что такое со2 и о2 в биологии
Что такое фотосинтез? История открытия процесса, фазы фотосинтеза и его значение.
Оглянитесь вокруг! Пожалуй, в каждом доме есть хотя бы одно зеленое растение, а за окном несколько деревьев или кустарников. Благодаря сложному химическом процессу происходящего в них фотосинтеза стало возможно зарождение жизни на Земле и существование человека. Разберем историю его открытия, суть процесса и реакции, которые протекают в разных фазах.
История открытия фотосинтеза
В настоящее время школьники впервые знакомятся со сложными процессами фотосинтеза уже в 6 классе.
Но еще 300-400 лет назад ответ на вопрос «откуда растения берут питательные вещества для строительства своих клеток?» занимал умы ученых во всем мире.
Первым и очевидным ответом было предположение, что из земли. Однако, в далеком 1600 году фламандский ученый Ян Батист ван Гельмонт решил проверить влияние почвы на рост растений и провел уникальный в своей простоте опыт. Естествоиспытатель взял веточку ивы и бочку с почвой. Предварительно их взвесил. А затем посадил отросток ивы в бочку с почвой.
Долгие пять лет ван Гельмонт поливал молодое деревце лишь дождевой водой. А через пять лет выкопал деревце, и вновь взвесил отдельно деревце и отдельно почву. Каково же было его удивление, когда весы показали, что деревце увеличило свой вес практически в тридцать раз, и совсем не походило на тот скромный прутик, что был посажен в кадку. А вес почвы уменьшился всего на 56 граммов.
Ученый сделал вывод. что почва практически не дает строительного материала растениям, а все необходимые вещества растение получает из воды.
После ван Гельмонта различные ученые повторили его опыт, и сложилась так называемая «водная теория питания растений».
Одним из тех, кто попытался возразить этой теории был М.В. Ломоносов. И строил он свои возражения на том, что на пустых, скудных северных землях с редкими дождями растут высокие, мощные деревья. Михаил Васильевич предположил, что часть питательных веществ растения впитывают через листья, но доказать свою теорию экспериментально он не смог.
И как часто бывает в науке, помог его величество случай.
Однажды нерадивая мышь, решившая поживиться церковными запасами, случайно перевернула банку и оказалась в ловушке. И через некоторое время погибла. К нашей удаче, эту мышь в банке обнаружил Джозеф Пристли, который был не просто священником, а по совместительству ученым-химиком, и очень интересовался химией газов и способами очистки испорченного воздуха. И тут церковным мышам не повезло. Они стали участницами различных опытов английского ученого.
Джозеф Пристли ставил под одну банку горящую свечу, а в другую сажал мышь. Свеча тухла, грызун погибал.
В наше время его самого зоозащитники посадили бы в банку, но в далеком 1771 году ученому никто не помешал продолжить свои опыты. Пристли посадил мышь в банку, где до этого потухла свеча. Животное погибло еще быстрее.
И тогда Пристли сделал вывод, что раз все живое на Земле до сих пор не погибло, Бог (мы же помним, что Пристли был священником), придумал некий процесс, чтобы воздух вновь был пригоден для жизни. И скорее всего, основная роль в нем принадлежит растениям.
Чтобы доказать это, ученый взял воздух из банки где погибла мышь, и разделил его на две части. В одну банку он поставил мяту в горшочке. А другая банка ждала своего часа. Через 8 дней растение не только не погибло, а даже выпустило несколько новых побегов. И он опять посадил грызунов в банки. В той, где росла мята — мышь была бодра и закусывала листиками. А в той, где мяты не было — практически моментально лежала дохлая мышиная тушка.
Опыты Пристли вдохновили ученых, и во всем мире начали отлавливать мелких грызунов и пытаться повторить его эксперименты.
Но мы же помним, что Пристли был священником и весь день, до вечерней службы мог заниматься исследованиями.
