Воздух: чем мы дышим?

Транспорт кислорода в организме

Значение дыхания.

Дыхание — это совокупность физиологических процессов, обеспечивающих газообмен между организмом и внешней средой (внешнее дыхание), и окислительных процессов в клетках, в результате которых выделяется энергия (внутреннее дыхание). Обмен газов между кровью и атмосферным воздухом (газообмен) — осуществляется органами дыхания.

Источником энергии в организме служат пищевые вещества. Основным процессом, освобождающим энергию этих веществ, является процесс окисления. Он сопровождается связыванием кислорода и образованием углекислого газа. Учитывая, что в организме человека нет запасов кислорода, непрерывное поступление его жизненно необходимо. Прекращение доступа кислорода в клетки организма ведёт к их гибели. С другой стороны, образованный в процессе окисления веществ углекислый газ должен быть удалён из организма, так как накопление значительного количества его опасно для жизни. Поглощение кислорода из воздуха и выделение углекислого газа осуществляется через систему органов дыхания.

Биологическое значение дыхания заключается в:

• обеспечении организма кислородом;
• удалении углекислого газа из организма;
• окислении органических соединений БЖУ с выделением энергии, необходимой человеку для жизнедеятельности;
• удалении конечных продуктов обмена веществ (пары воды, аммиака, сероводорода и т.д.).

В чем разница между воздушным и капельным распространением?

Когда мы чихаем, кашляем или разговариваем, мы выталкиваем частицы разных размеров.

Более крупные, влажные капли размером более 5-10 миллионных долей метра (мкм или микрометр) падают на землю в течение нескольких секунд или приземляются на другую поверхность.

Эти влажные капли в настоящее время считаются наиболее опасными маршрутами SARS-CoV-2.

Но более мелкие частицы не участвуют в распространении SARS-CoV-2.

Мелкие частицы остаются во взвешенном состоянии в воздухе и очень быстро испаряются (менее чем с десятой доли секунды в сухом воздухе). Они оставляют после себя гелеобразные частицы, состоящие из белков, солей и прочего, в том числе и вирусов.

Эти остатки называются «каплевидными ядрами» и их можно вдыхать. Они могут оставаться наверху в течение нескольких часов, преодолевая воздушные потоки через больничный коридор, торговый центр или офисный блок. Вот что мы имеем в виду, когда говорим о том, что что-то передается по воздуху.

Но есть еще кое-что, что может распространяться по воздуху. Чтобы заразить человека, ядра капель должны содержать инфекционный вирус. Вирус должен быть способен проникать на наши слизистые оболочки — мягкую слизистую оболочку ушей, носа, конъюнктивы (веко), горла и пищеварительного тракта, и он должен иметь возможность проникать в наши клетки и размножаться.

Также должно быть достаточно вируса, чтобы преодолеть наши ранние иммунные реакции на захватчика и начать инфекцию.

Когда мы кашляем, чихаем или разговариваем, мы выбрасываем частицы разных размеров.

Мы уже знаем, что вирус кори может оставаться в комнате в течение 30 минут после того, как инфицированный человек покинет ее.

Кроме того, коронавирус MERS был захвачен в инфекционной форме из больничных образцов воздуха и признан инфекционным.

Так что есть прецедент.

К другим вирусам, которые могут быть заразны по воздуху, относятся риновирусы (основные причины распространенной простуды) и вирусы гриппа.

Способность общих респираторных вирусов распространяться через частицы, переносимые по воздуху, означает, что не было бы шоком обнаружить, что SARS-CoV-2 также обладал такой способностью.

Но нет никаких доказательств, что это происходит в настоящее время.

