TUGAS BIOFISIKA UMUM

BUKAN SEKEDAR ‘GELEMBUNG’

Makalah Biofisika Umum

Oleh

Kelompok 2

Layyinah Ayu S        G84100015

Habib Vio Nanda      G84100054

Yuli Capriyanti         G84100066

DEPARTEMEN BIOKIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

2011

A.     PENDAHULUAN

            Paru – paru merupakan organ vital bagi manusia. Dengan menggunakan paru – paru, manusia melakukan proses respirasi untuk memasukkan dan mengeluarkan udara.

            Ada bagian kecil dan sangat penting pada paru yang bernama alveoli. Di sini lah terjadi proses pertukaran oksigen dengan karbondioksida. Proses ini telah dirancang sedemikian rupa sehingga proses respirasi dapat berjalan dengan baik.

            Tetapi ada beberapa penyakit/kelainan yang terjadi karena kekacauan pada rongga alveoli. Contohnya adalah atelektasis dan kematian yang terjadi pada bayi baru lahir saat pertama kali bernapas. Kedua contoh tersebut disebabkan oleh hal yang sama, yaitu ketidakefektifan pertukaran gas pada alveoli dan tidak adanya surfaktan (lipoprotein) yang mengatur perubahan ukuran alveoli.

            Proses yang terjadi pada alveoli saat pertukaran udara dapat dijelaskan dengan pendekatan fisika sehingga dapat diukur tekanan dan volume udaranya. Makalah ini ditulis untuk mempelajari cara kerja alveolus dalam sistem pernapasan dengan pendekatan fisika. Juga untuk menjelaskan teknik yang dipakai oleh alveoli untuk mengatasi masalah yang biasa muncul pada gelembung yang terhubung satu sama lain dan tegangan permukaan yang terlalu tinggi.

B.     ISI

1.        BIOFISIKA

            Biofisika merupakan studi interdisipliner yang mempelajari fenomena – fenomena dan masalah – masalah biologis dengan metode, prinsip, teknik, dan pendekatan fisika. Yang dipelajari dalam cabang ilmu biofisika adalah semua level organisasi biologis, dari tingkat molekuler sampai tingkat ekosistem. Biofisika mempunyai hubungan yang saling melengkapi dengan biokimia, nanoteknologi, bioengineering, agrofisik, dan biosistem. Biofisika sendiri dikenal sebagai jembatan penghubung antara biologi dan fisika (White 1974).

            Dalam ilmu dasar fisika, telah dipelajari tentang fluida. Baik itu fluida statis maupun dinamis. Fluida (zat alir) adalah zat yang dapat mengalir misalnya zat cair dan gas. Fluida memiliki sifat tidak menolak perubahan bentuk dan kemampuan mengalir. sifat ini dikarenakan tidak dapat mengadakan tegangan geser dalam ekuilibrium statis. Konsekuensi dari sifat ini adalah Hukum Pascal yang menekankan pentingnya tegangan dalam mengarakteristisasi bentuk fluid. Sehingga fluida adalah zat yang mampu terdeformasi secara berkesinambungan dengan mudah walaupun hanya diberi tegangan geser sedikit (Cameron 1999).

            Fluida statis yaitu materi yang mempelajari tentang fluida yang tetap berdiam di tempatnya dan tak ada yang bergerak atau berpindah. Sedangkan fluida dinamis adalah materi yang mempelajari fluida yang sedang bergerak. 

            Di dalam tubuh terdapat fluida yang tetap maupun yang bergerak. Fluida ini biasanya mengisi bagian atau rongga tertentu dalam tubuh. Kebanyakan sebagai zat pengisi dalam sel (sitoplasma), tetapi ada juga yang mengisi rongga alveoli pada paru – paru. Cairan yang mengisi alveolus tentu saja mempunyai tegangan permukaan tertentu seperti fluida lain (Gabriel 1988).

Tegangan permukaan adalah gaya persatuan panjang yang harus dikerjakan sejajar permukaan untuk mengimbangi gaya tarikan ke dalam pada cairan (White 1974).

2.         SISTEM PERNAPASAN

Sebagai makhluk hidup, manusia melakukan respirasi untuk mengubah oksigen menjadi energi. Sebelum terjadi respirasi sel, manusia melakukan proses bernama proses bernapas yaitu proses memasukkan zat yang akan digunakan untuk respirasi sel dan mengeluarkan zat sisa hasil respirasi sel melalui alat pernapasan.

(Anonim 2000)

            Sistem pernapasan berperan penting untuk mengatur pertukaran antara oksigen dan karbondioksida antara udara dan darah. Untuk melakukan pertukaran gas, sistem kardiovaskular dan sistem respirasi harus bekerja sama. Sistem kardiovaskular bertanggung jawab untuk perfusi darah melalui paru. Sistem pernapasan melakukan dua tugas yang terpisah: ventilasi dan respirasi.

Alat pernapasan pada manusia secara garis besar berurutan dari luar adalah hidung, pangkal tenggorok (laring), batang tenggorok (trakea), cabang batang tenggorok (bronkus), dan paru – paru. Di dalam paru – paru terdapat bagian kecil yang sangat banyak dan berbentuk seperti buah anggur. Bagian ini berongga – rongga sehingga memungkinkan menampung udara cukup banyak. Inilah yang disebut dengan alveolus (Anonim 2000).

3.         RESPIRASI

Respirasi adalah difusi gas antara alveolus dengan kapiler darah. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi respirasi. Kecepatan difusi gas ditentukan dengan persamaan . Dimana D adalah kecepatan difusi, X_a adalah konsentrasi gas dalam alveolus,  X_c adalah konsentrasi gas dalam kapiler, SA adalah luas permukaan yang tersedia untuk difusi, T adalah suhu larutan, d adalah jarak yang harus ditempuh difusi, seangkan k adalah konstanta fisika yang memperhitungkan karakteristik non-variabel gas (Cameron 1999).

4.         ALVEOLUS

 Salah satu unit fungsional paru adalah alveoli. Ada lebih dari seribu alveoli di tiap paru – paru. Alveoli adalah kantong kecil berisi udara yang melakukan difusi oksigen, karbondiksida, dan gas lainnya.

Jumlah alveoli yang sangat banyak pada masing – masing paru – paru menjamin ketersedian area yang cukup untuk difusi gas. Jika aliran udara masuk ke dalam alveoli terhambat, alveoli akan kolaps dan tidak mampu melakukan pertukaran gas. Jika pertukaran gas terhambat, individu bisa mengalami hipoksia atau tidak sadar, bahkan kematian (Shier 2007).

5.         SURFAKTAN

Sel – sel tertentu dalam alveolus yang disebut sel alveolus tipe II memproduksi suatu cairan penting yang disebut surfaktan yang membantu mengurangi tegangan permukaan alveolus sehingga alveolus mudah dikembangkan. Surfaktan adalah fosfolipid yang bekerja seperti detergen untuk memisahkan molekul – molekul air dalam alveolus sehingga melemahkan ikatan di antara molekul tersebut. Hal ini menurunkan tegangan permukaan dan kecenderungan pembuluh untuk kolaps (Tuszynski 2002).

6.         FISIKA ALVEOLUS

            Alveoli secara fisik mirip dengan jutaan gelembung yang terhubung satu sama lain. Alveoli memiliki kecenderungan mengecil karena tegangan permukaan dari lapisan cairannya yang unik. Lapisan ini, suatu jenis surfaktan, sangat penting untuk fungsi paru. Tidak adanya surfaktan pada beberapa neonatus, terutama bayi premature, menyebabkan sindrom distress pernapasan (RDS) idiopatik atau penyakit membran hialin (Cameron 1999).

            Untuk memahami fisika alveolus, kita perlu memahami fisika gelembung. Tekanan di dalam gelembung berbanding terbalik dengan jari – jari dan berbanding lurus dengan tegangan permukaan γ (gamma). Hubungan pastinya adalah , suatu bentuk dari hukum Laplace. Perhatikan gelembung sabun pada mulut sebuah tabung yang dipisahkan oleh sebuah katup, seperti gambar.

(Poullis 1990)

 Karena gelembung kecil mempunyai tekanan internal lebih besar (R lebih kecil), gelembung tersebut akan menyalurkan udara ke dalam gelembung besar. Walaupun alveolus tidak sama persis dengan gelembung sabun, alveolus yang lebih kecil cenderung kolaps. Keadaan dimana banyak dari alveolus yang kolaps disebut atelektasis. Penyebab mengapa tidak banyak alveolus yang kolaps adalah adanya tegangan permukaan (surface tension) yang khas dari surfaktan (Gabriel 1988).

Tegangan permukaan γ suatu cairan dapat diketahui dengan mengukur berapa besar gaya yang diperlukan untuk menarik sebuah lingkaran kawat dari permukaan cairan yang bersih. Tegangan permukaan pertemuan permukaan air-udara 72 x 10^-5 N/m. untuk pertemuan plasma-udara sekitar 40 sampai 50 x 10^-5 N/m, sedangkan tegangan permukaan larutan detergen-udara berkisar dari 25 sampai 45 x 10^-5 N/m. ukuran kualitatif suatu tegangan permukaan diukur dari berapa lama gelembung kecil dari suatu cairan dapat bertahan. Semakin rendah tegangan permukaan, semakin lama gelembung bertahan. Pengamatan menunjukkan bahwa gelembung yang dikeluarkan dari paru bersifat sangat stabil, bisa bertahan berjam – jam. Dapat disimpulkan bahwa gelembung tersebut memiliki tegangan permukaan yang sangat rendah sehingga tekanan di dalam gelembung juga rendah (White 1974).

Tegangan permukaan surfaktan yang melapisi alveolus orang sehat berperan sangat penting dalam fungsi paru. Tegangan permukaan surfaktan tidaklah konstan.

(Poullis 1990)

Menunjukkan tegangan permukaan sebuah film/lapisan ekstrak paru normal yang mengandung surfaktan. Perhatikan penurunan besar γ seiring berkurangnya luas permukaan. Karakteristik ini menyebabkan tegangan permukaan alveolus mengecil seiring dengan mengecilnya alveolus saat ekspirasi. Untuk masing – masing alveolus terdapat suatu ukuran saat tegangan permukaannya turun cukup cepat sehingga tekanan mulai menurun bukan terus meningkat, dan hal ini menyebabkan alveolus menjadi stabil sekitar seperempat dari ukuran maksimumnya. Alveolus yang tidak dilapisi surfaktan, seperti pada bayi RDS, kolaps seperti gelembung kecil, dan diperlukan tekanan yang cukup besar untuk membukanya kembali. Bayi dengan RDS mungkin tidak mempunyai energi untuk bernapas dengan paru yang keregangannya rendah. Salah satu terapinya adalah bernapas dengan tekanan positif untuk membantu membuka alveolus.

Kurva P-V untuk potongan paru manusia

 (Poullis 1990)

Apabila paru kolaps total, diperlukan tekanan cukup besar untuk mulai mengembangkannya, serupa dengan upaya ekstra untuk mulai meniup balon karet. Dari titik ini, paru mengembang dengan agak mudah sampai mendekati ukuran maksimumnya. Kurva tekanan saat deflasi berbeda dengan saat inflasi. Saat tekanan turun menjadi nol, paru tetap menahan sebagian udara. Diperlukan tekanan yang lebih kecil untuk mengembangkan paru lagi, walaupun reinflasi tidak akan mengikuti kurva deflasi. Proses siklis dengan kurva – kurva yang berlainan diikuti oleh dua belahan dari siklus dikatakan memperlihatkan histerisis. Daerah di bawah lengkung sebanding dengan energi yang hilang sebagai panas selama siklus.

7.         ATELEKTASIS

Kolapsnya paru – paru atau alveolus disebut atelektasis. Alveolus yang kolaps tidak mengandung udara sehingga tidak dapat ikut serta dalam pertukaran gas. Hal ini akan mengurangi luas permukaan yang diperlukan untuk melakukan difusi (Gabriel 1988).

(Anonim 2009)

Kolapsnya alveolus yang belum terbuka disebut atelektasis primer. Sedangkan alveolus yang sebelumnya terbuka lalu kolaps disebut atelektasis sekunder.

C.     KESIMPULAN

            Berdasarkan uraian yang telah ditulis, dapat ditarik kesimpulan bahwa tegangan permukaan pada alveolus dapat direduksi menjadi hampir seperempatnya karena adanya zat khas yang disebut surfaktan. Karena tegangan permukaan surfaktan yang tidak konstan mengakibatkan alveolus bisa bekerja dengan fleksibel sehingga tidak terjadi kolaps (atelektasis). Surfaktan bekerja seperti detergen dalam air, yaitu memisahkan molekul – molekul air sehingga tegangan permukaannya berkurang.

           

DAFTAR PUSTAKA

Anonim. 2000. Sistem Respirasi pada Manusia[terhubung berkala] http://bebas.ui.ac.id/v12/sponsor/Sponsor-Pendamping/Praweda/Biologi/0075%20Bio%202-8b.htm (Jumat 14 Oktober 2011).

Anonim. 2009. Atelectasis[terhubung berkala] http://www.lhsc.on.ca/Patients_Families_Visitors/CCTC/Words/atelec.htm (Jumat 14 Oktober 2011)

Cameron J R, Skofronik J G, Grant R M. 1999. Fisika Tubuh Manusia. Jakarta: Penerbit Buku Kedokteran EGC.

Corwin E J. 2008. Handbook of Pathophysiology. USA: Lippincott Williams and Wilkins.

Gabriel J F. 1988. Fisika Kedokteran. Jakarta: Penerbit Buku Kedokteran EGC.

Poullis M. 1990. Forces Involved in Mechanic of Ventilations[terhubung berkala] http://www.mpoullis.net/bsphysiol/pulmonary%20physiology/Pulmonary%20Physiology4_files/mechanics_ventilation.html (Jumat 14 Oktober 2011).

Shier D B J and Lewis R. 2007. Hole's Human Anatomy and Physiology, 11th Edition. Boston: McGraw-Hill and Company.

Sloane E. 1994. Anatomy and Physiology: An Easy Learner. Sudbury: John and Barlett Publishers.

Tuszynski J A and Dixon J M. 2002. Biomedical Applications of Introductory Physics.  USA: Wiley Publishers.

White D C S. 1974. Biological Physics. London: Chapman and Hall.