Влияние углекислого газа - OXFORDST.RU

Влияние углекислого газа

Воздействие углекислого газа на организм человека, участие в процессах жизнедеятельности

Вступление

Из курса биологии (анатомии) школьной программы известно, что наш организм дышит кислородом (O2). Однако на уроках не рассматривается вопрос о том, какое значение имеет углекислый газ в крови для нашего здоровья? Многие не знают, что CO2 влияет на здоровье всех органов человека и регулирует биохимические процессы, протекающие в организме.

Дыхание

При изучении дыхания и образования диоксида углерода в теле человека иногда путают углекислый и угарный газы между собой. Угарный газ имеет химическую формулу CO и совершенно другие свойства.

Оксид углерода (CO), это ядовитое вещество, которое при попадании через легкие в кровь даже в минимальном количестве опасно для жизни и здоровья.

Дыхание происходит следующим образом — человек сначала выдыхает углекислоту, а потом вдыхает кислород:

  • В результате биохимических процессов при расщеплении жиров и белков в клетках происходит процесс образования углекислого газа в организме человека. Этот газ выделяется из клеток в капилляры, а затем поступает в кровь. При накоплении крови газом нервная система подает сигнал в мозг о выделении излишков двуокиси углерода за пределы нашего тела. Красные кровяные тельца (эритроциты) транспортируют молекулы углекислоты в виде химических соединений бикарбонатов и связанных с гемоглобином к альвеолам легких.
  • В альвеолах происходит обмен молекул углекислого газа на молекулы O2, которые распространяются по всему организму. Эритроциты переносят молекулы кислорода к органам и тканям, связывая его с гемоглобином, а взамен опять забирают продукт жизнедеятельности этих клеток – CO2.

Процесс газообмена.

Доказанным фактом считается то, что углекислота, это основатель дыхательных процессов, а не кислород, как считалось ранее. Двуокись углерода является необходимым газом для дыхания человека наравне с O2.

Газообмен в альвеолах

При выдохе человек выдыхает не только CO2, из легких уходит также избыточный O2. Рефлекс дыхания разделяется в 2 этапа:

  1. При выдыхании происходит снижение давления в легких, купол диафрагмы поднимается, легкие сжимаются, концентрация CO2 в крови повышается. Кровь движется по венам и окрашивается темный, почти черный цвет.
  2. За выдохом идет вдох. При вдохе грудная клетка расширяется, диафрагма опускается. Осуществляется отдача от гемоглобина через альвеолы в легкие и выброс в атмосферу диоксида углерода. Там же в альвеолах происходит прием гемоглобином молекулы O2. Кровь переходит на следующий круг и движется по артериям. Она окрашивается в ярко-розовый цвет.

Нормальный здоровый человек дышит ровно и регулярно. Учащенное дыхание или с задержкой, если это не вызвано большими физическими или психологическими нагрузками, считается сигналом о серьезных заболеваниях организма.

Транспорт кровью и связь с кислородом.

Существует два круга кровообращения в организме: большой артериальный и малый венозный. По большому кругу транспортируется артериальная кровь, насыщенная кислородом. По малому кругу движется венозная кровь, насыщенная CO2.

Транспорт газов кровью

Раньше существовало мнение, что с выдохом углекислый газ в организме человека не остается. Однако как показывают исследования, в артериальной крови всегда присутствует определенное количество углекислоты. Концентрация ее небольшая, в пределах 6,0-7,0%, но если она превышает или наоборот, меньше этого количества, то для организма это плохо. Появляется либо переизбыток O2 в крови (Гипероксия), либо его недостаток (Гипоксемия). Это происходит потому, что обмен этими газами взаимосвязан. Чтобы эритроцит мог поглотить молекулу кислорода и связать ее с гемоглобином, он должен удалить в атмосферу молекулу диоксида углерода.

Зависимость здоровья от содержания углекислоты

При физических нагрузках обменные процессы в клетках ускоряются, чтобы вывести большее количество углекислоты, человеку необходимо чаще и глубже дышать. Процесс происходит рефлекторно. В таких случаях опасно находится в помещении с высокой концентрацией CO2, так как вместе с O2 человек вдыхает двуокись углерода. Это приводит к повышению ее концентрации в крови, а дальше к приступам удушья. Появляются головокружение, тошнота, вялость, учащается сердцебиение и дыхание (Гиперкапния).