А Карл Шееле, аптекарь из Швейцарии, экспериментировал в домашней лаборатории в свободное от работы время, т.е. по ночам, и мыши дохли у него независимо от присутствия мяты в банке. В результате его экспериментов получалось, что растения не улучшают воздух, а делают его непригодным для жизни. И Шееле обвинил Пристли в обмане научной общественности. Пристли не уступил, и в результате противостояния ученых было установлено, что для восстановления воздуха растениям необходим солнечный свет.
Именно эти опыты положили начало изучению фотосинтеза.
Исследование фотосинтеза стремительно продолжалось. Уже в 1782 году, спустя всего лишь 11 лет после исследований Пристли, швейцарский ботаник Жан Сенебье доказал, что органоиды растений разлагают углекислый газ в присутствии солнечного света. И практически еще сто лет провальных и удачных экспериментов понадобилась ученым разных специальностей, чтобы в 1864 году немецкий ученый Юлиус Сакс смог доказать, что растения потребляют углекислый газ и выделяют кислород в соотношении 1:1.
Значение фотосинтеза для жизни на Земле
И теперь становится понятна важность процесса фотосинтеза для жизни на земле. Именно благодаря этому сложному химическом процессу стало возможно зарождение жизни на земле и существование человека.
Кто-то может возразить, что на Земле есть места, где не растут ни деревья ни кустарники, например, пустыни или Арктические льды. Ученые доказали, что доля кислорода, выделяемого зеленой массой лесов, кустарников и трав — т. е. растений, что обитают на поверхности суши, составляет всего около 20% газообмена, а 80% кислорода приходится на мельчайшие морские и океанские водоросли, которые потоками воздуха переносятся по всей планете, позволяя дышать животным в экстремальных, практически лишенных растительности регионах нашей удивительной планеты.
Благодаря фотосинтезу вокруг нашей планеты сформировался защитный озоновый экран, защищающий все живое на земле от космической и солнечной радиации, и живые организмы смогли выйти на сушу из глубин океана.
Подробнее о «великой кислородной революции» можно прочитать в учебнике «Биология 10-11 классы» под редакцией А.А. Каменского на портале LECTA.
К сожалению, в настоящее время кислород потребляют не только живые существа, но и промышленность. Уничтожаются тропические леса, загрязняются океаны, что приводит к снижению газообмена и увеличению дефицита кислорода.
Определение и формула фотосинтеза
Определение и формула фотосинтеза
Слово фотосинтез состоит из двух частей: фото — «свет» и синтез — «соединение», «создание». Если подходить к определению упрощенно, то фотосинтез — это превращение энергии света в энергию сложных химических связей органических веществ при участии фотосинтетических пигментов. У зеленых растений фотосинтез происходит в хлоропластах.
Схема фотосинтеза, на первый взгляд, проста:
Вода + квант света + углекислый газ → кислород + углевод
или (на языке формул):
Если копнуть поглубже и посмотреть на лист в электронный микроскоп, выяснится удивительная вещь: вода и углекислый газ ни в одной из структурных частей листа непосредственно друг с другом не взаимодействуют.
Фазы фотосинтеза
К фотосинтезу способны не только растения, но и многие одноклеточные животные благодаря специальным органоидам, которые называются хлоропласты.
Хлоропласты — это пластиды зеленого цвета фотосинтезирующих эукариот. В состав хлоропластов входят:
Сложный процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой. Как понятно из названия, световая (светозависимая) фаза происходит с участием квантов света. Название темновая фаза вовсе не означает, что процесс происходит в темноте. Более точное определение — светонезависимая. Т.е. для реакций, происходящих в этой этой фазе, свет не нужен, а протекает она одновременно со световой, только в других отделах хлоропласта.
Многие делают ошибку, говоря, что в процессе фотосинтеза происходит производство растениями такого необходимого человечеству кислорода. На самом деле фотосинтез — это синтез углеводов (например, глюкозы), а кислород — лишь побочный продукт реакции.
Световая фаза фотосинтеза
Световая фаза фотосинтеза происходит на мембранах тилакоидов. Фотон света, попадая на хлорофилл, возбуждает его и происходит выделение электронов и скопление отрицательно заряженных электронов на мембране. После того, как хлорофилл потерял все свои электроны, квант света продолжает воздействовать на воду, вызывая фотолиз Н2О.
Положительно заряженные протоны водорода накапливаются на внутренней мембране тилакоида.
Получается такой бутерброд: с одной стороны отрицательно заряженные электроны хлорофилла, с другой – положительно заряженные протоны водорода, а между ними – внутренняя мембрана тилакоида.
Гидроксильные ионы идут на производство кислорода:
Когда количество протонов водорода и электронов достигает максимума, запускается специальный переносчик — АТФ-синтаза. АТФ-синтаза выталкивает протоны водорода в строму, где их подхватывает специальный переносчик никотинамиддинуклеотидфосфат или сокращенно НАДФ. НАДФ — специфический переносчик протонов водорода в реакциях углеводов.
Прохождение протонов водорода через АТФ-синтазу сопровождается синтезом молекул АТФ из АДФ и фосфата или фотофосфорилированием, в отличие от окислительного фосфорилирования.
На этом световая фаза фотосинтеза заканчивается, а НАДФН+ и АТФ переходят в темновую фазу.
Повторим ключевые процессы световой фазы фотосинтеза:
У некоторых растений фотосинтез идет по упрощенному варианту, который называется «циклическое фосфорилирование» и разбирается этот процесс в учебнике «Биология 10-11 классы» под редакцией А. А. Каменского на портале LECTA.
Почему углекислый газ важнее кислорода для жизни или что такое Carboxy-терапия?
«Мы все учились понемногу…» и, наверное, большинство из нас помнит химическую формулу углекислого газа СО2, а также, что двуокись углерода (другое название углекислого газа) —это газообразное химическое соединение, не обладающее цветом и запахом, в 1,5 раза тяжелее воздуха.
Концентрация СО2 в атмосфере Земли составляет приблизительно 0,04%. Отличительной особенностью углекислого газа является отсутствие жидкой формы при увеличении давления — соединение сразу переходит в твёрдое состояние, известное как «сухой лёд». Но при создании определенных искусственных условий двуокись углерода принимает форму жидкости, что широко используется для её транспортировки и длительного хранения. Большинство людей считает, что углекислый газ вреден. Это и неудивительно, ведь о негативных свойствах CO2 нам рассказывали ещё в школе на уроках биологии и химии.
Да, безусловно, негативное воздействие есть. Все, конечно, и дети и взрослые очень любят разнообразные шипучие напитки за содержащиеся в них воздушные пузырьки. Эти скопления воздуха — чистый углекислый газ, выделяющийся при откручивании колпачка бутылки. Используемый в таком качестве, он не приносит организму человека никакой пользы. Попадая в желудочно-кишечный тракт, газ раздражает слизистые оболочки, провоцирует повреждение эпителиальных клеток. Для человека с заболеваниями желудка крайне нежелательно употребление газированных напитков, так как под их воздействием усиливается воспалительный процесс и изъязвление внутренней стенки органов пищеварительной системы. Гастроэнтерологи запрещают пить лимонады и минеральную воду пациентам с патологиями желудочно-кишечного тракта. Если человек не в силах отказаться от употребления напитков с углекислым газом, то ему следует остановить выбор на слабо газированной минеральной воде. Сотрудники офисных помещений, не оборудованных кондиционерами, часто испытывают мучительные головные боли, тошноту, слабость. Это состояние у человека возникает при избыточном скоплении в комнате углекислого газа. Постоянное нахождение в такой обстановке приводит к ацидозу (повышению кислотности крови), провоцирует снижение функциональной активности всех систем жизнедеятельности.
