Каково содержание углекислого газа в какой внутриорганной среде

Евгений Лысенко,
канд. биол. наук, ст. науч. сотр. Института физиологии растений им. Тимирязева РАН
«Троицкий вариант» №14(233), 18 июля 2017 года

В школе нас учат, что растения используют энергию солнечного света, чтобы из CO2 и воды синтезировать глюкозу. В университете добавляют, что солнечный свет запускает одну фазу (так называемую световую), а синтез глюкозы из CO2 и воды происходит в другой фазе (так называемой темновой). И это действительно разные фазы: один процесс протекает в мембранах, а другой в клеточном матриксе, в водной фазе. Гены хлоропластов в основном кодируют белки световой фазы фотосинтеза, прямого отношения к реакциям с CO2 они не имеют, поэтому дальше мы о них говорить не будем. В хлоропластах цветковых растений лишь один ген (rbcL) кодирует фермент, который участвует в темновой фазе, в фиксации CO2, в цикле Кальвина. Но это самый важный фермент — к органической молекуле (рибулозо-1,5-бисфосфату) и запускает весь цикл Кальвина. Фермент этот (рубиско, RuBisCO) работает крайне медленно, лимитирует работу всей системы фиксации CO2, растения вынуждены нарабатывать его в огромных количествах. Отчего же так?

Фотосинтез возникал более миллиарда лет назад, когда концентрация СО2 в воздухе была значительно больше, чем сейчас. Углекислый газ легче проникал в клетки, растворялся в них, отчасти превращаясь в НСО3–. В клетках было гораздо больше CO2 и НСО3–. Но потом фотосинтезирующие организмы буквально выкачали СО2 из атмосферы, осадили его, как говорят планетологи. Заодно создали из CO2 некоторые острова. Но возникла проблема: рубиско хорошо работает при гораздо более высоком содержании CO2, чем получается сейчас при его пассивном поступлении в клетку. В процессе эволюции фотосинтезирующие организмы научились увеличивать концентрацию CO2 в том месте, где «работает» рубиско — в цитозоле цианобактерий или в строме хлоропластов у водорослей и растений. Были задействованы разные механизмы: ферменты карбоангидразы ускоряют превращение CO2 + Н2О ↔ НСО3– + Н+; у растений работает несколько разновидностей С4-цикла, в котором НСО3– (при более низкой его концентрации в клетке) присоединяется к другой органической молекуле (фосфоенолпирувату), ее направляют к месту работы рубиско и там расщепляют с образованием CO2. Особый тип — CO2 concentrating mechanism, CCM — возник у цианобактерий. Не пытаясь разбираться в этих механизмах, запомним: с падением содержания CO2 в воздухе растениям, водорослям, цианобактериям пришлось вырабатывать и применять сложные, энергозатратные механизмы, чтобы приспособиться к новой реальности. А еще синтезировать рубиско в огромных количествах — в листьях растений это самый массовый белок.

В приведенных автором цитатах из текста Юлии Латыниной первая — «чем больше CO2 будет в воздухе, тем зеленее и сочнее будет наша планета» — действительно вызывает улыбку. Фотосинтез — очень эффективный процесс, и механизмы внутриклеточного концентрирования CO2 работают надежно. Рост растений — для того, чтобы планета стала зеленее, — ограничивает не фотосинтез, а совсем другие факторы, в том числе хозяйственная деятельность человечества. А вот фраза «Никакого от него, CO2, вреда, окромя пользы» выглядит весьма правдоподобно. Во всяком случае, если мы ограничимся воздействием этого газа на один (любой) вид растений. Как усиленное поглощение CO2 влияет на конкуренцию между разными видами растений, может ли это приводить к вытеснению одних видов другими, к падению видового разнообразия — в этом я не разбираюсь. И с интересом познакомлюсь с примерами, если мне их покажут. Я слышал о таких примерах в области минерального (азотного) питания, но по отношению к CO2 мне это пока кажется удивительным.

Поэтому задам вопрос. В статье Ирины Делюсиной содержится явный намек на то, что увеличение содержания CO2 в воздухе будет вредно (токсично?) для растений. Прошу объяснить, как и в чем это будет выражаться. Конечно, в результате увеличения содержания CO2 в воздухе может нарастать температура, может меняться климат, и уже это может наносить вред растениям. Как исследователь я как раз изучаю влияние повышения температуры на хлоропласты. Но это разные вопросы, и давайте не будем их смешивать.