Изучая процессы дыхания и газообмена в организме человека, ученые пришли к выводу, что опасен для здоровья не столько недостаток кислорода, сколько избыток диоксида углерода в воздухе.

Газ CO2 не является сильнодействующим отравляющим веществом, но так как гемоглобин занятый углекислым газом не принимает кислород, то происходит эффект удушения, вплоть до летального исхода.

Высокая концентрация этого вещества в крови приводит к гибели эритроцитов и воспалению стенок кровеносных сосудов. Так происходит если наличие углекислого газа в воздухе более 3 %. При таком уровне человек чувствует себя слабым, его тянет на сон. При концентрации 5% проявляется удушающий эффект, головные боли, головокружение.

Желудочно-кишечный тракт

Углекислый газ в организм попадает не только при дыхании, но и вместе с пищей. Углерод содержится практически во всех органических веществах, наибольшая концентрация содержится в продуктах растительного происхождения. Больше всего его образуется при расщеплении легкоусвояемых углеводов.

Углекислота влияет на химический состав жидкости в теле человека, хотя и не так значительно, но при сильном понижении или превышении может оказывать губительное воздействие. В организме почти все процессы жизнедеятельности клеток происходят при определенном уровне кислотно-щелочного баланса, который скорее близок к нейтральной воде, чем к кислоте. Наличие повышенной концентрации CO2 в употребляемых продуктах сильно меняет состав жидкости в теле человека. Это также влияет на протекание биохимических процессов. Происходит нарушение обмена веществ, гибель клеток или неправильный процесс их деления, что очень опасно.

Продукты и их кислотно-щелочной баланс

Поэтому продукты, содержащие CO2 в свободном состоянии (газировка) во многих странах запрещены к продаже.

Наибольший вред они наносят организму:

  • При любых заболеваниях желудочно-кишечного тракта, в том числе хронических. Так как при приеме в пищу таких продуктов, происходит раздражение слизистой желудка. Они стимулируют выработку ферментов и повышают кислотность желудочного сока, что приводит к обострению имеющихся воспалительных процессов, образованию или углублению язвочек.
  • Детям, до трех лет не стоит давать такие продукты, потому что их организм еще не совсем сформировался. Поэтому углекислота может привести к нарушению обмена веществ в организме и в будущем стать причиной высокой хрупкости костей.
  • Диоксид углерода может вызвать аллергическую реакцию у человека.
  • При наличии лишнего веса нельзя употреблять такие продукты, так как полнота, это следствие нарушения обмена веществ. А употребление продуктов с высоким содержанием CO2 приведет только к усугублению ситуации.

Во многих западных странах принят закон, в соответствии с которым наличие углекислого газа в продуктах не должно превышать 0,4%. Исключение дается только простой минеральной воде с газом, но только в том случае, если она содержит незначительное количество диоксида углерода. Но и это допустимо только по разрешению или рекомендации врача, особенно при болезнях желудка.

Красота и здоровье

Однако CO2 имеет и положительно действие на организм человека. Так диоксид углерода является очень мощным обеззараживающим средством. Его используют в медицине и косметологии. Применяют углекислый газ совместно с другими компонентами, наружно, а также производят инъекции (Карбокси-терапия). Крем или гель, содержащий углекислоту, хорошо обеззараживает и очищает кожу, а непосредственное введение его во внутренние ткани тела помогает бороться с целлюлитом.

Вдыхание воздуха с высоким содержанием углекислоты в определенных пределах или задержка дыхания также приводят к омоложению и задержке процесса старения на клеточном уровне. Увеличенное содержание CO2 в артериальной крови способствует расширению сосудов и как следствие наилучшему и полному снабжению клеток организма кислородом.

Заключение

Очень жаль, что система образования в наших странах не уделяет столь важного внимания для пересмотра учебников в школах и институтах. Полученные знания об углекислоте необходимо доводить со школьной скамьи до учащихся образовательных учреждений. Знания многих процессов, протекающих в организме с участием диоксида углерода, могли бы научить нас правильному питанию и ведению здорового образа жизни. Продление жизни нашего организма тесно связано с наличием углекислого газа в нем, поэтому применяя на практике полученные знания, мы бы могли обеспечить себе здоровую и долгую жизнь.