Пожалуй, это всё, что связано с вредными воздействиями СО2, ведь пользы от него гораздо больше. Например: значительная продолжительность жизни у людей, проживающих в высокогорье, непосредственно связана с большим содержанием углекислого газа в воздухе. Он повышает иммунитет, нормализует обменные процессы, укрепляет сердечно-сосудистую систему. Наравне с молекулярным кислородом двуокись углерода является одним из важнейших регуляторов многих функций в организме человека. Более того, уже давно углекислый газ применяется в медицине, о чём нам достоверно расскажет директор-главный врач санатория «Виктория» — пушкинского филиала АО «ЦСТЭ» (холдинг) Найдёнов Василий Иванович.
— Василий Иванович, представляя углекислый газ исключительно как вредное вещество, учителя обычно умалчивали о его положительной роли внутри нашего организма. Она между тем велика, ведь углекислый газ, или двуокись углерода, — это важный участник процесса дыхания. Как углекислый газ действует на наш организм?
— Правильно замечено, что углекислый газ влияет на многие процессы в нашем организме, поэтому так важно, чтобы его уровень держался в пределах нормы. Например, улучшение кровоснабжения и повышение уровня CO2 приводит к нормализации тонуса гладкой мускулатуры желудка и кишечника. Это положительно сказывается на работе кишечника, восстанавливает его основные функции и помогает в борьбе с различными заболеваниями желудочно-кишечного тракта.
Воздействие углекислого газа положительно сказывается и на проницаемости мембран, что нормализует возбудимость нервных клеток. Это помогает легче переносить стрессы, избегать нервного перевозбуждения и, как следствие, избавляет от бессонницы и мигрени.
Помогает CO2 и при аллергии: углекислый газ снижает вязкость цитоплазмы, которая заполняет клетки. Это положительно влияет на обмен веществ и повышает активность защитных систем организма. Активизируются защитные системы и в борьбе с вирусными заболеваниями. Помогает углекислый газ при бронхите и астме:
он снижает спазм сосудов, что позволяет избавиться от мокроты и слизи в бронхах, а соответственно и самой болезни.
В нашем санатории активно используется лечение углекислым газом — это метод карбокситерапии.
— Расскажите, пожалуйста, Василий Иванович, что это за «зверь» такой, карбокситерапия.
— Это не «зверь», это такая медицинская методика, при которой производится введение (инсуфляция) углекислого газа под кожу или внутрикожно с учетом современных знаний о строении кожи. Эта процедура, если разобраться, не такая уж и новинка, ведь первые сообщения об использовании двуокиси углерода в медицинской практике датируются ещё прошлым веком, но вот наибольшую популярность она обрела только в последнее время. Врачи, освоившие карбокситерапию, и те пациенты, которые смогли испытать на себе её действие в нашем санатории, отзываются о процедуре только с хорошей стороны. Она, по их мнению, считается одной из самых эффективных из тех, что помогают в улучшении качества кожных покровов, по сравнению даже с классической мезотерапией. К тому же она намного экономичнее, ведь для её проведения не требуется никаких дорогих препаратов.
— Как в санатории «Виктории» появилась эта процедура?
— Санаторий «Виктория» всегда стремится к тому, чтобы внедрять в практику эффективные лечебные методики, так как мы не располагаем такими природными факторами, какие применяют на курортах Кавказских Минеральных вод, например. Поэтому санаторий освоил этот метод совместно с физиотерапевтическим подразделением Центра планирования семьи и репродукции г. Москвы под руководством Куликовой Натальи Геннадьевны, доктора медицинских наук, профессора медицинского факультета РУДН.
— Как у вас всё серьёзно….
— Да у нас всё серьёзно, не зря из года в год расширяется круг отдыхающих и наших постоянных клиентов, приезжающих том числе и на программы «Нейрореабилитация», «Стоп инсульт!», «Стоп! СТРЕСС!», «Anti-age» и программу по реабилитации пациентов с болезнью Паркинсона, которые приводят пациентов к хорошим результатам.