P. S. Я не являюсь специалистом по темновой стадии фотосинтеза (циклу Кальвина и прочим процессам, связанным с фиксацией СО2). Однако в российском «растеническом» научном сообществе осталось немного хороших исследователей световой фазы фотосинтеза и практически не осталось таковых для темновой фазы. Не модно. Поэтому я позволил себе изложить свое понимание этой ситуации и задать вопрос.

Без цвета и запаха. Важнейший регулятор кровообращения и дыхания. Не токсичен. Без него не было бы сдобных булочек и приятно колких газированных напитков. Из этой статьи вы узнаете, что такое углекислый газ и как он влияет на организм человека.

Круговорот углерода, СО2 и время

В предыдущем выпуске «ТрВ-Наука» Борис Штерн и Игорь Эзау уже дали важные объяснения парниковому эффекту.

И мы уже знаем, что СО2 играет чрезвычайно важную роль в регулировании температуры поверхности планеты. Чтобы понять роль углекислого газа в формировании климата Земли, нам придется проделать небольшой экскурс в ее механизм.

Как мы помним, Земля уникальна в Солнечной системе: здесь есть вода и свободный кислород, и поэтому долгосрочный климатический термостат связан с геохимическими циклами в твердой земле, их взаимодействием с атмосферой, составом атмосферы и составом морской воды. Климат-контроль — это не только наблюдения за погодой, т. е. за процессами, протекающими в нашей тропосфере (др.-греч. τρόπος — ‘поворот’ и σφαῖρα — ‘сфера’). Это контроль за круговоротом важнейших химических элементов, слагающих планету.

Каким образом углекислый газ выходит на такие важные позиции в нашем климате?

Количество углерода в атмосфере исчезающе мало по сравнению с огромным количеством углерода на суше и в океане. Большая часть этого углерода содержится в виде карбонатов кальция в осадочных породах (называемых геологами известняками), и часть — как нерастворимые осадки органических отложений (называемых геологами керогеном)*. Только небольшая часть, около шестидесяти атомов из каждого миллиона, в настоящее время находится в атмосфере почти исключительно в виде СО2. Для того, чтобы осесть на поверхности суши или в океане, СО2 должен либо в атмосфере вступить в соединение с водой, и тогда он выпадает вместе с дождем в виде угольной кислоты H2CO3, либо попасть в океан в растворенном виде. Как? Углерод циркулирует между атмосферой и твердой землей в результате разрушения и формирования пород земной коры. Как мы заметили выше, основными участниками в контексте климата являются Са и Si, и в качестве примера можно привести химическую реакцию расщепления Са-Si-компонента:

CaSiО3 + СО2 ⇔ CaCO3 + SiO2

CaSiО3 — это минерал волластонит, с самой простой формулой из всех силикатных пород (без нерастворимых минералов), наиболее распространенных в земной коре (силикатные породы образуются в результате тектонических процессов, т. е. при огромном давлении и температуре, при остывании магмы и лавы). Его реакция с СО2 — это пример процесса химического выветривания. А правая часть реакции — карбонат кальция и кремнезём .

Реакция эта идет в обе стороны, т. е. если посмотреть на уравнение справа налево, то кальцит вступает в реакцию с кремнеземом тогда, когда донные осадки океанической плитой переносятся в зоны субдукции, т. е. погружения под другую плиту. Там высокие температуры и давление вызывают перекристаллизацию минералов в процессе метаморфизма. Это реакция называется метаморфической декарбонизацией. Снова образуется CaSiО3 и остается в мантии до поры до времени, а вот освободившийся углерод после окисления и превращения в СО2 стремится вырваться наружу. Это процесс «дегазации», и происходит он или во время извержения вулканов, или через горячие источники и гейзеры. СО2 снова оказывается в атмосфере и снова начинает участвовать в процессе выветривания.

Если в процессе выветривания силикатные породы разрушаются на суше, растворяясь водой, то реками и ручьями или грунтовыми водами они переносятся в океан. После того, как растворенный кальцит и кремнезём достигают океана, морские организмы используют их для формирования своих панцирей и раковин (или скелетов — в случае с кораллами). Их количество регулирует поглощение СО2 из атмосферы и суши.

Да, у Земли существует механизм самобалансирования углерода.