Влияние концентрации углекислого газа на организм человека

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассмотрено влияние концентрации углекислого газа на организм человека. Данная тема актуальна в связи с частым нарушением уровня комфортной концентрации СО2 в закрытых помещениях, а также в связи с отсутствием в России нормативов на содержание углекислоты.

ABSTRACT

In this paper, the effect of the concentration of carbon dioxide on the human body is considered. The actual topic is topical in connection with the frequent violation of the level of comfort of CO2 concentration in enclosed premises, as well as in concentration with the absence in Russia of standards for the content of carbon dioxide.

Дыхание — физиологический процесс, гарантирующий течение метаболизма. Для комфортного существования человек должен дышать воздухом, состоящим из 21,5% кислорода и 0,03 – 0,04% углекислого газа. Остальное заполняет двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха, один из самых распространённых элементов на Земле – азот.

Таблица 1.

Параметры содержания кислорода и углекислого газа в различных средах [2]

Среда О2 СО2
Атмосферный воздух, % 20,9 0,03
Выдыхаемый воздух, % 16,4 4
Альвеолярный воздух, мм рт. ст. (парциальное давление) 105-110 40
Артериальная кровь, мм рт. ст. 100 40
Венозная кровь, мм рт. ст. 40 46
Ткани:межтканевая жидкость, мм рт. ст.клетки, мм рт. ст. 20-400,1-10,0 46-6060-70

При концентрации углекислого газа выше 0,1% (1000 ppm [parts per million]) возникает ощущение духоты: общий дискомфорт, слабость, головная боль, снижение концентрации внимания. Также увеличивается частота и глубина дыхания, происходит сужение бронхов, а при концентрации выше 15% — спазм голосовой щели. При длительном нахождении в помещениях с избыточным количеством углекислого газа происходят изменения в кровеносной, центральной нервной, дыхательной системах, при умственной деятельности нарушается, восприятие, оперативная память, распределение внимания.

Существует ошибочное мнение, что это проявления нехватки кислорода. На самом деле, это признаки повышенного уровня углекислого газа в окружающем пространстве.

Читайте также  Общее устройство коробки передач автомобиля

В то же время углекислый газ, необходим организму. Парциальное давление углекислого газа влияет на кору головного мозга, дыхательный и сосудодвигательный центры, углекислый газ также отвечает за тонус сосудов, бронхов, обмен веществ, секрецию гормонов, электролитный состав крови и тканей. А значит, опосредованно влияет на активность ферментов и скорость почти всех биохимических реакций организма.

Уменьшение содержания кислорода до 15% или увеличение до 80% не существенно влияет на организм. В то время как на изменение концентрации углекислого газа на 0,1% оказывает существенное негативное воздействие. Отсюда можно сделать вывод о том, что углекислый примерно в 60-80 раз важнее кислорода.

Таблица 2.

В зависимость количества выделяемого углекислого газа от вида деятельности человека [1]

Состояние спокойного бодрствования

Современный человек очень много времени проводит в помещении. В условиях сурового климата люди пребывают на улице всего 10 % своего времени.

В помещении концентрация углекислоты растет быстрее, чем понижается концентрация кислорода. Данную закономерность можно проследить по графикам, полученным опытным путем в одном из школьных классов

Рисунок 1. Зависимость уровня углекислого газа и кислорода от времени [1].

Уровень углекислого газа в классе во время урока (а) постоянно растет. (Первые 10 минут — настройка приборов, поэтому показания скачут.) За 15 минут перемены при открытом окне концентрация СО2 падает и затем снова растет. Уровень кислорода (б) практически не меняется.

При концентрации углекислого газа внутри помещения выше 800 — 1000 ppm, люди, работающие там, испытывают синдром больного здания (СБЗ), а здания носят наименование «больные». Уровень примесей, которые могли бы вызвать раздражение слизистых оболочек, сухой кашель и головную боль растет значительно медленнее, чем уровень углекислого газа. А когда в офисном помещении его концентрация опускалась ниже 800 ppm (0,08%), то и симптомы СБЗ становились слабее. Проблема СБЗ стала актуальна после появления герметичных стеклопакетов и низкой эффективности принудительной вентиляции из-за экономии электроэнергии. Бесспорно, причинами СБЗ могут выступать выделения строительных и отделочных материалов, споры плесени и т д. при ненадлежащей вентиляции концентрация этих веществ будет расти, но не так быстро, как концентрация углекислоты.

Таблица 3.