Итак, карбокситерапия. Мы применяем инъекционную карбокситерапию. Этот вид пользуется огромной популярностью, и всё благодаря тому, что первый результат заметен уже сразу после проведения первой процедуры. Она предусматривает введение углекислого газа в верхние слои кожи, при этом используется тончайшая игла, которую пациент никак не ощущает. Именно благодаря ей удается быстро достичь желаемого результата, а после процедуры пациент себя чувствует отлично.
— Скажите, пожалуйста, Василий Иванович, какой газ Вы используете?
— Используется не обычный углекислый газ, а специальный, медицинский, с глубокой очисткой, Carboxy-Pan.
— Все-таки, расскажите, в чём суть карбокситерапии?
— Инъекции с углекислым газом в первую очередь борются с недостатком кислорода в тканях. Именно нехватка его у большинства людей в возрасте после 30 лет приводит к тому, что кожа теряет свою эластичность и упругость, а также проявляются такие дефекты, как угревая сыпь, пятна, покраснения. Если говорить в целом, то процедура карбокситерапия действует на достаточно большой спектр заболеваний. Углекислый газ, насыщающий кожу, активизирует кровообращение и помогает лёгкому высвобождению кислорода оксигемоглобином. Обработанный кусочек кожи получает мощнейший стимул к регенерации, подкреплённый собственными ресурсами организма, которые также активизируются. В итоге после проведения нескольких процедур кожные ткани реструктурируются. Складывается впечатление, что всё происходит прямо на глазах: при проведении первых сеансов газ распределяется только в несколько направлений, но постепенно он заполняет всё больше и больше участков, что указывает на то, что фиброзные спайки разрушаются и достигается однородная поддержка тканей. Параллельно происходит расщепление жировых отложений, а это в итоге усиливает лечебный и омолаживающий эффекты. Кроме этого карбокситерапия активизирует образование новых волокон коллагена, стимулируя функции фибробластов. Именно на этом механизме основывается выраженный эстетический результат методики — это повышенная упругость и устранение дряблости кожи.
— Кому показана карбокситерапия и в каких случаях она рекомендована?
— С точки зрения косметологии и эстетической медицины карбокситерапия применяется:
— при дряблости кожи (овал лица, шеи, зоны декольте);
— при целлюлите, метаболическом синдроме, для коррекции объёмов тела (хорошо поддаются коррекции небольшие объёмы при слабой степени выраженности целлюлита);
— при растяжках, рубцах (в том числе келоидных), трофических, диабетических и варикозных язвах, послеоперационных и посттравматических ранах;
— при наличии угрей, морщинистости кожи, тёмных кругов под глазами.
Хорошие результаты отмечаются у больных:
— с заболеваниями сосудов (артериопатии, флебологические нарушения);
— с уро-гинекологическими заболеваниями (эректильная дисфункция, гипоспадия, воспаление органов малого таза, цистит);
— с дегенеративными заболеваниями позвоночника (остеохондроз, грыжи позвоночника, заболевания межпозвонковых дисков; хронические болевые синдромы суставов и мышц; дистрофия и воспаление связочного аппарата; ревматические заболевания суставов; вертеброгенные болевые синдромы; цефалгии и др.);
— с заболеваниями кожи и подкожно-жировой клетчатки (псориаз, дерматит, нейродермит);
— с заболеваниями кровеносной и лимфатической системы (нарушение мозгового кровообращения и его последствия после 2-3 месяца реабилитации, хроническая ишемия головного мозга; нарушения функции
спинного мозга (миелопатия, миелоишемия, др.);
— с неврологическими заболеваниями (вестибулярные нарушения и головные боли на фоне шейного остеохондроза, сосудистых заболеваний головного мозга, невротические расстройства; приступы истерики и паники; нарушение сна, головокружения различного генеза, мигрень и головные боли, в том числе на фоне умственного перенапряжения);
— при применении в спортивной и восстановительной медицине: восстановление после спортивных травм и физического перенапряжения; с целью ускорения выведения молочной кислоты в постсоревновательном периоде, а также для повышения толерантности к повышенным физическим нагрузкам;
— в период реабилитации после ожогов, травм и операций, в том числе пластических;
— со стоматологическими и нейро-стоматологическими заболеваниями (бруксизм, невралгия тройничного нерва, др.);
-при применении в антивозрастной (anti-aging) медицине.