Потоки СО2 в результате выветривания и дегазации малы по сравнению с другими потоками, но если бы они были разбалансированы, например, если бы прекратилась дегазация, весь СО2 в атмосфере был бы израсходован на химическое выветривание за несколько сотен тысяч лет. Земля старше четырех миллиардов, так что, если проследить всю ее историю, можно сделать вывод, что потоки СО2 из продуктов выветривания, идущие в океан, и из дегазации, идущие в атмосферу, должны были быть сбалансированы. Земле удается сбалансировать эти потоки, находя правильную концентрацию СО2, это механизм стабилизации климата, называемый СО2-термостатом силикатного выветривания, или силикатно-карбонатным балансом. Иными словами, химическое выветривание силикатных пород контролирует климат, поглощая атмосферный углекислый газ.

В холодном климате общее количество осадков меньше, и, следовательно, уровень образования СО2, поглощаемого реакциями выветривания, более медленный. Следовательно, окисленный углерод стремится превратиться в CaCO3.

Дисбаланс в потоках позволит СО2, не использованному на выветривание, накапливаться в атмосфере, нагревать климат, увеличивать скорость выветривания и возвращать потоки дегазации и выветривания обратно к равновесию.

Если климат слишком теплый, окисленный углерод стремится остаться в атмосфере в виде СО2 и не балансируется кальцитом, осажденным в глубоководных отложениях. Но тогда СО2 потребляется на химическое выветривание быстрее, чем выделяется СО2 при дегазации Земли. Планета охлаждается, стремясь к балансу углеродного потока.

Какой бальзам для отрицателей! Получается, что независимо от того, мало или много СО2 в атмосфере, Земля найдет способ сбалансировать последствия?

Да, механизм саморегуляции существует. Но термостат регулирует СО2 и климат в геологической временной шкале в сотни тысяч лет.

На протяжении геологической истории тектонический термостат регулировал баланс углерода в атмосфере. Но не всегда справлялся! Случались на Земле такие процессы, за которыми термостат не успевал. Эпизоды таких поражений заканчивались глобальными вымираниями. Как известно, их было пять. Но после катастрофы механизм перестраивался и возвращал СО2 до концентрации, которая в создавшихся условиях обеспечивала жизнь. И эти концентрации очень сильно отличались друг от друга (рис. 1).

Жить по 50 тыс. лет не могут даже самые лучшие из нас. Так что надежду на земную саморегуляцию происходящих сегодня процессов нужно пока оставить.

Понять термостат

Мы подошли к важному выводу: зная механизм круговорота углерода, можно изменить установку термостата, создавая парниковый мир, подобный миру динозавров, или холодный мир, подобный сегодняшнему.

Отрицательный баланс углерода — это реакции выветривания, которые поглощают СО2. Горная местность выветривается быстрее, чем плоская равнина, покрытая плодородной почвой, потому что почва изолирует силикатные породы от дождевой воды, необходимой для выветривания. Гималаи — самая высокая горная система на Земле, возникшая в результате континентальной коллизии Индостана и Азиатской плиты несколько десятков миллионов лет назад, — продолжают подниматься. Существует гипотеза, что поднятие Гималаев может быть ответственным за нашу нынешнюю относительно прохладную эру, в отличие от «тепличных» периодов, таких, как меловой, или оптимума раннего эоцена (рис. 1), когда в воздухе могло быть в десять раз больше СО2, чем сегодня. Растения могут влиять на климат Земли, закачивая СО2 в воздушные поры в почве. Благодаря растениям, концентрации СО2 в почвенном воздухе могут быть в десять раз выше, чем в атмосфере. Дополнительный СО2 имеет тенденцию повышать скорость химического выветривания и потому что СО2 является компонентом реакции выветривания, и потому что СО2 оказывается кислотой, которая растворяет горные породы.

Как видите, термостат планет Солнечной системы может быть сломан. Земле и нам вместе с ней повезло, у нас термостат работает, запущенный тектоническими процессами, он регулирует содержание углерода в разных ее резервуарах, поддерживая жизнь.

Очевидно, что мы не можем остановить тектонический термостат Земли, но можем его поломать.

Как? Разве наших малых сил может хватить на то, чтобы помешать такой махине?

Парниковый эффект и СО2

Согревающий эффект парниковых газов является фундаментальным фактом физики, а не вопросом «веры» или политического спора.

В атмосфере Земли СО2 уступает только воде по своим свойствам парникового газа. Но как мы уже знаем, в атмосфере его предельно мало, особенно по сравнению с водой, которая считается парниковым газом номер один. Мы должны разобраться теперь, почему даже при незначительных концентрациях СО2 в нынешней атмосфере Земли он оказывается основным, да еще и антропогенным фактором изменения климата.

Что происходит с углекислым газом после того, как он попадает в атмосферу?

Тогда что выдвигает СО2 на первую роль по сравнению с водой, если воды много и она очень мощный парниковый газ, а СО2 мало и он действует только в узком диапазоне?

Чтобы понять это последнее утверждение, нам нужно разобраться в графике на рис. 5.

«На рисунке гладкие кривые показывают спектры черного тела для температур в диапазоне от 300 К, температуры поверхности в жаркий летний день, до 220 К, что является примерно самым низким значением температур на верхней границе тропосферы на высоте около 10 км. Ломаная линия показывает интенсивность излучения, которую инфракрасный спектрометр увидел бы, находясь на орбите над Землей и смотря вниз. Спектр излучения, покидающего Землю, уходящего в космос, колеблется между двумя различными спектрами черного тела: самым теплым около 270 К и самым холодным около 220 К. Части спектра, в особенности широкая, гладкая часть около 850–1000 циклов/см, соответствует теплому спектру черного тела. Так как не бывает газов в атмосфере, которые поглощают или излучают на этой частоте, значит, этот ИК-свет исходит непосредственно от Земли. Поскольку парниковые газы в атмосфере прозрачны для инфракрасного света в этой полосе частот, этот диапазон называется атмосферным окном» (см. рис. 5).

Температурные кривые черного тела подобны шкале температуры на термометре. По этой шкале можно определить температуру инфракрасного источника по его интенсивности.

Вы видите на рис. 5 большой провал в спектре, вызванный СО2 около 700 циклов/см. ИК-излучение и его поглощение являются симметричными, поэтому СО2 поглощает интенсивный, «теплый» спектр ИК от Земли на этой частоте и повторно излучает ту же частоту, возникает диффузия фотонов, из-за которой во внешних слоях атмосферы фотонов меньше, соответственно температура и интенсивность излучения снаружи меньше. Атмосфера получается «оптически толстой» в диапазоне частот изгиба СО2 и «оптически тонкой» в атмосферном окне. График построен таким образом, что площадь под кривой спектра пропорциональна общему потоку энергии. Можно судить об изменении энергии в соответствии с изменением площади. Площади кривых абсолютно черного тела возрастают пропорционально температуре в четвертой степени по уравнению Стефана — Больцмана. Это работает также с «ломаным» спектром, представляющим общую потерю энергии планеты в космос. Эффект полосы поглощения состоит в том, чтобы уменьшить спектр черного тела поверхности Земли, уменьшая площадь и, следовательно, уменьшая поток восходящей энергии.

Метан поглощает инфракрасный свет в полосе около 1300 циклов/см. В то время как крупный «изгиб» СО2 поглощает прямо на пике спектра черного тела Земли, а метан поглощает один из хвостов спектра. В конкуренции между СО2 и метаном за право быть сильнейшим парниковым газом преимущество остается за СО2. Сейчас мы наконец поймем, почему.

Эффект «насыщения полосы»

Однако энергетический баланс никогда не становится абсолютно нечувствительным к дальнейшим добавлениям СО2. Большее количество СО2 всегда сделает его теплее, даже при давлении в 70 атмосфер СО2 в атмосфере Венеры. Отчасти это происходит потому, что с увеличением концентрации СО2 полоса поглощения (см. рис. 6) становится шире, даже если она не может стать глубже. Середина полосы поглощения насыщена, но края ненасыщенные.

Центр полосы поглощения насыщается, но полоса продолжает становится шире при добавлении СО2.

Из всех парниковых газов только вода конденсируется и выпадает в осадки.

Итак, мы пришли к выводу, что углекислый газ обладает необычайно широкими полномочиями в атмосфере, руководит круговоротом углерода на всей Земле и, самое главное, даже самое небольшое изменение его в атмосфере может привести к удивительным последствиям, не связанным с количеством тонн и молекул, которыми он представлен.