Физические свойства

Насыщение тканей газами

При погружении (увеличении давления) парциальное давление газов в дыхательном тракте — выше чем в тканях. Таким образом газы насыщают кровь, а через кровоток насыщаются все ткани организма. Скорость насыщения различна для разных тканей и характеризуется «периодом полунасыщения», т.е. временем, в течение которого при постоянном давлении газа разница парциальных давлений газа и тканей уменьшается вдвое. Обратный процесс называют «рассыщением», он происходит при всплытии (уменьшении давления).  В этом случае парциальное давление газов в тканях выше, чем давление в газа в легких, идет обратный процесс — газ из крови выделяется в легких, кровь с уже меньшим парциальным давлением циркулирует по организму, из тканей газы переходят в кровь и снова по кругу. Газ всегда движется от большего парциального давления к меньшему.

Принципиально важно, что разные газы имеют разную скорость насыщения/рассыщения, обусловленную их физическими свойствами. Растворимость газов в жидкостях тем больше, чем выше давление

В случае, если количество растворенного газа больше предела растворимости при данном давлении — происходит выделение газа, в том числе концентрация в виде пузырьков. Мы это наблюдаем каждый раз, как вскрываем бутылку газированной воды. Так как скорость выведения газа (рассыщения тканей) ограничена физическими законами и газовым обменом через кровь, слишком быстрое падение давления (быстрое всплытие) может привести к образованию пузырьков газа непосредственно в тканях, сосудах и полостях организма, нарушая его работу вплоть до летального исхода. Если давление падает медленно, то организм успевает вывести «лишний» газ за счет разницы парциальных давлений

Растворимость газов в жидкостях тем больше, чем выше давление. В случае, если количество растворенного газа больше предела растворимости при данном давлении — происходит выделение газа, в том числе концентрация в виде пузырьков. Мы это наблюдаем каждый раз, как вскрываем бутылку газированной воды. Так как скорость выведения газа (рассыщения тканей) ограничена физическими законами и газовым обменом через кровь, слишком быстрое падение давления (быстрое всплытие) может привести к образованию пузырьков газа непосредственно в тканях, сосудах и полостях организма, нарушая его работу вплоть до летального исхода. Если давление падает медленно, то организм успевает вывести «лишний» газ за счет разницы парциальных давлений.

Для расчетов этих процессов используются математические модели тканей организма, наиболее популярной является модель Альберта Бюльмана, которая учитывает 16 видов тканей (компартментов) со временем полунасыщения/полурассыщения от 4 до 635 минут.

Наибольшую опасность представляет инертный газ, имеющий максимально большое абсолютное давление, чаще всего это — азот, который составляет основу воздуха и не участвует в метаболизме. По этой причине основные расчеты в массовом дайвинге проводятся по азоту, т.к. воздействие кислорода в плане насыщения на порядки меньше, при этом оперируют понятием «азотная нагрузка», т.е. остаточное количество растворенного в тканях азота.

Таким образом, насыщение тканей зависит от состава газовой смеси, давления и продолжительности его воздействия. Для начальных уровней дайвинга практикуются ограничения по глубине, продолжительности погружения и минимальному времени между погружениями, заведомо не допускающие ни при каких условиях насыщения тканей до опасных уровней, т.е. бездекомпрессионные погружения, и даже в этом случае принято выполнять «остановки безопасности» .

«Продвинутые» дайверы используют дайв-компьютеры, которые динамически рассчитывают насыщение по моделям в зависимости от газа и давления, в том числе рассчитывают «компрессионный потолок» — глубину, всплытие выше которой потенциально опасно исходя из текущего насыщения. При сложных погружениях компьютеры дублируются, не говоря уже о том, что одиночные погружения как правило не практикуются.

Загрязнение окружающей среды, атмосферы

Основными загрязнителями воздуха считаются диоксид углерода, угарный газ или оксид углерода, углеводороды, производные серы, производные азота и радиоактивные вещества.

Антропогенные источники загрязнения атмосферного воздуха — это предприятия металлургической, химической, топливной, машиностроительной промышленности, сельскохозяйственная деятельность, теплоэнергетические установки, отопление жилых помещений углём и дровами, а также транспорт.