— Кто проводит эту процедуру в санатории «Виктория»?
— У нас эти процедуры проводят только квалифицированные специалисты, прошедшие специальное обучение, в частности ваш покорный слуга.
Перед началом курса врач проводит опрос пациента, узнает о том, какие места он считает проблемными, и где именно необходимо проводить процедуру. После того, как пожелания пациента услышаны, доктор подбирает дозу, нужную глубину ввода иглы и даже нужный угол введения. Для каждого эти параметры индивидуальны.
— Что испытывает пациент во время сеанса?
— Во время введения иглы под кожу пациент чувствует лёгкое покалывание, небольшое жжение и давление, но по прошествии нескольких минут все симптомы проходят. Что касается длительности сеанса, то она зависит от размера области, которую необходимо обработать. Количество сеансов рассчитывается индивидуально и зависит от того, какой результат нужен, и от сложности ситуации. В среднем курс карбокситерапии состоит из 5-12 процедур, но в неделю разрешается проводить до 4 сеансов, не более. А вот эффект от процедур сохраняется минимум на 6 месяцев, а иногда держится и до полутора лет.
— Замечены какие-либо нежелательные проявления после сеансов?
— После проведения процедуры карбокситерапии у некоторых пациентов могут встречаться такого рода проявления как: небольшой отек в месте проведения инъекции, может быть небольшой кровоподтек в месте укола иглы — это следствие прокола маленьких капилляров, возможно покраснение места введения препарата. Чтобы избежать такого рода осложнений, рекомендуется в течение 2 суток избегать температурных перепадов и по возможности не мочить тот участок кожи, который подвергался обработке.
— Какой бы эффективной ни была карбокситерапия, наверняка, есть ряд противопоказаний?
— Совершенно верно. Есть, это:
1. Недавно перенесённый или острый инфаркт миокарда;
2. Нестабильная стенокардия;
3. Острая сердечная недостаточность;
4. Артериальная гипертензия 3- й степени;
5. Острый тромбофлебит;
7. Инфекционные заболевания;
9. Дыхательная и почечная недостаточность;
10. Печёночная недостаточность;
11. Беременность и лактационный период;
12. Выраженная энцефалопатия и психические заболевания;
13. Нарушения целостности кожных покровов в обрабатываемой зоне;
14.Состояние после острых транзиторных ишемических атак и микроинсультов в течении первого месяца;
15. На фоне приёма антикоагулянтов и при выявлении нарушений со стороны свертывающей системы крови;
16. Повышенная температура;
17. Аллергические реакции на лекарственные препараты;
18. Онкологические заболевания;
19.Тяжёлые соматические заболевания.
— Какие отзывы оставляют о процедуре ваши пациенты?
— Многие пациенты, которые попробовали на себе действие карбокситерапии, отзываются о процедуре только с положительной стороны. Очень хорошо она помогает убрать тёмные мешки под глазами. Отзывы свидетельствуют также, что она прекрасно справляется с дряблостью кожи на лице и животе. А вот что касается целлюлита, то тут несколько сложнее, эффект заметен не сразу, и он не столь ярко выражен. Также специалисты, которые наблюдают за результатом терапии, говорят, что с каждой новой процедурой эффект значительно улучшается. Главное — это обратиться к квалифицированному специалисту, который не только проведёт процедуру на высоком уровне, но ещё и подберет правильный курс. А такие специалисты у нас, скажу без ложной скромности, есть.
Также СО2 он применяется в другой лечебной процедуре — в сухой углекислой ванне, которая показана для больных с сердечно-сосудистыми заболеваниями.
— Удивительные вещи Вы рассказали, Василий Иванович, кардинально изменившие наше мнение об углекислом газе.
— Приезжайте в наш подмосковный санаторий и вы убедитесь, что лечебный метод карбокситерапии действительно эффективный, полезный а главное, безопасный и экономичный по сравнению с подобными.
Что такое CO2
Что такое CO2
Что такое диоксид углерода
Диоксид углерода известен в основном в своем газообразном состоянии, т.е. в качестве углекислого газа с простой химической формулой CO2. В таком виде он существует в нормальных условиях – при атмосферном давлении и «обычных» температурах. Но при повышенном давлении, свыше 5 850 кПа (таково, например, давление на морской глубине около 600 м), этот газ превращается в жидкость. А при сильном охлаждении (минус 78,5°С) он кристаллизуется и становится так называемым сухим льдом, который широко используется в торговле для хранения замороженных продуктов в рефрижераторах.
Жидкая углекислота и сухой лед получаются и применяются в человеческой деятельности, но эти формы неустойчивы и легко распадаются.
А вот газообразный диоксид углерода распространен повсюду: он выделяется в процессе дыхания животных и растений и является важной составляющей частью химического состава атмосферы и океана.
Свойства углекислого газа
Углекислый газ CO2 не имеет цвета и запаха. В обычных условиях он не имеет и вкуса. Однако при вдыхании высоких концентраций диоксида углерода можно почувствовать во рту кисловатый привкус, вызванный тем, что углекислый газ растворяется на слизистых и в слюне, образуя слабый раствор угольной кислоты.
Кстати, именно способность диоксида углерода растворяться в воде используется для изготовления газированных вод. Пузырьки лимонада – тот самый углекислый газ. Первый аппарат для насыщения воды CO2 был изобретен еще в 1770 г., а уже в 1783 г. предприимчивый швейцарец Якоб Швепп начал промышленное производство газировки (торговая марка Schweppes существует до сих пор).
Углекислый газ тяжелее воздуха в 1,5 раза, поэтому имеет тенденцию «оседать» в его нижних слоях, если помещение плохо вентилируется. Известен эффект «собачьей пещеры», где CO2 выделяется прямо из земли и накапливается на высоте около полуметра. Взрослый человек, попадая в такую пещеру, на высоте своего роста не ощущает избытка углекислого газа, а вот собаки оказываются прямо в густом слое диоксида углерода и подвергаются отравлению.
CO2 не поддерживает горение, поэтому его используют в огнетушителях и системах пожаротушения. Фокус с тушением горящей свечки содержимым якобы пустого стакана (а на самом деле — углекислым газом) основан именно на этом свойстве диоксида углерода.
Углекислый газ в природе: естественные источники
Углекислый газ в природе образуется из различных источников:
Углекислый газ «хранится» в природе в виде углеродных соединений в полезных ископаемых: угле, нефти, торфе, известняке. Гигантские запасы CO2 содержатся в растворенном виде в мировом океане.
Выброс углекислого газа из открытого водоема может привести к лимнологической катастрофе, как это случалось, например, в 1984 и 1986 гг. в озерах Манун и Ньос в Камеруне. Оба озера образовались на месте вулканических кратеров – ныне они потухли, однако в глубине вулканическая магма все еще выделяет углекислый газ, который поднимается к водам озер и растворяется в них. В результате ряда климатических и геологических процессов концентрация углекислоты в водах превысила критическое значение. В атмосферу было выброшено огромное количество углекислого газа, который наподобие лавины спустился по горным склонам. Жертвами лимнологических катастроф на камерунских озерах стали около 1 800 человек.
Искусственные источники углекислого газа
Основными антропогенными источниками диоксида углерода являются:
Несмотря на то, что доля экологичного транспорта в мире растет, подавляющая часть населения планеты еще не скоро будет иметь возможность (или желание) перейти на новые автомобили.
Активное сведение лесов в промышленных целях также ведет к повышению концентрации углекислого газа СО2 в воздухе.
Углекислый газ в организме человека
CO2 – один из конечных продуктов метаболизма (расщепления глюкозы и жиров). Он выделяется в тканях и переносится при помощи гемоглобина к легким, через которые выдыхается. В выдыхаемом человеком воздухе около 4,5% диоксида углерода (45 000 ppm) – в 60-110 раз больше, чем во вдыхаемом.
Углекислый газ играет большую роль в регуляции кровоснабжения и дыхания. Повышение уровня CO2 в крови приводит к тому, что капилляры расширяются, пропуская большее количество крови, которое доставляет к тканям кислород и выводит углекислоту.
Дыхательная система тоже стимулируется повышением содержания углекислого газа, а не нехваткой кислорода, как может показаться. В действительности нехватка кислорода долго не ощущается организмом и вполне возможна ситуация, когда в разреженном воздухе человек потеряет сознание раньше, чем почувствует нехватку воздуха. Стимулирующее свойство CO2 используется в аппаратах искусственного дыхания: там углекислый газ подмешивается к кислороду, чтобы «запустить» дыхательную систему.
Углекислый газ и мы: чем опасен СO2
Углекислый газ необходим человеческому организму так же, как кислород. Но так же, как с кислородом, переизбыток углекислого газа вредит нашему самочувствию.
Большая концентрация CO2 в воздухе приводит к интоксикации организма и вызывает состояние гиперкапнии. При гиперкапнии человек испытывает трудности с дыханием, тошноту, головную боль и может даже потерять сознание. Если содержание углекислого газа не снижается, то далее наступает черед гипоксии – кислородного голодания. Дело в том, что и углекислый газ, и кислород перемещаются по организму на одном и том же «транспорте» – гемоглобине. В норме они «путешествуют» вместе, прикрепляясь к разным местам молекулы гемоглобина. Однако повышенная концентрация углекислого газа в крови понижает способность кислорода связываться с гемоглобином. Количество кислорода в крови уменьшается и наступает гипоксия.
Такие нездоровые для организма последствия наступают при вдыхании воздуха с содержанием CO2 больше 5 000 ppm (таким может быть воздух в шахтах, например). Справедливости ради, в обычной жизни мы практически не сталкиваемся с таким воздухом. Однако и намного меньшая концентрация диоксида углерода отражается на здоровье не лучшим образом.
Согласно выводам некоторых исследований, уже 1 000 ppm CO2 вызывает у половины испытуемых утомление и головную боль. Духоту и дискомфорт многие люди начинают ощущать еще раньше. При дальнейшем повышении концентрации углекислого газа до 1 500 – 2 500 ppm критически снижается работоспособность, мозг «ленится» проявлять инициативу, обрабатывать информацию и принимать решения.
И если уровень 5 000 ppm почти невозможен в повседневной жизни, то 1 000 и даже 2 500 ppm легко могут быть частью реальности современного человека. Наш эксперимент в школе показал, что в редко проветриваемых школьных классах уровень CO2 значительную часть времени держится на отметке выше 1 500 ppm, а иногда подскакивает выше 2 000 ppm. Есть все основания предполагать, что во многих офисах и даже квартирах ситуация похожая.
Безопасным для самочувствия человека уровнем углекислого газа физиологи считают 800 ppm.
Еще одно исследование обнаружило связь между уровнем CO2 и окислительным стрессом: чем выше уровень диоксида углерода, тем больше мы страдаем от окислительного стресса, который разрушает клетки нашего организма.