Какое содержание кислорода в выдыхаемом воздухе. Внутреннее дыхание и транспорт газов

Приведенный в табл. 1.1 состав атмосферного воздуха претерпевает в закрытых помещениях различные изменения. Во-первых, меняется процентное содержание отдельных обязательных компонентов, и, во-вторых, появляются дополнительные, не свойственные чистому воздуху примеси. В настоящем параграфе речь пойдет об изменениях газового состава и о допустимых отклонениях его от нормального.

Важнейшими для жизнедеятельности человека газами являются кислород и углекислый газ, участвующие в газообмене человека с окружающей средой. Этот газообмен осуществляется главным образом в легких человека в процессе дыхания. Газообмен, происходящий через поверхность кожи, примерно в 100 раз меньше, чем через легкие, так как поверхность тела взрослого человека составляет приблизительно 1,75 м2, а поверхность альвеол легких - около 200 м2. Процесс дыхания сопровождается образованием в организме человека теплоты в количестве от 4,69 до 5,047 (в среднем 4,879) ккал на 1 л поглощенного кислорода (перешедшего в углекислоту). Следует заметить, что поглощается только незначительная часть содержащегося во вдыхаемом воздухе кислорода (приблизительно 20%). Так, если в атмосферном воздухе находится примерно 21% кислорода, то в выдыхаемом человеком воздухе его будет около 17%. Обычно количество выдыхаемой углекислоты меньше количества поглощенного кислорода. Отношение объемов выделяемой человеком углекислоты и поглощенного кислорода носит название дыхательного коэффициента (ДК), который обычно колеблется от 0,71 до 1. Однако если человек находится в состоянии сильного возбуждения или выполняет очень тяжелую работу, ДК может быть даже больше единицы.

Количество кислорода, необходимое человеку для поддержания нормальной жизнедеятельности, в основном зависит от интенсивности выполняемой им работы и определяется степенью нервного и мускульного напряжения. Усвоение кровью кислорода происходит лучше всего при парциальном давлении около 160 мм рт. ст., что при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. соответствует нормальному процентному содержанию кислорода в атмосферном воздухе, т. е. 21%.

Благодаря способности человеческого организма приспособляться, нормальное дыхание может наблюдаться и при меньших количествах кислорода.

Если сокращение содержания кислорода в воздухе происходит за счет инертных газов (например, азота), то возможно значительное уменьшение количества кислорода - вплоть до 12%.

Однако в закрытых помещениях уменьшение содержания кислорода сопровождается не нарастанием концентрации инертных газов, а накоплением углекислого газа. В этих условиях предельно допустимое минимальное содержание кислорода в воздухе должно быть намного выше. Обычно в качестве нормы такой концентрации принимается содержание кислорода, равное 17% по объему. Вообще говоря, в закрытых помещениях процентное содержание кислорода никогда не снижается до этой нормы, так как гораздо раньше достигает предельного значения концентрация углекислого газа. Поэтому практически важнее установить предельно допустимые нормы содержания в закрытых помещениях не кислорода, а углекислого газа.

Углекислый газ С02 представляет собой бесцветный газ со слабым кислым вкусом и запахом; он в 1,52 раза тяжелее воздуха, слегка ядовит. Накопление углекислого газа в воздухе закрытых помещений приводит к появлению головной боли, головокружению, слабости, потере чувствительности и даже потере сознания.

Считается, что в атмосферном воздухе количество углекислого газа составляет 0,03% по объему. Это справедливо для сельских местностей. В воздухе крупных промышленных центров его содержание обычно больше. Для расчетов принимают концентрацию, равную 0,04%. В воздухе, выдыхаемом человеком, содержится примерно 4% углекислого газа.

Без каких-либо вредных последствий для человеческого организма в воздухе закрытых помещений могут быть допущены концентрации углекислого газа, значительно более высокие, чем 0,04%.

Величина предельно допустимой концентрации углекислого газа зависит от продолжительности пребывания людей в том или ином закрытом помещении и от рода их занятий. Например, для герметизированных убежищ, при размещении в них здоровых людей на срок не более 8 часов, может быть принята в качестве предельно допустимой концентрации С02 норма в 2%. При кратковременном пребывании людей эта норма может быть увеличена. Возможность пребывания человека в среде с повышенными концентрациями углекислого газа обусловлена способностью человеческого организма приспосабливаться к различным условиям. При концентрации С02 выше, чем 1%, человек начинает вдыхать значительно больше воздуха. Так, при концентрации С02 в 3% дыхание удваивается даже в состоянии покоя, что само по себе не вызывает заметных отрицательных последствий при сравнительно кратковременном пребывании в таком воздухе человека. Если же человек будет находиться в помещении с концентрацией С02 в 3% достаточно долго (3 и более суток), ему грозит потеря сознания.

При длительном пребывании людей в герметизированных помещениях и при выполнении людьми той или иной работы величина предельно допустимой концентрации углекислого газа должна быть существенно меньше 2%. Допускается колебание ее от 0,1 до 1%. Содержание углекислого газа 0,1% может считаться допустимым и для обычных негерметизированных помещений зданий и сооружений различного назначения. Более низкая концентрация углекислого газа (порядка 0,07-0,08) должна назначаться лишь для помещений лечебных и детских учреждений.

Как будет ясно из дальнейшего, требования в отношении содержания углекислого газа в воздухе помещений наземных зданий обычно легко удовлетворяются, если источниками его выделения являются люди. Иначе стоит вопрос, когда углекислый газ накапливается в производственных помещениях в результате тех или иных технологических процессов, происходящих, например, в дрожжевых, пивоваренных, гидролизных цехах. В этом случае в качестве предельно допустимой концентрации углекислого газа принимают 0,5%.

В отличие от горячих и холодных планет нашей Солнечной системы, на планете Земля существуют условия, которые дают возможность жизни в определенной форме. Одним из главных условий является состав атмосферы, который дает всему живому возможность свободно дышать и защищает от смертельного излучения, царящего в космосе.

Из чего состоит атмосфера

Атмосфера Земли состоит из множества газов. В основном который занимает 77 %. Газ, без которого немыслима жизнь на Земле, занимает гораздо меньший объем, содержание кислорода в воздухе равно 21 % от всего объема атмосферы. Последние 2 % - смесь различных газов, включая аргон, гелий, неон, криптон и другие.

Атмосфера Земли поднимается на высоту 8 тыс. км. Воздух, пригодный для дыхания, есть только в нижнем слое атмосферы, в тропосфере, достигающей на полюсах - 8 км, ввысь, а над экватором - 16 км. С увеличением высоты воздух становится более разреженным и тем больше ощутима нехватка кислорода. Чтобы рассмотреть, какое содержание кислорода в воздухе бывает на разной высоте, приведем пример. На пике Эвереста (высота 8848 м) воздух вмещает этого газа в 3 раза меньше, чем над уровнем моря. Поэтому покорители высокогорных вершин - альпинисты - могут подняться на его вершину только в кислородных масках.

Кислород - главное условие выживания на планете

В начале существования Земли воздух, который ее окружал, не имел этого газа в своем составе. Это вполне подходило для жизни простейших - одноклеточных молекул, которые плавали в океане. Им кислород не был нужен. Процесс начался примерно 2 млн лет назад, когда первые живые организмы в результате реакции фотосинтеза начали выделять малые дозы этого газа, полученного в результате химических реакций, сначала в океан, затем в атмосферу. Жизнь развилась на планете и приняла разнообразные формы, большинство из которых не дожили до наших времен. Некоторые организмы со временем приспособились к жизни с новым газом.

Они научились использовать его силу безопасно внутри клетки, где она выступала в роли электростанции, для того чтобы добывать энергию из еды. Такой способ использования кислорода называется дыханием, и мы это делаем ежесекундно. Именно дыхание дало возможность для появления более сложных организмов и людей. За миллионы лет содержание в воздухе кислорода взлетело до современного уровня - около 21 %. Накопление этого газа в атмосфере способствовало созданию озонового слоя на высоте 8-30 км от поверхности земли. Вместе с этим планета получила защиту от пагубного действия ультрафиолетовых лучей. Дальнейшая эволюция жизненных форм на воде и на суше стремительно возросла в результате увеличения фотосинтеза.

Анаэробная жизнь

Хотя некоторые организмы адаптировались к повышающемуся уровню выделяемого газа, многие из простейших форм жизни, которые существовали на Земле, исчезли. Другие организмы выжили, прячась от кислорода. Некоторые из них сегодня живут в корнях бобовых, используя азот из воздуха для построения аминокислот для растений. Смертельный организм ботулизма - еще один "беженец" от кислорода. Он спокойно выживает в вакуумных упаковках с консервированными продуктами.

Какой кислородный уровень оптимален для жизни

Преждевременно рожденные малыши, легкие которых еще не полностью раскрыты для дыхания, попадают в специальные инкубаторы. В них содержание кислорода в воздухе по объему выше, и вместо обычных 21 % здесь установлен его уровень 30-40 %. Малыши, имеющие серьезные проблемы дыхания, окружаются воздухом со стопроцентным уровнем кислорода, чтобы предотвратить повреждение детского мозга. Нахождение в таких обстоятельствах совершенствует кислородный режим тканей, пребывающих в состоянии гипоксии, приводит в норму их жизненные функции. Но его чрезмерное количество в воздухе так же опасно, как и недостаток. Чрезмерное количество кислорода в крови ребенка может привести к повреждению кровеносных сосудов в глазах и спровоцировать утрату зрения. Это показывает двойственность свойств газа. Мы должны дышать им, чтобы жить, но его избыток иногда может стать отравой для организма.

Процесс окисления

При соединении кислорода с водородом или углеродом, совершается реакция, именуемая окислением. Этот процесс заставляет органические молекулы, являющиеся основанием жизни, распадаться. В человеческом организме окисление проходит следующим образом. Эритроциты крови собирают кислород из легких и разносят его по всему телу. Происходит процесс разрушения молекул еды, которую мы употребляем. Этот процесс освобождает энергию, воду и оставляет диосксид углерода. Последний выводится клетками крови обратно в легкие, и мы выдыхаем его в воздух. Человек может задохнуться, если ему помешать дышать дольше, чем 5 минут.

Дыхание

Рассмотрим содержание кислорода во вдыхаемом воздухе. Атмосферный воздух, попадающий извне в легкие при вдыхании, именуется вдыхаемым, а воздух, который выходит наружу через дыхательную систему при выдохе, - выдыхаемым.

Он представляет собой смесь воздуха, заполнявшего альвеолы, с тем, который находится в дыхательных путях. Химический состав воздуха, который здоровый человек вдыхает и выдыхает в естественных условиях, практически не меняется и выражается такими цифрами.

Кислород - главная для жизни составляющая воздуха. Изменения количества этого газа в атмосфере невелики. Если у моря содержание в воздухе кислорода вмещает до 20,99 %, то даже в очень загрязненном воздухе индустриальных городов его уровень не падает ниже 20,5 %. Такие изменения не выявляют воздействия на человеческий организм. Физиологические нарушения проявляются тогда, когда процентное содержание кислорода в воздухе падает до 16-17 %. При этом наблюдается явная которая ведет к резкому падению жизнедеятельности, а при содержании в воздухе кислорода 7-8 % возможен летальный исход.