Интересные факты говорят о том, что загрязнение в атмосфере – это главный фактор роста числа респираторных заболеваний, как острых, так и хронических. Вредные примеси, что содержатся в воздухе, способствуют развитию рака лёгких, болезни сердца и инсульта. Если верить оценкам ВОЗ, то из-за загрязнения воздуха в мире преждевременно умирает 3,7 млн человек в год. 

Мне нравитсяНе нравится

Французский язык популярнее в Африке, чем в Европе

На Северном Сентинельском острове до сих пор обитает первобытное племя

Виадук Мийо над долиной Тарн – самый высокий мост в мире

Подводный ресторан на Мальдивах находится на глубине 5 метров

Самое высокое здание Европы Башня «Федерация» находится в Москве

В мексиканской пустыне пропадают радиосигналы и встречаются необычные существа

Стеклянный пляж в Калифорнии — не что иное, как бывшая свалка

Чаще других животных на гербах стран встречается лев

Из чего состоит воздух?

В воздухе больше всего содержится азота. И его содержание составляет 78% по объему и 75% по массе. В связи с этим азот обладает званием самого распространенного на Земле вещества. Кроме этого, он содержится и за пределами существования человечества. Азот есть на таких планетах, как Нептун и Уран.
Количество кислорода в воздухе колеблется в пределах 21% по объему и 23% по массе. Совместно с азотом такие 2 газа образуют 99% всего воздуха на Земле. Но процент кислорода в воздухе меньший, нежели азота, и это позволяет живым существам не испытывать проблем с дыханием.
В состав воздуха входит и аргон, занимающий третье место. Он не имеет запаха, вкуса и цвета. Значимая биологическая роль данного газа не выявлена, но он действует как наркотическое вещество и является допингом.
Углекислый газ является составляющим компонентом атмосферы Марса и Венеры. Его процентная доля в земном воздухе несколько ниже. При этом большое количество углекислоты есть в океане, и он постоянно поставляется всеми организмами, которые умеют дышать. Также он выбрасывается промышленными объектами. В человеческой жизни углекислый газ используют при пожаротушениях и в виде пищевой добавки Е290 в кулинарии. В твердом виде углекислота – это знаменитый хладагент «сухой лед».
Пятый по распространению химический элемент, который также вдыхается с воздухом человеком – это неон. Как и множество других инертных газов, он воздействует на живое существо как наркотик, но именно данный газ используется при подготовке водолазов и других людей, что работают в условиях повышенного давления. 
Метан и воздух взаимосвязаны и имеют древнейшую историю. В первичной атмосфере, еще до появления человека, метан использовался в куда большем количестве. На сегодня данный газ, что добывается и используется в качестве топлива и сырья при производстве, не так широко распространен в атмосфере, но этот газ по-прежнему выделяется из недр Земли.
То, что гелий тоже содержится в воздухе, дано понять каждому

Этот газ не относят к числу первостепенных по важности, и его биологическое значение определить сложно. 
Криптон – это инертный газ, который в 3 раза тяжелее воздуха. Он химически инертный и добывают его из воздуха

Используют данный газ в лазерах и лампах накаливания. Из интересных свойств криптона можно выделить то, что при давлении в 3,5 атмосферы он окажет на человека наркотический эффект, а при 6 атмосферах приобретет неприятный и резкий запах.
Водород в воздухе занимает 0,00008% по массе и 0,00005% по объему, но при этом именно он является самым распространенным элементом на планете Земля. 
Последним составляющим воздуха считается такой газ, как ксенон. Его наименование в переводе означает «чужой», а процент содержания его на Земле, и за ее пределами минимальная. Это в свою очередь и обуславливает его огромную цену и значимость для живых существ. 

Составная часть — воздух

Составные части воздуха можно разделить на две группы: постоянные и переменные. К первой группе относятся кислород, азот и инертные газы ( аргон, неон, гелий, криптон, ксенон), содержание которых в воздухе неизменно.
 

Составные части воздуха, важные для фиксации азота, фотосинтеза и дыхания, включают азот, кислород, углекислый, газ и пары воды. Его присутствие с биохимической точки зрения, как правило, не представляет интереса, поскольку он не реакционноспособен. Время удерживания аргона, однако, весьма близко к времени удерживания кислорода на лучших набивных колонках, известных в настоящее время для разделения кислорода и азота ( молекулярное сито); поэтому при анализе аргон следует рассматривать как помеху.
 

Составная часть воздуха, являющаяся азотом, не поддерживает ни дыхания, ни горения, за что она и была названа А.
 

Среди постоянных составных частей воздуха основное значение имеет кислород, необходимый для дыхания всех живых существ, за исключением немногих анаэробных микроорганизмов. В природе постоянно осуществляются процессы потребления и восстановления кислорода. Потребление происходит за счет дыхания человека и животных, процессов горения и окисления. Важнейшим процессом восстановления нормального содержания кислорода является фотосинтез, исходными веществами для которого служат диоксид углерода и вода. Это окислительно-восстановительный процесс, в котором вода разлагается с образованием кислорода и водорода, причем последний восстанавливает диоксид углерода. Основную роль в восстановлении кислорода планеты играет фитопланктон океанов, и несколько меньшую — наземные растения.
 

К постоянным составным частям воздуха относятся кислород, азот и так называемые инертные газы. Содержание их в воздухе повсеместно одинаково.
 

Кислород как составная часть воздуха был открыт только в конце XVIII столетия. Нагревая окись ртути и свинцовый сурик с помощью концентрированных солнечных лучей, которые он собирал в фокусе огромной линзы, Пристли обнаружил, что эти вещества выделяют газ, энергично поддерживающий горение.
 

Аргон, новая составная часть воздуха.
 

Аргон, новая составная часть воздуха.
 

Если учитывать только постоянные составные части воздуха, то его состав можно выразить данными, приведенными в табл. 18.2. Масса 1 л воздуха при 20 С и нормальном атмосферном давлении равна 1 293 г. При температуре — 140 С и давлении около 4 МПа воздух конденсируется в бесцветную прозрачную жидкость.
 

Одна из составных частей воздуха, необходимая нам в процессе дыхания.
 

Из всех составных частей воздуха азот, кислород и инертные газы являются основными, содержащимися в воздухе в постоянных количествах. Содержание углекислого газа и особенно водяного пара может значительно колебаться. Воздух, освобожденный от пыли, углекислого газа и водяного пара, бесцветен.
 

Соотношение между постоянными составными частями воздуха в нижних слоях атмосферы почти не меняется с высотой.
 

Соотношение между постоянными составными частями воздуха в нижних слоях атмосферы с высотой почти не меняется.
 

Соотношение между постоянными составными частями воздуха в нижних слоях атмосферы с изменением высоты почти не меняется.
 

Азот

Воздух – смесь газов, первым из которых является азот. Седьмой элемент периодической системы Дмитрия Менделеева. Первооткрывателем считается шотландский химик Даниил Резерфорд в 1772 г.

Входит в состав белков и нуклеиновых кислот человеческого организма. Хоть его доля в клетках невелика – не более трех процентов, газ имеет важнейшее значение для нормальной жизнедеятельности.

В составе воздуха его содержание — более семидесяти восьми процентов.

В нормальных условиях не имеет цвета и запаха. Не вступает в соединения с другими химическими элементами.

Наибольшее количество азота используют в химической промышленности, в первую очередь при изготовлении удобрений.

Используется азот в медицинской промышленности, при производстве красителей, взрывчатых веществ.

В косметологии при помощи газа лечат угри, рубцы, бородавки, систему терморегуляции организма.

С применением азота синтезируют аммиак, изготовляют азотную кислоту.

При добыче газа и нефти азотом поддерживают давление между пластами. При бурении новых скважин газ позволяет жидкости фонтанировать.

В горной промышленности азот используют при тушении труднодоступных очагов возгорания. В металлургии и коксохимической отраслях – для укрепления материалов и улучшения цементизации.

В электронной промышленности – для окисления полупроводников и электрических цепей.

Используется при продувке и испытании трубопроводов.