Насыщение полосы поглощения приводит к тому, что эффективная оптическая толща углекислого газа с увеличением его концентрации растет не линейно, а примерно логарифмически — так «работают» края полосы. Это значит, что величина парникового эффекта (то есть в конечном счете и наша температура воздуха) меняется одинаково с каждым удвоением СО2. Не имеет значения, сколько его было вначале, 10 или 100 гигатонн, радиационный эффект от удвоения 100 или 1000 ppm будет тот же.

Задуматься нужно над тем, что у нас очень мало СО2 в атмосфере сейчас. И удвоить его очень легко. Если бы мы переселились к динозаврам, то сделать это было бы практически невозможно. Вот тут и разгадка, почему в меловом периоде было так много СО2, «и ничего»! В этом смысле человечеству повезло, что оно пришло в мир с СО2 в 270 ppm, если бы оно было ниже, антропогенные температуры росли бы еще стремительнее.

Формулу подсчета увеличения температуры с ростом СО2 в атмосфере мы обсудим в следующий раз. И посмотрим, как всё это работало в голоцене.

Литература
1. Kasting J. F., Catling D. Evolution of a Habitable Planet // Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 2003; 41(1): 429–63.
2. Urey H. C. On the Early Chemical History of the Earth and the Origin of Life // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1952; 38(4):351–63.
3. Kellogg L. H., Turcotte D. L., Lokavarapu H. On the Role of the Urey Reaction in Extracting Carbon From the Earth’s Atmosphere and Adding It to the Continental Crust // Frontiers in Astronomy and Space Sciences. 2019; 6(62).
4. Wedepohl Hans K. The composition of the continental crust // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1995; 59(7): 1217–32.
5. Делюсина И. Лёд, СО2 и время // ТрВ — Наука, № 2 (296) за 28.01.2020.
6. Aiuppa A., Fischer T. P., Plank T., Bani P. СО2 flux emissions from the Earth’s most actively degassing volcanoes, 2005–2015 // Scientific Reports. 2019; 9(1): 5442.
7. Joos F., et al., 2013: Carbon dioxide and climate impulse response functions for the computation of greenhouse gas metrics: A multi-model analysis // Atmos. Chem. Phys., 13, 2793–2825.
8. Archer D., et al., 2009: Atmospheric lifetime of fossil fuel carbon dioxide // Annu. Rev. Earth Planet. Sci., 37, 117–134.
9. Hunten D. M. Atmospheric evolution of the terrestrial planets // Science. 1993; 259(5097): 915–20.
10.Archer D. Global Warming. Understanding the Forecast. Wiley, 2012.
11. Langmuir Ch., Broecker W. How to Build a Habitable Planet, Princeton University Press. 718 p, 2012.
12. IPCC Report.
13. Lacis A. A., Schmidt G. A., Rind D., Ruedy R. A. Atmospheric CO2: Principal Control Knob Governing Earth’s Temperature // Science. 2010; 330(6002): 356–9.
14. Toth R. A., Brown L. R., Miller C. E., Malathy Devi V., Benner D. C. Spectroscopic database of CO2 line parameters: 4300–7000 cm−1 // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2008; 109(6): 906–21.
15. Greenhouse Gases. NOAA Climate Monitoring.

* В данном случае мы не рассматриваем углерод, запертый в земной мантии и ядре: однако нужно помнить, что поверхностные резервуары содержат только небольшую долю углерода на Земле. Основными резервуарами углерода в настоящее время являются, по убывающей, ядро, мантия и континентальная кора. По существующим оценкам, масса углерода в ядре составляет 4×109 гигатонн (3), в мантии — 2×108 гигатонн (3), в коре — 4,2×107 гигатонн (6).

** Роль этой реакции в поддержании низкой концентрации СО2 в атмосфере Земли, была сформулирована Юри (1952). «С тех пор, как сформировался углекислый газ, он реагирует с силикатами с образованием известняка. Конечно, силикаты могли иметь различный минералогический состав, но давление СО2 всегда поддерживалось на низком уровне благодаря этой реакции или подобным реакциям, точно так же, как сейчас».

Гиперкапния – это повышенное содержание углекислого газа в артериальной крови и тканях организма. Этот термин знаком не многим, но состояние, характеризуемое этим словом, ощущал практически каждый.

Вспомните, что вы испытывали при большом скоплении народа в очередях, в душных офисах. Или состояние во время респираторных заболеваний, когда заложен нос и бронхи забиты мокротой. Начинает кружиться или болеть голова, возникает сильная слабость, тошнота, учащенно стучит сердце, выступает пот.

В статье о пользе углекислого газа мы уже затрагивали понятие гиперкапнии. Давайте подробнее разберемся, что же означает этот термин?

Что такое гиперкапния?

Нормальный механизм выведения углекислого газа из организма человека через легкие, путем проникновения из кровеносных сосудов в альвеолы. Если по каким-то причинам этот процесс нарушается, наступает гиперкапния повышение содержания углекислого газа.

Тогда давление CO в газовой смеси повышается до 5580 мм рт.ст., а уровень кислорода снижается. Проще говоря, наступает отравление углекислым газом.

Виды гиперкапнии

Гиперкапния по своей природе бывает экзогенная эндогенная.

Экзогенная развивается при повышенном содержании углекислого газа в воздухе. Она возникает, можно сказать, по причинам внешним, не зависящим от вас: очереди, душное помещение.

А гиперкапнию эндогенную вызывают внутренние причины:

• Нарушение механизма дыхания за счет слабости скелетной мускулатуры, травм грудной клетки (сдавливание, переломы), патологического ожирения, сколиоза.
• Угнетение дыхательного центра (более редкое дыхание), связанное с поражением центральной нервной системы, применением фармпрепаратов (анестетики, наркотические анальгетики), остановкой кровообращения и др.
• Нарушение газообмена: отек легких, ХОБЛ (хроническая обструктивная болезнь легких), плеврит (воспаление оболочки легких), пневмоторакс (скопление воздуха в плевральной полости) и др.

может быть также следствием повышенного образования его в самом организме. Причиной может стать лихорадка, сепсис, политравма, злокачественная гипертермия.

Чем опасна гиперкапния и кто ей подвержен?

Форма гиперкапнии может быть легкой, такую человек не особо ощутит. Покинув душное помещение, он быстро забудет об ощущениях, которые испытал, легкое головокружение, покраснение кожи, учащенное сердцебиение и дыхание.

С гиперкапнией начальной формы, особенно если она «формируется» постепенно (в течение нескольких дней, даже месяца), человеческий организм справляется легче. Включаются механизмы адаптации и компенсации.

При глубокой гиперкапнии симптоматика носит более агрессивный характер. Тут могут появиться отклонения со стороны сразу нескольких систем организма.

• Со стороны нервной системы: появляется возбужденность, симптомы повышенного внутричерепного давления (тошнота, головная боль, синяки под глазами, отеки и др.).
• Со стороны сердечно-сосудистой системы: артериальное давление продолжает повышаться, пульс достигает 150 уд./мин., возникает риск развития кровотечений.
• Со стороны дыхательной системы. Нарастают симптомы острой дыхательной недостаточности: нарушается ритм дыхания, оно становится поверхностным и редким, усиливается бронхосекреция, оттенок кожи синюшный, потоотделение сильное.

Самая тяжелая степень гиперкапнии (она же самая опасная) гиперкапническая кома. У человека в состоянии комы отсутствуют рефлексы и сознание, резко снижается АД, оттенок кожи цианотичный (синюшный). Результатом может стать остановка дыхания  и работы сердца, т. е. летальный исход.

Очень большую опасность гиперкапния представляет для женщин во время беременности. Речь может идти
о выкидыше вследствие развития дыхательной недостаточности, повышения артериального давления
и нарушения плацентарного газообмена.

Второй вариант развития событий ребенок может появиться на свет с патологией (задержка умственного, психомоторного развития, детский церебральный паралич, эпилепсия и др.). Высокий уровень СО негативно сказывается на еще не в полной мере развившейся нервной системе малыша.

Как стабилизировать состояние человека, пострадавшего от гиперкапнии?

Оказание помощи при гиперкапнии

Объем помощи пострадавшему зависит, конечно же, от степени отравления углекислым газом. Чтобы стабилизировать состояние человека и уменьшить риски осложнений, нужно, во-первых, обеспечить достаточный приток кислорода. Это самое простое и вместе с тем самое важное действие.

Если человек сам не в состоянии покинуть душное помещение, нужно вынести его на воздух. Чаще всего этого достаточно для устранения легкой гиперкапнии экзогенного характера.

При эндогенном (внутреннем) происхождении речь идет о том, чтобы устранить основное заболевание или смягчить выраженность его симптомов. Некоторым пациентам назначают систематическую очистку дыхательных путей, разжижение и выведение вязкого бронхиального секрета.

Хороший эффект дает пребывание больного в прохладном помещении с уровнем влажности более 50%. Для улучшения вентиляции легких применяют  бронходилататоры – группу лекарственных препаратов способных расслаблять мышечную стенку бронхов и тем самым увеличивать их просвет, а также стимуляторам дыхания. Благодаря этим мерам нормализуется состояние больного.

В случае тяжелого отравления углекислым газом вы не обойдетесь своими силами, здесь понадобится помощь медиков, иногда экстренная. Иначе человек может погибнуть.

В особо тяжелых случаях медики проводят интубацию трахеи (введение особой трубки для проведения интенсивной терапии), кислородотерапию (больной дышит сбалансированной кислородно-азотной смесью), прибегают к искусственной вентиляции легких.

Гиперкапния и дыхательная гимнастика

При эндогенной гиперкапнии, появляющейся из-за внутренних нарушений в работе организма, противопоказано заниматься дыхательной гимнастикой или проводить занятия на дыхательных тренажерах.

Но несмотря на это, нам было важно рассказать в блоге о таком явлении и его последствиях. Ведь мы часто говорим о пользе углекислого газа, поэтому умалчивать о его вреде было бы просто нечестно.

Если врач поставил вам диагноз гиперкапния или ацидоз, ни в коем случае не начинайте занятия на дыхательных тренажерах. Это может усугубить ситуацию.

Если подобного диагноза у вас нет, а содержание углекислого газа ниже нормы, то вы можете приобрести дыхательный тренажер. При этом не нужно бояться, что у вас появится серьезная эндогенная гиперкапния.

Во-первых, тренажер не может привести к такому результату, он направлен лишь на . Во-вторых, вы всегда сможете измерить уровень углекислого газа с помощью специальной камеры, которая идет в комплекте с тренажером.

Подробнее о дыхательном тренажере «Самоздрав» вы можете узнать, перейдя по ссылке.

Формирование CO2 и его воздействие на здоровье человека

Углекислый газ образуется в клетках организма (в количестве 0,7 кг в день) и из них распространяется по окружающим капиллярам. Он передаётся через кровь, будучи химически связанным в составе белков, таких как гемоглобин, или в растворенном виде. Бóльшая часть CO2 физически растворяется, и лишь незначительная его часть преобразуется карбоангидразой эритроцитов в углекислоту, которая в водной среде распадается на водород и ионы гидрокарбоната. Углекислый газ выделяется через альвеолярную мембрану в лёгких.

Главная физиологическая функция углекислого газа в организме состоит в регулировании дыхания через химические рецепторы аорты и продолговатого мозга, который стимулирует дыхательный центр в стволовой части мозга. Повышенное содержание CO2 во вдыхаемом воздухе учащает дыхание, повышая дыхательный объём. При этом углекислый газ оказывает отложенный эффект на бронхиолы, что приводит к увеличению объёма неиспользуемого пространства (пространства дыхательной системы, не задействованного в газообмене). Однако отложенный эффект влияния углекислого газа на периферийные и центральные артериолы не приводит к снижению кровяного давления, поскольку повышенная выработка адреналина вызывает компенсирующее сужение сосудов.

Эффект воздействия на человека различных концентраций CO2 представлен в табл. 1.

CO2 в помещении

Углекислый газ считается основным параметром антропогенного загрязнения воздуха, поскольку повышение концентрации CO2 в помещении коррелирует с ростом интенсивности запахов, являющихся продуктом человеческого метаболизма. Таким образом, содержание CO2 в воздухе помещения прямо отражает интенсивность его использования. Оно также может служит ориентировочным маркером для других регулируемых областей, таких как планирование размеров систем вентиляции и кондиционирования или инструкции по проветриванию в таких активно используемых помещениях с естественной вентиляцией, как школьные классы или залы собраний.

В используемых помещениях концентрация CO2 в основном зависит от следующих факторов:

1. Число людей в помещении, объём помещения.

2. Активность пользователей внутри самого помещения.

3. Время, которые пользователи проводят в помещении.

4. Процессы сгорания в помещении.

5. Воздухообмен и объёмный расход наружного воздуха.

Быстрый рост концентрации CO2 в помещении — типичное следствие присутствия множества людей в относительно небольших пространствах (например, в залах для собраний, конференций или в школьных классах) с низкой кратностью воздухообмена. Критические концентрации CO2 обычно соседствуют с другими факторами загрязнения воздуха, особенно с неприятными запахами пота или косметики, а также микроорганизмами. В герметичных помещениях с очень низкой кратностью воздухообмена концентрация CO2 может расти даже в присутствии совсем небольшого количества людей (в квартирах или офисах).

В обоих случаях CO2 прямо влияет на ощущение комфорта от нахождения в помещении. Европейские совместные действия (ECA) определяют следующие уровни недовольства микроклиматом на основе модельных расчётов. Начиная с 1000 ppm, примерно 20 % пользователей помещения могут быть недовольны, и это число вырастет приблизительно до 36 % при 2000 ppm.

В то время как залы для собраний и конференций обычно используются от случая к случаю и кратковременно, в школьных классах ученики и учителя регулярно находятся на протяжении многих часов, поэтому концентрация CO2 в их воздухе имеет критическое значение. Текущие и прошедшие исследования в разных частях Германии, посвящённые концентрации углекислого газа в школьных классах, неизменно демонстрируют недостаточное качество воздуха, связанное с этим параметром.

Объёмный расход наружного воздуха, кратность вентиляции и оценка концентрации CO2

Микроклимат в помещении воспринимается как комфортный при температуре от 20 до 23 °C и относительной влажности (ОВ) воздуха от 30 до 70 %. Однако для людей с аллергией на пылевых клещей рекомендуется максимум 50 % относительной влажности. При этом рекомендуются контрольные замеры официально поверенным гигрометром. Скорость воздуха в помещении не должна превышать 0,16 м/с (зимой) и 0,25 м/с (летом). Когда вы входите в комнату, где есть люди, иногда возникает ощущение «спёртого воздуха». Причинами могут быть выдыхаемый углекислый газ, пар и запах пота.

Уровни опасности при оценке концентрации CO2 в воздухе в помещении представлены в табл. 2.

Синдром больного здания

Термин «синдром больного здания» можно трактовать двумя способами. С одной стороны, он относится к зданиям, в которых люди во время работы чувствуют себя больными, а с другой стороны — сами здания можно назвать «больными».

Причиной возникновения синдрома больного здания обычно является система кондиционирования или недостаточная гигиена воздуха в здании. При этом наблюдается множество симптомов, таких как: раздражение глаз, носа и горла, ощущение сухости кожи и слизистой оболочки, психологическая усталость, частые респираторные заболевания и кашель, хрипота, одышка, зуд и неспецифическая гиперчувствительность.

Американское исследование, проводившееся в зданиях с системами кондиционирования и вентиляции, позволило на основе статистических данных продемонстрировать чёткую прямую зависимость между жалобами на сухость в горле или раздражение слизистой оболочки и повышенной концентрацией CO2 , даже если она была ниже 1000 ppm в абсолютном выражении.

Более поздние исследования показали, что затраты на устранение проблем, связанных с неблагоприятным микроклиматом в здании, часто оказываются для работодателя, владельца здания и государства выше, чем затраты на энергообеспечение этого здания.

Также было доказано, что хороший микроклимат может повысить общую работоспособность и эффективность обучения, при этом снизив коэффициент отсутствия на рабочем месте.

Нормы содержания CO2 в воздухе помещения

В России существуют нормативы для оценки качества воздуха в помещениях. Согласно им, качество воздуха в помещении считается высоким при концентрации CO2 на уровне 400 ppm и ниже. Средним и допустимым являются значения концентрации CO2 на уровне 400–600 и 600–1000 ppm, соответственно. И уже при превышении показателя в 1000 ppm уровень качества воздуха в помещении является низким.

Технология измерения CO2

Компания Testo предлагает три типа приборов для измерения и мониторинга концентрации CO2 в помещениях:

1. Портативные приборы, например, testo 535 — анализатор углекислого газа с фиксированным зондом.

2. Логгеры данных, например, testo 160 IAQ — помимо CO2 они непрерывно регистрируют температуру и влажность. Результаты измерений по Wi-Fi передаются в «облако», что позволяет рассылать уведомления о нарушениях граничных значений по e-mail или SMS. Наглядная система оценки по типу «светофора» позволяет ответственным сотрудникам моментально видеть текущее состояние качества воздуха.

3. Многофункциональные приборы, например, testo 440, которые измеряют все параметры вентиляции и кондиционирования, такие как скорость воздуха, температуру, влажность, степень турбулентности, концентрацию угарного газа (СО) или освещённость.