Атмосфера в разные эпохи

Состав атмосферы всегда оказывал воздействие на эволюцию. В разные геологические времена из-за природных катаклизмов наблюдались подъемы или падения уровня кислорода, и это влекло за собой изменение биосистемы. Примерно 300 миллионов лет назад содержание его в атмосфере поднялось до 35 %, при этом наблюдалось заселение планеты насекомыми гигантских размеров. Наибольшее вымирание живых существ в истории Земли случилось около 250 миллионов лет назад. Во время него более чем 90 % обитателей океана и 75 % жителей суши погибло. Одна из версий массового вымирания гласит, что виной тому оказалось низкое содержание в воздухе кислорода. Количество этого газа упало до 12 %, и это - в нижнем слое атмосферы до высоты 5300 метров. В нашу эпоху содержание кислорода в атмосферном воздухе доходит до 20,9 %, что на 0,7 % ниже, чем 800 тысяч лет назад. Эти цифры подтверждены учеными из Принстонского университета, которые исследовали пробы Гренландского и Атлантического льда, образовавшегося в то время. Замерзшая вода сберегла пузырьки воздуха, и этот факт помогает вычислить уровень кислорода в атмосфере.

Чему подчиняется уровень его в воздухе

Активное поглощение его из атмосферы может быть вызвано передвижением ледников. Отодвигаясь, они открывают гигантские площади органических пластов, потребляющих кислород. Еще одним поводом может быть остывание вод Мирового океана: его бактерии при пониженной температуре активнее поглощают кислород. Исследователи утверждают, что индустриальный скачок и вместе с ним сжигание огромного количества топлива особенного воздействия при этом не оказывают. Мировой океан охлаждается в течение 15 миллионов лет, и количество жизненно важного в атмосфере уменьшилось независимо от воздействия человека. Вероятно, на Земле совершаются некоторые природные процессы, ведущие к тому, что потребление кислорода становится выше его производства.

Воздействие человека на состав атмосферы

Поговорим о влиянии человека на состав воздуха. Тот уровень, который мы сегодня имеем, идеально подходит для живых существ, содержание кислорода в воздухе составляет 21 %. Баланс его и других газов определяется жизненным циклом в природе: животные выдыхают диоксид углерода, растения используют его и выделяют кислород.

Но не существует гарантии, что такой уровень будет постоянным всегда. Повышается количество диоксида углерода, выбрасываемого в атмосферу. Это происходит из-за использования топлива человечеством. А оно, как известно, образовалось из окаменелостей органического происхождения и в воздух попадает диоксид углерода. А тем временем самые большие растения нашей планеты, деревья, уничтожаются с нарастающей скоростью. За минуту исчезают километры леса. Это значит, что часть кислорода в воздухе постепенно падает и ученые уже сейчас бьют тревогу. Земная атмосфера - не безграничная кладовая и кислород в нее извне не поступает. Он все время вырабатывался вместе с развитием Земли. Нужно постоянно помнить, что этот газ производится растительностью в процессе фотосинтеза за счет потребления углекислого газа. И любое существенное уменьшение растительности в виде уничтожения лесов, неотвратимо снижает попадание кислорода в атмосферу, тем самым, нарушая его баланс.

Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха

Физиология дыхания

Жизнедеятельность живого организма связана с поглощением им О 2 и выделœением СО 2 . По этой причине в понятие дыхание входят всœе процессы, связанные с доставкой О 2 из внешней среды внутрь клеток и выделœением СО 2 из клетки в окружающую среду.

Под физиологией дыхания понимают следующие процессы: внешнее дыхание, газообмен в легких, транспорт газов кровью, тканевое и клеточное дыхание.

Внешнее дыхание осуществляется дыхательным аппаратом человека. К нему относятся грудная клетка с мышцами, приводящими ее в движение и легкие с воздухоносными путями. Главными дыхательными мышцами являются диафрагма и межреберные мышцы – внутренние и наружные.

При вдохе происходит сокращение мышечных волокон диафрагмы, она уплощается и опускается вниз. При этом грудная клетка увеличивается в вертикальном направлении. Сокращение наружных реберных мышц поднимает ребра и отодвигает их в стороны, а грудину – вперед. При этом грудная клетка расширяется в поперечном и переднезаднем направлениях. При расширении грудной полости пассивно расширяются и легкие за счёт атмосферного давления, действующего через воздухоносные пути на внутреннюю поверхность легких. При расширении легких воздух в них распределяется в большем объёме и давление в полости легких становится ниже атмосферного (на 3-4мм.рт.ст.). Разность давления является причиной того, что атмосферный воздух начинает поступать в легкие – происходит вдох.

Выдох осуществляется в результате расслабления дыхательных мышц. Когда прекращается их сокращение грудная клетка опускается и возвращается в исходное положение. Расслабившаяся диафрагма поднимается вверх и принимает форму купола. Растянутые легкие уменьшаются в объёме. Все вместе взятое приводит к повышению внутрилегочного давления. Воздух выходит из легких наружу – происходит выдох.

Газообмен или вентиляция легких - ϶ᴛᴏ объём воздуха, проходящий через легкие в одну минуту – минутный объём дыхания. В покое он равен – 5-8 л/мин, при мышечной работе увеличивается.

Человек вдыхает атмосферный воздух, в котором содержится 20,94% кислорода, 78,03% азота͵ 0,03% углекислого газа. Выдыхаемый воздух содержит кислорода меньше (16,3%) и 4% углекислого газа. За счёт разности парционального давления О 2 во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе, кислород из воздуха поступает в альвеолы легких. Парциональное давление СО 2 в капиллярах венозной крови равно 47мм.рт.ст., а парциональное давление СО 2 в альвеолах равно 40. За счёт разности парционального давления СО 2 из венозной крови выходит в воздух. Азот в газообмене не участвует. Условия газообмена в легких настолько благоприятны, что, не смотря на то, что время прохождения крови через капилляры легких составляет около 1 секунды, напряжение газов в альвеолярной крови, оттекающих от легких таково, каким оно было бы и после длительного контакта.

В случае если вентиляция легких недостаточна и в альвеолах повышается содержание СО 2 ,то повышается уровень СО 2 и в крови, что немедленно приводит к усилению дыхания – одышке.

Перенос газов кровью.

Газы очень слабо растворяются в жидкости: 100мл крови могут физически растворить около 2% кислорода и 3-4% углекислого газа. Но в эритроцитах крови содержится гемоглобин, который способен химически связывать О 2 и СО 2 . Соединœение гемоглобина с кислородом принято называть оксигемоглобин Hb+О 2 ®HbО 2 , который содержится в артериальной крови. Оксигемоглобин – не прочное соединœение если учесть, что в крови человека содержится около 15% гемоглобина, то 100мл крови могут принœести до 21мл О 2 . Это так называемая кислородная емкость крови. Оксигемоглобин с артериальной кровью направляется к тканям и клеткам, где в результате непрерывно идущих окислительных процессов потребляется О 2 . Гемоглобин подхватывает выделившийся из тканей углекислый газ и образуется непрочное соединœение HbСО 2 – карбгемоглобин. В такое соединœение вступает около 10% выделившегося углекислого газа. Остальная часть соединяется с водой и превращается в угольную кислоту. Эта реакция ускоряется в тысячи раз особым ферментом – карбоангидразой, находящийся в эритроцитах. Далее угольная кислота в тканевых капиллярах реагирует с ионами натрия и калия, образуя бикарбонаты (NaHСО 3 , KHСО 3). Все эти соединœения транспортируются к легким.

Гемоглобин особенно легко соединяется с угарным газом СО 2 (оксид углерода) с образованием карбоксигемоглобина, неспособного к переносу кислорода. Его химическая сродство к гемоглобину почти в 300 раз выше, чем к О 2 . Так при концентрации СО в воздухе, равной 0,1%, около 80% гемоглобина крови оказывается в связи не с кислородом, а с угарным газом. Вследствие этого в организме человека возникают симптомы кислородного голодания (рвота͵ головная боль, потеря сознания). Легкая степень отравления угарным газом является обратимым процессом: СО постепенно отщепляется от гемоглобина и выводится при дыхании свежим воздухом. В тяжелых случаях наступает гибель организма.

Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха" 2017, 2018.