Жидкий азот используют в роли хладагента. Этим газом накачивают шасси летательных аппаратов и колеса обычных автомобилей. Годовое производство азота превышает семьдесят миллионов тонн.

Газ получил широкое распространение благодаря своим уникальным свойствам и относительной дешевизне.

Баллоны с азотом — черного цвета с желтой маркировкой.

Теплопроводность воздуха

Окружающий воздух практически не проводит тепло. Особенность задерживать тепловой заряд широко используется человеком и животными. Ограничивая подвижность потока, воздушная прослойка задерживает теплообмен организмов, создаёт комфортный микроклимат.

При нагревании с воздухом происходит расширение и он поднимается, становится разреженным. Изменяется его химический состав и влажность. Водяной пар распадается на отдельные газы, становится более летучим.

При охлаждении воздух сжимается и он опускается. Незначительное содержание твёрдых частиц в газах окисляется и насыщается водяными парами. Воздух становится тяжелее и плотнее.

Почему распространение по воздуху было бы такой проблемой?

Воздушно-капельное распространение означало бы, что вирус может распространяться и дальше. Он мог распространяться через нефильтрованные каналы кондиционирования воздуха и достигать людей дальше от инфицированного человека, несмотря на то, что они не находились в их прямой видимости.

Это также повлияет на то, насколько далеко от пациента необходимо очистить твердые поверхности и нужно ли будет шире использовать меры предосторожности, связанные с воздушными средствами индивидуальной защиты (СИЗ), такие как респираторные маски P2. Наше определение «достаточного контакта» для того, чтобы кто-то мог быть возможной новой инфекцией, может расшириться, что будет означать, что больше людей должны контролироваться, тестироваться и, возможно, помещаться в карантин для каждого известного пациента

Наше определение «достаточного контакта» для того, чтобы кто-то мог быть возможной новой инфекцией, может расшириться, что будет означать, что больше людей должны контролироваться, тестироваться и, возможно, помещаться в карантин для каждого известного пациента.

Но даже если воздушный маршрут будет найден в будущем, он вряд ли станет основным маршрутом передачи.

Люди, которые болеют и проявляют такие симптомы, как кашель и чихание, обычно производят и удаляют вирусы в большем количестве, чем те, у кого меньше симптомов. Эти больные люди с большей вероятностью распространяют вирус через более крупные влажные капли, физический контакт и загрязнение поверхностей и объектов.

Интересные факты

1. Автомобилями всего мира потребляется огромное количество воздуха. И это количество больше, чем потребляет человек. Некоторыми моделями с мощными двигателями за минуту езды сжигается такое количество газа, которого человеку хватит даже на неделю.
2. Больше всего воздуха в мире вырабатывается лесами Южной Америки и сибирскими массивами. По такой же причине джунгли Амазонии еще называются «легкими Земли».
3. Охладив кислород до температуры -150 градусов и оказывая на него давление, приравниваемое к 60 атмосферам, воздух приобретает жидкую форму.
4. Ученым удалось установить, что спортсмены, которые постоянно погружаются в воду без снаряжения, могут обойтись без воздуха до 9 минут. Для обыкновенного человека данный показатель меньший практически в 2 раза.
5. Скорость воздушной массы в носовых ходах в момент чихания человека составляет более 47 м/с, а при спокойном дыхании – менее 0,7 м/с.
6. Пятая часть потребляемого всеми организмами воздуха вырабатываются зелеными насаждениями, за что они и называются «легкими планеты».
7. Воздух не удастся увидеть, но опосредованными подтверждениями доказано, что у него синий цвет. Все заключается в том, что солнечные лучи, пробиваясь через толстый слой атмосферы, сталкиваются с воздушными частицами. В связи с этим белый свет разлагается на разноцветные компоненты. Сильнее же всего начинает рассеиваться синяя часть спектра, которая и улавливается человеческими глазами.
8. Больше 90% всех простудных заболеваний люди получают именно в помещении, а не на свежем воздухе.