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, Xa

adalah konsentrasi gas dalam alveolus, Xc 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.