Как разные количества углекислого газа в воздухе влияют на человека [1]

Уровень СО2, ррm Физиологические проявления
380-400 Идеальный для здоровья и хорошего самочувствия человека.
400-600 Нормальное качество воздуха.Рекомендовано для детских комнат, спален, школ и детских садов.
600-1000 Появляются жалобы на качество воздуха. У людей, страдающих астмой могут учащаться приступы.
Выше 1000 Общий дискомфорт, слабость, головная боль. Концентрация внимания падает на треть. Растет число ошибок в работе. Может привести к негативным изменениям в крови. Может вызывать проблемы с дыхательной и кровеносной системами.
Выше 2000 Количество ошибок в работе сильно возрастает. 70 % сотрудников не могут сосредоточиться на работе.

Проблема повышенного уровня углекислого газа в помещении существует во всех странах. Ей активно занимаются в Европе США и Канаде. В России нет жестких норм на содержание в помещениях углекислого газа. Обратимся к нормативной литературе. В России норма воздухообмена не менее 30 м 3 /ч [3]. В Европе – 72 м 3 /ч [5].

Рассмотрим, как были получены данные цифры:

Главный критерий – это объем углекислого газа, выделяемый человеком. Он, как было рассмотрено ранее, зависит от вида деятельности человека, а также от возраста, пола и т. д. Большинство источников рассматривают 1000 ppm как предельно-допустимую концентрацию углекислоты в помещении для длительного пребывания.

Для расчётов будем использовать обозначения:

  • V — объем (воздуха, углекислого газа, и т.д.), м 3 ;
  • Vk — объем комнаты, м 3 ;
  • VСО2 — объем СО2 в помещении, м 3 ;
  • v — скорость газообмена, м 3 /ч;
  • vв — «скорость вентиляции», объем воздуха, подаваемого в помещение (и удаляемого из него) за единицу времени, м 3 /ч;
  • vd — «скорость дыхания», объем кислорода, замещаемого углекислым газом в единицу времени. Коэффициент дыхания (неравность объема потребляемого кислорода и выдыхаемого углекислого газа) не учитываем, м 3 /ч;
  • vСО2 — скорость изменения объема СО2 , м 3 /ч;
  • k – концентрация, ppm;
  • k(t) — концентрация СО2 от времени, ppm;
  • kв — концентрация СО2 в подаваемом воздухе, ppm;
  • kmax — максимально допустимая концентрация СО2 в помещении, ppm;
  • t – время, ч.

Найдем изменение объема СО2 в помещении. Оно зависит от поступления СО2 с приточным воздухом из системы вентиляции, поступления СО2 от дыхания и удаления загрязненного воздуха из помещения. Будем считать, что СО2 равномерно распределяется по помещению. Это значительное упрощение модели, но дает возможность быстро оценить порядок величин.

Отсюда скорость изменения объема СО2:

Если человек вошел в помещение, то концентрация СО2 будет расти до тех пор, пока не придет к равновесному состоянию, т.е. удаляться из комнаты будет ровно столько, сколько поступила с дыханием. То есть скорость изменения концентрации будет равна нулю:

Установившаяся концентрация будет равна:

Отсюда легко выяснить необходимую скорость вентиляции при допустимой концентрации:

Для одного человека с vd = 20л/час (=0.02 м 3 /ч), kmax = 1000ppm (=0.001) и чистым воздухом за окном с vв = 400ppm (=0.0004) получим:

vв = 0.02 / (0.001 — 0.0004) = 33 м 3 /ч.

Мы получили цифру, данную в СП. Это минимальный объем вентиляции на человека. Она не зависит от площади и объема комнаты, только от «скорости дыхания» и объема вентиляции. Таким образом, в состоянии спокойного бодрствования концентрация СО2 вырастет до 1000 ppm, а при физической активности будет превышение норм.

Для других значений kmax объем вентиляции должен быть:

Таблица 4.

Требуемый воздухообмен для поддержания заданной концентрации СО2

Концентрация СО 2 , ppm Требуемый воздухообмен, м 3 /ч
1000 33
900 40
800 50
700 67
600 100
500 200

Из этой таблицы можно найти требуемый объем вентиляции при заданном качестве воздуха.

Таким образом, воздухообмен 30 м 3 /ч, принятый нормативным в России не позволяет чувствовать себя комфортно в помещении. Европейский стандарт воздухообмена 72 м 3 /ч позволяет одерживать концентрацию углекислого газа, не влияющую на самочувствие человека.

1. И. В. Гурина. «Кто ответит за духоту в помещении» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://swegon.by/publications/0000396/ (Дата обращения: 25.06.2017)
2. Кислород и углекислый газ в крови человека. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.grandars.ru/college/medicina/kislorod-v-krovi.html (Дата обращения: 23.06.2017)
3. СП 60.13330.2012 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» стр. 60 (приложение К).
4. Что такое углекислый газ? [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://zenslim.ru/content/%D0%A3%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D0%B8%D1%81%D0%BB%D1%8B%D0%B9-%D0%B3%D0%B0%D0%B7-%D0%B2%D0%B0%D0%B6%D0%BD%D0%B5%D0%B5-%D0%BA%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%B0-%D0%B4%D0%BB%D1%8F-%D0%B6%D0%B8%D0%B7%D0%BD%D0%B8 (Дата обращения: 13.06.2017)
5. EN 13779 Ventilation for non-residential buildings – p.57 ( Table A/11)

канд. техн. наук, доцент Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин) , 630008, РФ, Новосибирск, улица Ленинградская, 113

сandidate of technical sciences, associate professor of Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (Sibstrin), 630008, Russia, Novosibirsk, Leningradskaya str., 113

студент Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин), 630008, РФ, Новосибирск, улица Ленинградская, 113

student of Novosibirsk State Architectura and Construction University 630008, Russia, Novosibirsk, Leningradskaya str., 113

студент Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин) 630008, РФ, Новосибирск, улица Ленинградская, 113

student of Novosibirsk State Architectural and Construction University Russia, Novosibirsk 630008, Russia, Novosibirsk, Leningradskaya str., 113

Польза углекислого газа для организма

Большинство людей считает, что углекислый газ вреден. Это и неудивительно, ведь о негативных свойствах CO2 нам рассказывали еще в школе на уроках биологии и химии. 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 и чем он полезен?

Углекислый газ в организме человека

Когда мы делаем вдох, наши легкие наполняются кислородом, при этом в нижней части органа – альвеолах – образуется углекислый газ. В этот момент происходит обмен: кислород переходит в кровь, а углекислый газ выделяется из нее. И мы выдыхаем.

Повторяющееся около 15-20 раз за минуту дыхание запускает всю жизнедеятельность организма,
а образующийся при этом углекислый газ влияет сразу на множество жизненно важных функций. Чем же полезен углекислый газ для человека?

CO 2 регулирует возбудимость нервных клеток, влияет на проницаемость клеточных мембран и активность ферментов, стабилизирует интенсивность продукции гормонов и степень их эффективности, участвует
в процессе связывания белками ионов кальция и железа.

Помимо этого углекислый газ – конечный продукт метаболизма. Выдыхая мы удаляем ненужные компоненты, возникшие во время обмена веществ и очищаем свой организм. Процесс обмена веществ при этом непрерывен, поэтому удалять конечные продукты нам необходимо постоянно.

Важно не только наличие, но и количество CO 2 в организме. Нормальный уровень содержания – 6-6,5%. Этого достаточно для того, чтобы все «механизмы» в организме работали правильно, а вы чувствовали себя хорошо.

Недостаток же или избыток углекислого газа в организме приводит к двум состояниям: гипокапнии
и гиперкапнии.

Гипокапния — это нехватка углекислого газа в крови. Возникает при глубоком учащенном дыхании, когда организм выделяет слишком большое количество углекислого газа. Например, после интенсивных занятий спортом. Гипокапния может привести к легкому головокружению или потере сознания.

Гиперкапния — это переизбыток углекислого газа в крови. Возникает в помещениях с плохой вентиляцией. Если концентрация CO2 в помещении будет превышать норму, то его уровень в организме также станет выше.

Из-за этого может заболеть голова, появиться тошнота и сонливость. Особенно часто гиперкапния возникает зимой у офисных работников, а также в больших очередях. Например, на почте или в поликлинике.

Переизбыток углекислого газа может возникнуть и в экстремальных ситуациях, например при задержке дыхания под водой.

Польза углекислого газа для организма

Подробнее о последствиях гиперкапнии и способах борьбы с ней мы расскажем в одной из следующих статей. Сегодня же остановимся на гипокапнии и ее лечении.

Как уже говорилось выше, углекислый газ влияет на многие процессы в нашем организме, поэтому так важно, чтобы его уровень держался в пределах нормы. А привести содержание CO 2 в норму поможет один из видов дыхательной гимнастики.

Читайте также  Исследование движения тел в диссипативной среде 2

Но подобные фразы выглядят не очень убедительно, особенно, когда мы хотим решить какую-то конкретную проблему или избавиться от определенной болезни. Давайте же разберемся, как помогает углекислый газ
и дыхательная гимнастика в конкретных случаях.

Начнем с того, что в процессе занятий на тренажере или стандартных дыхательных практик, кровь человека насыщается углекислым газом, кровоснабжение всех органов улучшается, вследствие чего и появляется положительный эффект.

Организм начинает лечить себя изнутри, оказывая разное воздействие на разные группы органов. Например, улучшение кровоснабжения и повышение уровня CO 2 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.

Углекислый газ 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. Регулярные занятия дыхательной гимнастикой помогают избежать ОРВИ и ОРЗ за счет повышения местного иммунитета.

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.

За счет нормализации просвета сосудов идут на поправку и больные гипотонией. Занятия дыхательной гимнастикой помогают им постепенно справиться с низким артериальным давлением.

Несмотря на все положительные изменения, возникающие в нашем организме при нормализации уровня углекислого газа, он не является панацеей от всех болезней. Это скорее помощь, которую вы оказываете своему организму, занимаясь дыхательной гимнастикой.

Поверьте, после нескольких месяцев занятий, организм обязательно отблагодарит вас хорошим самочувствием. Прежде чем начать занятия, обязательно проверьте уровень CO2 в организме и убедитесь, что дыхательная гимнастика или тренажер «Самоздрав» помогут при вашем заболевании.

А чтобы не пропустить материал о гиперкапнии и получать наши новые статьи на почту, подпишитесь на наш блог. Будем присылать материалы раз в неделю.

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:

  • Дыхание животных и растений.
    Каждому школьнику известно, что растения поглощают углекислый газ CO2 из воздуха и используют его в процессах фотосинтеза. Некоторые хозяйки пытаются обилием комнатных растений искупить недостатки приточной вентиляции. Однако растения не только поглощают, но и выделяют углекислый газ в отсутствие света – это часть процесса дыхания. Поэтому джунгли в плохо проветриваемой спальне – не очень хорошая идея: ночью уровень CO2 будет расти еще больше.
  • Вулканическая деятельность.
    Диоксид углерода входит в состав вулканических газов. В местностях с высокой вулканической активностью CO2 может выделяться прямо из земли – из трещин и разломов, называемых мофетами. Концентрация углекислого газа в долинах с мофетами столь высока, что многие мелкие животные, попав туда, умирают.
  • Разложение органических веществ.
    Углекислый газ образуется при горении и гниении органики. Объемные природные выбросы диоксида углерода сопутствуют лесным пожарам.

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:

  • промышленные выбросы, связанные с процессами сгорания;
  • автомобильный транспорт.

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.

Читайте также  Казахстан в мировом сообществе

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.

О том, как влияет растущий уровень CO2 в атмосфере на организм человека

В статье описывается токсическое влияние концентрации уровня углекислого газа значительно выше ПДК для рабочей зоны на человека и млекопитающих. Детально исследуется предполагаемый физиологический эффект рассчитанных концентраций атмосферного уровня СО 2 в ближайшие 50 лет.

Рис. 1. Изменения в рН крови с увеличением концентрации углекислого газа в атмосфере

Изменение температуры в атмосфере и мировом океане Земли. Данные за 2007 г.

Реконструкция поверхности Земли в эоценовую эпоху

Озеро Натрон в Танзании (Африка), в котором со времен эоценовой эпохи располагаются рекордные мировые запасы карбоната натрия — связанного атмосферного углекислого газа

Эмиссия углекислого газа [тыс. метрических тонн] по странами мира

Впоследнее время много усилий прикладывается к тому, чтобы идентифицировать и уменьшить количество загрязняющих атмосферу веществ. Углекислый газ нельзя считать газом, который отвечает только за то, чтобы пропускать тепло в нашу атмосферу и из нее, сам по себе он является серьезным загрязняющим веществом. Рассмотрим физиологическое влияние увеличения СО2 в атмосфере. Концентрация этого газа не поднималась выше 320 ррм за последние 40 тыс. лет.

Геологические исследования показывают, что концентрация СО2 выше 320 ррм последний раз наблюдалась 27 млн лет назад. Исследования показывают, что увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере связано исключительно с деятельностью человека, такой например, как сжигание топлива.

При теперешней концентрации СО2 в атмосфере, равной 373 ррм, люди и другие млекопитающие уже находятся на неизвестной территории, принимая во внимание то, как может атмосфера с гораздо более высоким содержанием углекислого газа влиять на них.

Физиологическое влияние углекислого газа

Несмотря на то, что предельно допустимая норма для промышленных производств считается 5000 ррм для 8 рабочих часов при 40-часовой рабочей неделе, ни один человек не сможет выдержать такой уровень СО2 в атмосфере 24 часа в сутки 365 дней в году на протяжении всей своей жизни, а также ни один человек не сможет произвести на свет потомство в таких условиях.

Этот уровень относится к рабочим, которые заняты на пивоварнях и в теплицах, где уровень СО2 специально устанавливается в пределах 900 ррм. Таким образом, влияние уровня СО2, которому они подвергаются, является смешанным. Безопасный уровень СО2 для жилых и рабочих помещений не имеет отношения к дискуссии по поводу долговременного влияния повышенного уровня СО2 в атмосфере, которое может быть выше настоящего уровня, но ниже токсичного уровня.

Последние исследования влияния СО2 на метаболизм человека показывают, что безопасный уровень углекислого газа требует пересмотра, особенно принимая во внимание тот факт, что угольная кислота участвует в виде свободной кислоты в сыворотке крови, которая является щелочной жидкостью [1–4]. Эта работа имеет своей целью показать, что уровень углекислого газа в атмосфере, при котором человечество может выжить, значительно ниже, чем предполагалось.

Рассчитанный токсичный уровень углекислого газа в атмосфере, при котором человек может жить всю жизнь, — 426 ррм (рис. 1) [4]. При текущем увеличении уровня СО2 в атмосфере токсичный уровень будет достигнут при AD 2050, основываясь на экстраполяции результатов измерения с Mauna Loa5. Под влиянием углекислого газа происходит снижение величины pH в сыворотке крови, что ведет к ацидозу.

Минимальным эффектом последствием ацидоза является состояние перевозбуждения и умеренная гипертензия. По мере возрастания степени ацидоза появляется сонливость и состояние беспокойства. Одним из следствий этих изменений является уменьшение желания проявлять физическую активность и получать от этого удовольствия. Другие последствия влияния на метаболизм описаны в литературе [6]. Эмбриональные ненормальности становятся также возможными, т.к. увеличение содержания углекислого газа в атмосфере влияет на метаболизм матери и ее потомства.

Токсичный атмосферный уровень

Соотношение между высоким уровнем углекислого газа в помещении и его влиянием на здоровье человека были описаны в литературе [7]. Эти исследования проводились для уровней СО2 от 300 до 700 ррм выше атмосферного уровня. При концентрации СО2 600 ppm в помещении люди начинают чувствовать признаки ухудшения качества воздуха.

Когда концентрация СО2 становится выше этого уровня, некоторые люди начинают испытывать один из классических симптомов отравления углекислотой, таких как проблемы с дыханием, учащенный пульс, головная боль, снижение слуха, гипервентиляция, потливость, усталость. При уровне 1000 ppm почти все из находящихся в помещении испытывают те или иные симптомы, описанные выше.

Предполагается, что человек подвергается влиянию высокого уровня СО2 некоторое время, а не всю свою жизнь. В настоящее время можно избавиться от всех этих симптомов, просто выйдя на свежий воздух. В случае, если уровень СО2 в атмосфере достигнет 600 ppm, вся планета будет иметь атмосферу, похожую на душную комнату. А условия в помещениях существующих ныне зданий станут еще более неприятными, т.к. уровень СО2 легко достигнет 1000 ppm и выше.

В офисных зданиях, которые сейчас характеризуются как «больные» из-за отравления в них сотрудников углекислым газом [8], уровень углекислого газа сейчас достигает от 800 до 1200 ppm, а в будущем сможет достигнуть 2000 ppm. Эти уровни СО2 могут быть даже выше, если уровень СО2 в атмосфере достигнет 600 ppm. В странах, где широко используется биомасса для отопления, уровень углекислого газа в помещении не опускается ниже 500 ppm.

Этот уровень СО2 вызовет изменения в метаболизме, как предполагается, такие как снижение pH сыворотки крови, что приведет к широкому распространению ацидоза. Это, в свою очередь, увеличит чувствительность к другим негативным факторам [9]. Приматы очень восприимчивы к высокому уровню углекислого газа в атмосфере, это подтверждается геологическипалеонтологическими исследованиями.

Во время эпохи эоцена температура на земле была значительно выше, чем сейчас, в то время как уровень СО2 в атмосфере был приблизительно такой же, как сейчас. Окаменелости показывают, что приматы обильно населяли евразийский континент в Bartonian и Lutetian годы эпохи эоцена. Геологические раскопки показывают, что в Priabonian годы эпохи эоцена (27 млн лет назад) содержание углекислого газа в атмосфере увеличилось в три раза по сравнению с теперешним уровнем [4].

Окаменелости показывают, что практически все приматы с Евразийского континента исчезли [10]. Из этого можно сделать вывод, что приматы могут жить в жарком климате, но не могут выносить высокого уровня углекислого газа в атмосфере.

Физическая адаптация в повысившемуся уровню углекислого газа в атмосфере

Ни люди, ни млекопитающие не смогут приспособиться к высокому уровню углекислого газа в атмосфере. Было установлено в течение многих десятилетий, что люди и млекопитающие вообще не могут адаптироваться к длительному вдыханию токсичных веществ.

Самое нижнее значение, на котором концентрация СО2 в атмосфере может стабилизироваться при уменьшении активности людей (сжигания биотоплива и т.д.), представляется в исследовании [16] как 550 ppm. Для достижения этого уровня должен быть предпринят ряд ограничений. Скорее всего, если учитывать существующие квоты, уровень СО2 может достигнуть 750 ppm. Этот уровень никаким образом не соответствует рассчитанному безопасному уровню в 426 ppm.

Эта величина также выше, чем 600 ppm, при котором появляется ощущение «душной комнаты». Как только уровень углекислого газа в атмосфере достигнет 600 ppm, нахождение на воздухе станет неприятным и не будет никакой возможности уменьшить симптомы, которые будут сопутствовать данному уровню. Эта ситуация вряд ли сможет быть терпимой для человечества (а также для всех млекопитающих, за исключением, может быть, китов) без серьезных изменений со стороны здоровья.

Влияние легкого отравления углекислым газом начинает наблюдаться уже сейчас во время атлетических соревнований, т.к. атлетам становится все сложнее улучшить результаты. Также возможно, что смерти во Франции в 2003 г. * были связаны с одновременным воздействием высокой температуры и повышенного содержания углекислого газа в зданиях.

Существует вероятность того, что когда концентрация углекислого газа в атмосфере достигнет 426 ppm (а это может случиться раньше, чем через два поколения от настоящего времени), здоровье по крайней мере некоторой части населения земли, ухудшится, включая развитые страны. Также очевидно, что если наступят те экстремальные условия, которые были описаны выше, биосфере и человечеству угрожает серьезная опасность.

* Прим. ред.: Во Франции в августе 2003 г. от жары умерли почти 45 тыс. человек (жара была невиданная, под 40 °С): 15 тыс. в Париже и еще не менее 30 тыс. человек в других городах. Возможно, такая же беспрецедентная катастрофа постигла и Испанию, и Италию — точные данные тщательно скрываются. Диагноз умерших определялся как сердечная недостаточность и обострение других болезней (в документах не указывалось, что причина смерти — жара, «перегрев» или вызванные ими инфекционные заболевания). Не лучше дела и в других странах Европы. В Нидерландах в температурный пик лета 2003 г. «нетипичная» смертность достигала 25 человек в день. Министерство здравоохранения Португалии назвало общую цифру (куда включены погибшие от лесных пожаров) в 1316 человек. СМИ пишут о 2000 жертв жары в Италии и примерно таком же количестве в Испании (только в Мадриде от перегрева умерло якобы 370 человек). Статистика в основном неофициальная, т.к. органы здравоохранения отказываются проводить соответствующие расследования, ссылаясь на невозможность в данных случаях отделить «неестественные» причины смертей от «естественных». Получается, что от перегрева за один месяц (или, максимум, полтора) в Старом Свете умерло больше, чем от атипичной пневмонии во всем мире за полгода!

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: