Все, что необходимо знать о кислороде и атмосферном воздухе перед тем, как изучать физиологию дыхания

кислород и дыханииПочему кислород играет ключевую роль в процессах дыхания, из чего состоит атмосферный воздух, какие факторы влияют на его состав, как происходит газообмен между различными средами и что такое диффузия газов - на все эти вопросы необходимо ответить, чтобы понимать основы физиологии дыхания. Я постарался изложить тему как можно проще: не включать никаких формул, лишь дать общие концепции с несколькими наглядными примерами.

Роль кислорода в дыхании животных

Все живые организмы используют энергию, которую они получают из окружающей среды. Большинство растений синтезируют сахара и другие органические структуры, из которых они состоят, при помощи углекислого газа, воды и Кислород и энергетический обменэнергии солнечного света. Животные же для получения энергии окисляют органические соединения, которые получают из растений, бактерий или других животных, поедая их. Процесс окисления может происходить как без участия кислорода - гликолиз, так и в его присутствии - клеточное дыхание. Преимущество последнего объясняется тем, что при наличии кислорода процесс окисления проходит с выделением энергии почти в 20 раз больше, чем без него (см. схему справа, подробнее читайте здесь). Именно поэтому для сложноорганизованных видов животных, требующих больших энергетических затрат на развитие и функционирование, кислород является ключевым посредником энергии, без которого немыслимо их существование.

Еще в древности дыхание служило признаком того жив организм или мертв. Простыми словами, дыхание - это процесс поглощения кислорода и выделения углекислого газа. Небольшие животные могут удовлетворять нужды организма в кислороде при помощи дыхания поверхностью тела, например дождевые черви. Но большинство животных имеет специализированные органы, такие как жабры, трахеи и легкие. Однако, прежде чем углубляться в физиологию дыхания, необходимо четко понимать физические и химические свойства кислорода и углекислого газа как в воде, так и в атмосферном воздухе.

Из чего состоит атмосферный воздух?

Сухой атмосферный воздух состоит из четырех основных компонентов: кислорода (20.95%), углекислого газа (0.03%), азота (78.09%) и аргона (0.93%). Аргон и азот практически не оказывают физиологического эффекта на организм животных, поэтому физиологи их часто объединяют в одну категорию "Азот" [78.09 (N) + 0.93 (Ar) = 79.02%]. Другим важным компонентом атмосферного воздуха является водяной пар, концентрация которого сильно варьируется в зависимости от температуры, наличия водоемов и скорости ветра. Так например, при 0°С, содержание водяного пара в воздухе над водоемом равняется 4.8 мг/литр воздуха. В то время как при температуре 37°С водяного пара будет в девять раз больше (43.9 мг/литр), что составит 6.2% от общего объема воздуха и, следственно пропорционально уменьшит содержание кислорода и других газов в воздухе.

Внутри легких человека и других позвоночных животных, воздух всегда насыщен влагой (максимум от возможного содержания водяного пара в воздухе при определенной температуре тела). В таком случае, можно сказать, что относительная влажность воздуха внутри наших легких равняется 100%. Однако, зачастую во внешней среде воздух содержит меньшее количество влаги, чем максимум для данной температуры. В таких случаях, относительная влажность воздуха будет равна процентному соотношению от максимума. Если же воздух перенасыщен влагой, то излишек влаги превращается в конденсат (например, выдыхаемый изо рта пар на морозе, или выпадение осадков при высокой влажности воздуха и резком понижении температуры).

Высота и атмосферное давление

Восхождение на высокие горы или полет на большой высоте в негерметичной кабине самолета вызывает серьезные физиологические последствия в организме. На высоте 3000 метров у человека серьезно понижается уровень физической активности, а длительное нахождение на высоте 6000 метров уровнем моря является опасным для жизни. Почему люди задыхаются на большой высоте? Ведь если мы измерим процентное соотношение кислорода в воздухе, мы получим все те же 20.95%.

Кислород в горах

Дело в том, что с повышением высоты над уровнем моря, атмосферное давление уменьшается, воздух становится более разряженным, в следствии чего масса газов в нем (в том числе и кислорода) тоже уменьшается. Так, на высоте 6 км атмосферное давление в два раза меньше и кислорода в одном литре воздуха тоже в 2 раза меньше, чем на уровне моря. Именно поэтому многие альпинисты испытывают кислородное голодание (асфиксию) на такой высоте. Если же при этом относительная влажность воздуха высокая, то развитие высотной болезни и отека легкий усугубляется, т.к. пары воды вытяснят и без того разряженный кислород.

Растворимость газов в воде

Если мы возьмем воду, не содержащую никаких газов, и нальем ее в стакан, в воду начнут проникать газы воздуха, пока не наступит баланс: когда равное количество молекул газа входит и выходит из воды за определенный промежуток времени. Количество газа, растворенного в воде, зависит от атмосферного давления, температуры и примесей в воде: чем выше температура и количество примесей, тем ниже растворимость газа; в то время как при повышении давления растворимость растет (закон Генри и принцип Ле Шателье). Эти зависимости объясняют, почему в морской воде кислорода примерно на 20% меньше, чем в пресноводной при одной и той же температуре. Также с повышением температуры от 0 до 30 градусов количество кислорода уменьшается почти в два раза. Все это объясняет разнообразие физиологических адаптаций у водных организмов, живущиз в тех или иных условиях.

solubility

Состав атмосферного воздуха

Кроме того, разные газы имеют разную растворимость в воде. Как Вы можете видеть из таблицы, коэффициент растворимости у углекислого газа в 30 раз выше, чем у кислорода (именно поэтому CO2 активно используют при изготовлении газированных напитков). Однако, из-за того, что углекислого газа в атмосфере всего 0.03%, в воде его также мало относительно других газов. В изолированном водоеме концентрации кислорода и углекислого газа в течение суток могут существенно изменяться. Это объясняется тем, что днем растения фотосинтезируют: поглащают углекислый газ и выделяют кислород; а ночью, также как и животные, они используют кислород для дыхания, что ведет к уменьшению количества O2 в воде и переизбытку CO2.

Диффузия газов

Самым важным и иногда даже единственным физическим процессом передвижения кислорода из среды в клетки организма является диффузия. Газы имеют свойство перемещаться из пространства с высокой концентрацией в пространство с низкой концентрацией (парциальным давлением). Именно благодаря диффузии, у человека кислород из легких через альвиолярно-капилярный блок попадает в кровь и затем распространяется по всем клеткам организма. Образовавшийся в результате клеточного дыхания углекислый газ наоборот стремится вырваться в атмосферу, т.к. его парциальное давление там ниже (в сравнении с кровью).

Диффузия газов в крови

И хотя механизм кожного, трахейного и жаберного дыхания отличается от легочного, принцип передвижения кислорода от среды в клетку и углекислого газа из клетки в среду сохраняется за счет диффузии газов. Подробнее об отличиях разных типов дыхания у представителей животного царства читайте в следующих заметках.

Заключение

Теперь вы имеете базовый минимум знаний о природе кислорода и атмосферного воздуха в целом, о растворимости газов и их диффузии. Я надеюсь, эта информация поможет более глубокого понять такой физиологического процесс, как дыхание. Именно ему и будут посвящены две последующих статьи: дыхание в воде и дыхание на суше.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *