास 8.7.

विश्राम: $2.5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ; व्यायाम: $0.04 \times 24 \approx 1.0\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ । हिस्सा बारह गुना गिरता है, पर निरपेक्ष प्रवाह केवल 2.6 गुना, क्योंकि निर्गम ख़ुद बढ़ चुका है।

अभ्यास 8.8 ★★

किसी व्यक्ति का हृदय-निर्गम $18\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ है और उसकी पेशियाँ प्रति लीटर $140\,\mathrm{mL}$ ऑक्सीजन निकालती हैं। उसकी ऑक्सीजन-खपत निकालिए। क्या वह किसी प्रशिक्षित विद्यार्थी की छत के पास है?

हल

हल — अभ्यास 8.8.

$18 \times 0.14 = 2.5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ : यानी किसी प्रशिक्षित विद्यार्थी के $3.45\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ का लगभग तीन-चौथाई — छोटे क़द के व्यक्ति के लिए उसके पास ही।

अभ्यास 8.9 ★★

व्यायाम के दौरान मस्तिष्क का रक्त-प्रवाह $0.75\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ पर क्यों बना रहता है, जबकि आँत का दो-तिहाई काट दिया जाता है? सोचिए कि कौन-सा अंग क्या सह सकता है।

हल

हल — अभ्यास 8.9.

मस्तिष्क ऑक्सीजन और ग्लूकोज़ के बिना कुछ सेकंड भी नहीं सह सकता, इसलिए उसकी आपूर्ति बचाकर रखी जाती है। आँत और गुर्दे पाचन तथा छनाई को घंटे भर बिना नुक़सान के टाल सकते हैं, और उनका हिस्सा पेशियों को उधार दे दिया जाता है।

अभ्यास 8.10 ★★

किसी प्रशिक्षित साइकिल-सवार की विश्राम की हृदय दर 42 है और विश्राम का निर्गम $5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ । उसका प्रघात आयतन निकालिए और बिना प्रशिक्षण वाले व्यक्ति से तुलना कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 8.10.

$V_s = 5000/42 \approx 120\,\mathrm{mL}$ , जबकि दूसरे में लगभग $70\,\mathrm{mL}$ : उसका बड़ा हुआ हृदय विश्राम का निर्गम कहीं कम धड़कनों में पहुँचा देता है।

अभ्यास 8.11 ★★

समझाइए कि हृदय दर किसी दौड़ के पहले क़दम से पहले ही क्यों चढ़ने लगती है, और उस धावक का क्या होता जिसका नियंत्रण केवल रक्त की कार्बन डाइऑक्साइड भाँपकर चलता।

हल

हल — अभ्यास 8.11.

हिलने का मस्तिष्क का आदेश, और मेहनत का उसका पहले से अंदाज़ा, पेशियों के काम शुरू करने से पहले ही हृदय-केंद्रों और अधिवृक्क ग्रंथियों तक भेज दिए जाते हैं। जो धावक केवल कार्बन डाइऑक्साइड भाँपने के भरोसे होता, वह विश्राम के निर्गम से शुरू करता, पहला मिनट किण्वन पर दौड़ता, और आपूर्ति के पकड़ने से पहले ही लैक्टिक अम्ल उसे धीमा कर देता।

अभ्यास 8.12 ★★★

दो व्यक्ति एक ही अधिकतम हृदय दर 195 तक पहुँचते हैं। एक का अधिकतम प्रघात आयतन $110\,\mathrm{mL}$ है, दूसरे का $160\,\mathrm{mL}$ । $150\,\mathrm{mL}/\mathrm{L}$ के एक ही ऑक्सीजन-निष्कर्षण के साथ उनकी अधिकतम ऑक्सीजन-खपत निकालिए, और बताइए कि टिप्पणी 8.12 उनके प्रशिक्षण के इतिहास के बारे में क्या भविष्यवाणी करता है।

हल

हल — अभ्यास 8.12.

$195 \times 0.110 \times 0.150 \approx 3.2\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ और $195 \times 0.160 \times 0.150 \approx 4.7\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ । प्रघात आयतन ही वह चीज़ है जिसे प्रशिक्षण बड़ा करता है: इसलिए दूसरा व्यक्ति सहनशक्ति का प्रशिक्षित है।

अभ्यास 8.13 ★★★

हवा 21% ऑक्सीजन है। कोई व्यक्ति अधिकतम मेहनत पर $100\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ संवातन करती है और $3.5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ऑक्सीजन खपाती है। वह साँस में ली गई ऑक्सीजन का कितना अंश असल में इस्तेमाल करती है? बाक़ी का क्या होता है?

हल

हल — अभ्यास 8.13.

साँस में ली गई ऑक्सीजन: $0.21 \times 100 = 21\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ; इस्तेमाल हुई: $3.5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ , यानी 17%। बाक़ी दोबारा बाहर छोड़ दी जाती है — छोड़ी गई हवा में अब भी लगभग 16% ऑक्सीजन रहती है, और इसीलिए मुँह से मुँह में साँस देना काम करता है।

अभ्यास 8.14 ★★★

कोई दवा तेज़ करने वाली तंत्रिकाओं और हृदय पर एड्रीनैलिन के असर को रोक देती है, और हृदय दर को 110 तक सीमित कर देती है। अधिकतम मेहनत पर हृदय-निर्गम पर, अधिकतम $\dot V\!\mathrm{O_2}$ पर, और रोगी जो कुछ कर सकता है उस पर उसके असर का अनुमान लगाइए।

हल

हल — अभ्यास 8.14.

निर्गम ज़्यादा से ज़्यादा 24 की जगह लगभग $110 \times 0.12 \approx 13\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ : यानी अधिकतम $\dot V\!\mathrm{O_2}$ लगभग आधी गिरकर क़रीब $2\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ रह जाती है। रोगी हल्की चाल से चल और साइकिल चला सकता है, पर कोई कड़ी मेहनत टिका नहीं सकता।

अभ्यास 8.15 ★★★

अधिक ऊँचाई पर किसी व्यक्ति के धमनी रक्त में प्रति लीटर $200$ की जगह $150\,\mathrm{mL}$ ऑक्सीजन है। वही अधिकतम हृदय-निर्गम और पहुँचाई गई ऑक्सीजन के 75% के वही निष्कर्षण के साथ अधिकतम $\dot V\!\mathrm{O_2}$ की हानि प्रतिशत में निकालिए। अगले हफ़्तों में शरीर जो एक अनुकूलन करता है, वह सुझाइए।

हल

हल — अभ्यास 8.15.

प्रति लीटर पहुँचाई गई ऑक्सीजन चौथाई भर घट गई, और निष्कर्षण अनुपात में अनबदला: इसलिए अधिकतम $\dot V\!\mathrm{O_2}$ 25% गिरती है। अगले हफ़्तों में शरीर अधिक लाल रक्त कोशिकाएँ बनाता है और प्रति लीटर ढोई गई ऑक्सीजन को दोबारा $200\,\mathrm{mL}$ की ओर ले जाता है।

8.6 समस्या: व्यायाम-परीक्षण

समस्या 8.1

सप्ताहांत समस्या — किसी हृदय-रोग विशेषज्ञ का व्यायाम-परीक्षण: बढ़ती शक्ति पर नापी गई हृदय दर, प्रघात आयतन, संवातन और ऑक्सीजन-निष्कर्षण, और वे मिलकर जो गुणा करते हैं

17 साल का टॉम, द्रव्यमान $68\,\mathrm{kg}$ , प्रयोगशाला की साइकिल पर पैडल मारता है, जबकि उसकी हृदय दर, संवातन और छोड़ी गई हवा दर्ज की जाती है। नतीजे:

शक्ति ( $\mathrm{W}$ )	0	75	150	225	300
हृदय दर (प्रति मिनट)	62	105	140	175	198
प्रघात आयतन ( $\mathrm{mL}$ )	72	100	116	120	120
ज्वारीय आयतन ( $\mathrm{L}$ )	0.5	1.2	1.8	2.3	2.6
साँसें प्रति मिनट	13	18	24	32	44
रक्त के प्रति लीटर निकाली $\mathrm{O_2}$ ( $\mathrm{mL}$ )	52	90	120	145	155

भाग I — हृदय।

हर शक्ति पर टॉम का हृदय-निर्गम निकालिए।
$300\,\mathrm{W}$ पर निर्गम कितने गुना बढ़ चुका है? उस गुणक का कितना हिस्सा दर से आता है और कितना प्रघात आयतन से?
किस शक्ति से ऊपर प्रघात आयतन बढ़ना बंद कर देता है? उससे आगे निर्गम अकेले किससे बढ़ता है?
टॉम की अधिकतम हृदय दर की तुलना अँगूठे के नियम से कीजिए।
उसका विश्राम का निर्गम लगभग $4.5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ है। यदि उसका रक्त-आयतन $5\,\mathrm{L}$ हो, तो विश्राम में और $300\,\mathrm{W}$ पर एक पूरा चक्कर कितने समय में पूरा होता है?

भाग II — फेफड़े।

हर शक्ति पर संवातन निकालिए।
$300\,\mathrm{W}$ पर वह कितने गुना बढ़ चुका है? दोनों कारकों में से, आयतन या दर, कौन अधिक योगदान देता है?
टॉम की जैव धारिता $5.0\,\mathrm{L}$ है। $300\,\mathrm{W}$ पर हर साँस उसका कितना अंश इस्तेमाल करती है?
संवातन हृदय-निर्गम से बड़े गुणक में बढ़ा। तो क्या इसका मतलब है कि फेफड़े प्रदर्शन को सीमित करते हैं? टिप्पणी 8.12 की मदद लीजिए।
हर साँस का केवल 70% कूपिकाओं तक पहुँचता है। विश्राम में और $300\,\mathrm{W}$ पर कूपिकीय संवातन निकालिए।

भाग III — ऑक्सीजन।

हृदय-निर्गम और प्रति लीटर निकाली गई ऑक्सीजन से हर शक्ति पर टॉम की ऑक्सीजन-खपत निकालिए।
$300\,\mathrm{W}$ वाला मान प्रति किलोग्राम मिलीलीटर प्रति मिनट में लिखिए। क्या यह कोई अधिकतम $\dot V\!\mathrm{O_2}$ है, और किस क़िस्म के व्यक्ति की?
विश्राम से $300\,\mathrm{W}$ तक खपत कितने गुना बढ़ी? उसे हृदय वाले गुणक और निष्कर्षण वाले गुणक में बाँटिए।
प्रति लीटर ऑक्सीजन $20\,\mathrm{kJ}$ लेते हुए $300\,\mathrm{W}$ पर उपापचयी शक्ति और पेशियों की दक्षता निकालिए (यांत्रिक शक्ति बटा विश्राम से ऊपर की उपापचयी शक्ति)।
यांत्रिक शक्ति के सापेक्ष ऑक्सीजन-खपत का आलेख खींचिए, या उसका वर्णन कीजिए। क्या वह रैखिक है? छत कहाँ है?

भाग IV — नियंत्रण और फ़ैसला।

परीक्षण शुरू होने के इंतज़ार में बैठे-बैठे ही टॉम की हृदय दर 75 पहुँच गई थी। समझाइए।
$300\,\mathrm{W}$ पर उसका धमनी रक्त अब भी ऑक्सीजन से 95% संतृप्त है। इससे कूपिकाओं के आदान-प्रदान के बारे में, और उसकी अधिकतम $\dot V\!\mathrm{O_2}$ की सीमा कहाँ है इस बारे में, क्या पता चलता है?
हृदय-रोग विशेषज्ञ नोट करता है कि पेशियों को अब लगभग $20\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ रक्त मिल रहा है। यह निर्गम का कितना अंश है, और विश्राम के बँटवारे का बाक़ी हिस्सा कहाँ गया?
छह महीने के प्रशिक्षण के बाद टॉम का अधिकतम प्रघात आयतन उसी अधिकतम दर और उसी निष्कर्षण पर $140\,\mathrm{mL}$ है। उसकी नई अधिकतम $\dot V\!\mathrm{O_2}$ निकालिए।
परिणाम लिखिए: वे तीन संख्याएँ (हृदय, निष्कर्षण, संवातन) जिनसे टॉम के शरीर ने विश्राम की अपनी ऑक्सीजन-आपूर्ति को गुणा किया, और उनमें से वह एक जिसे प्रशिक्षण ने बदला।

हल

हल — समस्या 8.1.

1. $62 \times 0.072 \approx 4.5$ ; $105 \times 0.100 = 10.5$ ; $140 \times 0.116 \approx 16.2$ ; $175 \times 0.120 = 21.0$ ; $198 \times 0.120 \approx 23.8\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ।

2. $23.8/4.5 \approx 5.3$ : दर का योगदान $198/62 \approx 3.2$ , प्रघात आयतन का $120/72 \approx 1.7$ , और $3.2 \times 1.7 \approx 5.3$ ।

3. लगभग $225\,\mathrm{W}$ से ऊपर प्रघात आयतन $120\,\mathrm{mL}$ पर ही टिका रहता है; उसके आगे निर्गम केवल हृदय दर बढ़ाती है।

4. $220 - 17 = 203$ : उसका 198 इस नियम की यथार्थता के भीतर है।

5. $5/4.5 \approx 1.1\,\mathrm{min}$ , यानी लगभग $67\,\mathrm{s}$ ; और $300\,\mathrm{W}$ पर $5/23.8 \approx 0.21\,\mathrm{min}$ , यानी लगभग $13\,\mathrm{s}$ ।

6. $0.5 \times 13 = 6.5$ ; $1.2 \times 18 = 21.6$ ; $1.8 \times 24 = 43.2$ ; $2.3 \times 32 = 73.6$ ; $2.6 \times 44 \approx 114\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ।

7. $114/6.5 \approx 18$ : ज्वारीय आयतन 5.2 गुना बढ़ा और दर 3.4 गुना; यानी आयतन का योगदान अधिक है।

8. प्रति साँस जैव धारिता का $2.6/5.0 = 52\%$ ।

9. नहीं: संवातन के पास बड़ा भंडार है और फेफड़ों से निकलता रक्त संतृप्त ही बना रहता है। सीमा हृदय का प्रघात आयतन है, जो तय करता है कि हर धड़कन कितनी ऑक्सीजन पहुँचाती है।

10. $0.7 \times 6.5 \approx 4.6\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ और $0.7 \times 114 \approx 80\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ।

11. $4.5 \times 0.052 \approx 0.23$ ; $10.5 \times 0.090 \approx 0.95$ ; $16.2 \times 0.120 \approx 1.94$ ; $21.0 \times 0.145 \approx 3.05$ ; $23.8 \times 0.155 \approx 3.7\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ।

12. प्रति किलोग्राम $3700/68 \approx 54\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ । दर अपनी अधिकतम पर पहुँच चुकी है और 225 से $300\,\mathrm{W}$ तक की बढ़त छोटी है: यानी यही उसकी अधिकतम $\dot V\!\mathrm{O_2}$ है, किसी चुस्त, प्रशिक्षित विद्यार्थी वाली।

13. $3.7/0.23 \approx 16$ : यानी हृदय का 5.3 का गुणक, गुणा निष्कर्षण का $155/52 \approx 3.0$ ।

14. प्रति मिनट $3.7 \times 20 = 74\,\mathrm{kJ}$ , यानी लगभग $1230\,\mathrm{W}$ ; विश्राम में $0.23 \times 20/60 \approx 77\,\mathrm{W}$ ; विश्राम से ऊपर लगभग $1150\,\mathrm{W}$ , इसलिए दक्षता $300/1150 \approx 26\%$ ।

15. 0 से $225\,\mathrm{W}$ के बीच $0.23$ से $3.05\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ तक मोटे तौर पर एक सीधी रेखा, और फिर मुड़ती हुई: आख़िरी $75\,\mathrm{W}$ केवल $0.65\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ जोड़ते हैं। छत लगभग $3.7\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ है।

16. पहले से अंदाज़ा: मेहनत की मस्तिष्क की अपेक्षा हृदय-केंद्रों और अधिवृक्क ग्रंथियों तक पहुँचा दी जाती है, जिससे दर किसी हलचल से पहले ही चढ़ जाती है।

17. कूपिकाएँ अधिकतम संवातन और निर्गम पर भी रक्त को पूरी तरह ऑक्सीजन दे देती हैं; यानी फेफड़े सीमा नहीं हैं। सीमा वह रक्त है जितना हृदय प्रति मिनट भेज सकता है।

18. $20/23.8 \approx 84\%$ । आँत और गुर्दे, जो विश्राम के निर्गम का आधा ले जाते थे, अब लगभग $1\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ पाते हैं; उनकी धमनियाँ सँकरी हो गई हैं और प्रवाह पेशियों की ओर मोड़ दिया गया है।

19. $198 \times 0.140 \times 0.155 \approx 4.3\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ , यानी प्रति किलोग्राम लगभग $63\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ ।

20. हृदय-निर्गम 5.3 गुना, ऑक्सीजन-निष्कर्षण 3 गुना और संवातन 18 गुना; और प्रशिक्षण ने हृदय का प्रघात आयतन बदला, तथा उसके साथ वह छत भी।

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