Лед, CO2 и время 2

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?

CO2 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 CO2 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 CO2 в норму поможет один из видов дыхательной гимнастики.

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 CO2 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.

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.

Гипокапния – это опасная патология, которая характеризуется снижением концентрации углекислого газа в крови человека, что в свою очередь негативным образом отражается на физиологическом состоянии.

В системе газообмена происходит образование избыточного количества углекислого газа, который частично растворяется в крови. Вещества, образующиеся в результате биохимических реакций, регулируют кислотно-щелочное равновесие в кроветворении. Функции правильного газообмена требуются для нормального функционирования внеклеточных и клеточных элементов человеческого организма.

Патологические процессы, нарушающие естественный газообмен, приводят к нежелательному сдвигу концентрации углекислого газа. В результате угнетаются функции организма и ухудшается общее самочувствие человека.

Причины появления заболевания

Подобное заболевание еще не до конца изучено, и во многих клинических случаях его этиология может оставаться неясной. Если говорить о причинах развития патологии, то они могут иметь следующий характер:

• Морфологические поражения органов центральной и периферической нервной системы. В частности, это нарушения мозгового кровообращения, травмы, доброкачественные и злокачественные новообразования;
• Патологии, имеющие бактериальное или инфекционное происхождение (менингит или энцефалит);
• Острые и хронические психоневрологические расстройства. Это могут быть психозы, параноидальные состояния, панические атаки;
• Применение определенных препаратов, обладающих избыточной токсичностью;
• Повышение температуры тела или гипертермия;
• Снижение степени парциального давления, которое может быть вызвано признаками горной болезни;
• Отек и обструктивные изменения в легких и бронхах;
• Неправильная техника проведения искусственной вентиляции легких.

Также фактором развития заболевания может служить патология тонусов сосудов, заболевания сердечно-сосудистой системы, наличие диуреза, необъяснимая нервная и мышечная возбудимость.

Симптомы заболевания

Человек может жаловаться на резкие и неприятные головокружения. Часто наблюдается отдышка и головная боль, боли в области груди, повышенная утомляемость и сонливость.

Гипервентиляционный синдром, вызываемый состоянием гипокапнии, может приводить не только к головокружениям, но и к потере сознания. Пациент чувствует потемнение в глазах, который называется эффектом «черных мушек».

Помимо прочего страдает координация движений и двигательная активность пациента. Отмечается снижение умственной работоспособности, а во время наступления приступа гипокапнии иногда появляются судороги и гипертонус мышц. Патологическое состояние наступает, как правило, резко.

Гипокапния может наблюдаться и в те моменты, когда человек находится в состоянии сильного стресса или паники. Кстати, нехватка углекислого газа в крови у отдельных пациентов может проявляться и в связи с возрастными физиологическими изменениями. Отмечается подобное неприятное состояние у людей, страдающих от избыточного веса и гиподинамии.

Диагностика гипокапнии

В системе диагностики заболевания применяются современные инструментальные и лабораторные методы. Контроль уровня углекислого газа в крови помогает обозначить специальный медицинский аппарат под названием ткапнограф, который помогает анализировать количество углекислого газа в крови пациента.

Также измеряется артериальное давление, делаются клинические анализы крови. Стоит сказать то, что гипокапния обычно возникает не самостоятельно, а на фоне уже имеющегося определенного патологического процесса в организме, который медики должны исследовать. Дополнительно может назначаться рентгенография, МРТ, УЗИ.

Лечение и первая помощь при возникновении гипокапнии

Лечебные процедуры предназначаются для создания оптимального уровня углекислого газа в крови пациента. С этой целью медики используют особые воздушные смеси, которые повышают искусственным образом концентрацию углекислого газа.

Этот метод позволяет организму восполнить нехватку углекислого газа и нормализовать его уровень до нормального физиологического состояния. При первой помощи необходимо дать специальную воздушную смесь. Следует постараться дать доступ кислороду в том случае, если больной почувствовал себя плохо в закрытом помещении. Также надо обязательно измерить уровень артериального давления.

Гипокапния – это тревожный симптом, и при его проявлении следует обязательно обратиться к врачу для полного и всестороннего обследования организма, так как за этим патологическим состоянием могут скрываться довольно серьезные и тяжелые патологии, требующие неотложного лечения.

Эта статья носит информативный характер, за подробностями просим вас обращаться к врачу! О противопоказаниях и побочных действиях спрашивайте у врача.

Анатолий Минеев
«Квант» №4, 2020

В данной статье речь пойдет о воздействии на человека кислорода и углекислого газа — по отдельности и вместе. Некоторую настоящую интригу придает взгляд на проблему как извне — со стороны вдыхаемого воздуха, так и изнутри — внутри самого организма. Или, более научно, как со стороны внешнего дыхания — обмена между атмосферой и клетками в легких, так и внутреннего дыхания — процессы в клетках и тканях организма.

Среднее значение давления земной атмосферы на уровне моря примерно равно pатм = 760 мм рт. ст. На долю кислорода приходится 160 мм рт. ст. или приблизительно 21%. Кислород частично усваивается организмом, углекислый газ образуется в результате химических реакций окисления. Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха приведен в таблице.

Таблица 1. Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха

Чем интересны эти цифры? Азот и аргон не используются организмом человека (являются инертными). Степень усвоения кислорода невелика, около 0,25. После вдоха организм выдыхает обратно основную часть кислорода. Углекислый газ практически отсутствует во вдыхаемом воздухе и активно образуется при окислительных реакциях в организме. Процент поглощения организмом кислорода (21% − 16% = 5%) оказывается близким к проценту образования углекислого газа (4%).

Инертность азота и аргона при обменных процессах в организме привела к соблазну вообще отказаться от них в условиях длительного пребывания в замкнутом пространстве. По этому пути пошли американские астронавты в первых космических полетах, перейдя на дыхание чистым кислородом. При этом давление в случае использования только O2 было существенно ниже атмосферного и составляло 260–280 мм рт. ст. Однако по мере увеличения длительности космических полетов в такой чисто кислородной атмосфере у астронавтов стали появляться проблемы с дыхательными путями. К тому же, чисто кислородная атмосфера пожароопасна. Российские космонавты с самого начала использовали состав воздуха, близкий к земному, что потребовало более сложной системы регенерации воздуха. В настоящее время при полетах в космосе и в плавании на подводных лодках используется земной состав атмосферы.

Взгляд снаружи

Эти данные соответствуют диапазону жизнедеятельности человека на уровне моря. По мере подъема в горы давление снижается, что наглядно отражают кривые атмосферного давления и парциального давления кислорода (рис. 1).

Оценка времени развития кислородной недостаточности при нахождении в замкнутом объеме. В качестве примера рассмотрим несколько ситуаций с людьми, находящимися в замкнутом объеме: один человек, застрявший в лифте объемом V = 2 м3; два человека в комнате с V = 30 м3; сто человек, застрявшие в остановившемся вагоне метро с V = 250 м3.

В каждом случае найдем, за какое время Δt в замкнутом объеме V в процессе спокойного дыхания людей концентрация кислорода снижается от первоначального уровня 21% до начала кислородной недостаточности, т.е. до 14%. Подчеркнем — спокойного, поскольку при панике это время сильно снижается. Спокойному дыханию соответствует потребление кислорода на уровне 0,25 литра в минуту. Поскольку 1 литр O2 соответствует 5 ккал энергии, то 0,25 л/мин сообщает организму за сутки 0,25 × 5 × 60 × 24 ккал = 1800 ккал энергии. Так как плотность человеческого организма около 1000 кг/м3, тело массой 70 кг занимает объем 0,07 м3, или 70 литров. Добавив одежду, получим оценку объема, вытесняемого из замкнутого помещения, в 100 литров, или 0,1 кубометра на человека.

Во всех указанных случаях (если нет паники) время развития кислородной недостаточности очень велико. Однако, такой вывод находится в противоречии с житейским опытом: в метро и застрявшем лифте бывает душно и даже после сна в комнате с закрытой форточкой наутро ощущается духота. По всей видимости, имеет место другой, более мощный механизм развития неблагоприятных ощущений в процессе дыхания при нахождении в замкнутом объеме, не связанный с потерей кислорода из воздуха. Оказывается, таким механизмом является накопление углекислого газа.

Концентрация углекислого газа в воздухе, пригодная для жизни. Диапазон допустимого содержания CO2 в воздухе составляет

Лифт. Свободный объем, занятый воздухом, равен 1,9 м3. Изменение уровня содержания CO2 в воздухе от 0,04% до 0,1% займет

Это уже ближе к житейским ощущениям и оправдывает присутствие вентиляции на потолке лифтов, необходимость проветривания комнат в домах, в школьных классах после каждого урока, а также наличие системы вентиляции в метро.

Таким образом, именно накопление углекислого газа в замкнутых помещениях в первую очередь действует угнетающе на человека. В чем это проявляется?

Еще одна проблема помещений без вентиляции — возможность расслоения воздуха на фракции. Поскольку углекислый газ в полтора раза тяжелее воздуха, он может опуститься ближе к полу и его концентрация там увеличится. Но процесс этот медленный, и любое движение воздуха перемешивает фракции.

Наконец, использование растений, казалось бы, должно помочь — ведь они выделяют кислород и поглощают углекислый газ. Однако, это происходит только днем, а вечером и ночью (когда свежий воздух особенно нужен) растения выделяют углекислый газ, усугубляя проблему с его накоплением.

Накопление угарного газа в замкнутом помещении. Казалось бы, откуда взяться угарному газу (СО) в замкнутом помещении, если нет рядом дровяной печки или камина с неидеальной вытяжкой? Но в литературе приводятся следующие данные: наряду с углекислым газом человек выдыхает также и угарный газ — в количестве примерно 1,6 мл/ч (при нормальных условиях); предельно допустимая для человека концентрация угарного газа составляет 1 мг/м3.

Этих данных достаточно, чтобы снова провести оценки времени накопления предельной концентрации угарного газа для людей в лифте, комнате, вагоне метро и школьном классе. Для этого перейдем от объема к массе образовывающегося угарного газа, воспользовавшись известным соотношением: один моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л. Для СО молярная масса равна 28 г, поэтому 1 мл СО имеет массу 1,25 мг, а значит, 1,6 мл/ч выдыхаемого СО одним человеком соответствует появлению в воздухе 2 мг/ч угарного газа.

В таблице 2 приведены значения времени накопления CO2 и СО до опасной концентрации, а также времени развития кислородной недостаточности в лифте, комнате, вагоне метро и школьном классе. Для детей принята половинная величина выдыхаемого СО и CO2.

Таблица 2. Сопоставление времени снижения концентрации O2, накопления СО и CO2

Видно, что накопление углекислого газа примерно на порядок опаснее накопления угарного газа и еще на порядок опаснее снижения концентрации кислорода.

Мощность систем вентиляции. Как оценить мощность систем вентиляции qвент, необходимую для поддержания нормального состава воздуха? Если отвлечься от переходных процессов установления и выравнивания потоков воздуха, то конечный результат выглядит очень просто:

Много это или мало? Как обеспечить такой приток свежего воздуха? Например, если приоткрыть дверь, то через каждый квадратный сантиметр щели при перепаде давлений по обе стороны двери Δp = 10 Па проходит в час один кубометр воздуха. Это означает, что при указанном Δp через сантиметровую щель в двери высотой два метра проходит 200 м3 воздуха за час. Отметим, что принятый уровень перепада давлений 10 Па довольно мал (это 10−4 от атмосферного) и вполне может быть достигнут. Еще более мощный эффект вентиляции оказывает проветривание при открытии окон и дверей в течение хотя бы нескольких минут.

В качестве примера рассмотрим ситуацию с кислородом и углекислым газом при спасении детей в пещере Таиланда, частично затопленной водой. В 2018 году весь мир следил за спасением футбольной команды из 12 школьников и их тренера, ушедших на экскурсию в пещеру Кхао Луанг и застрявших в ней на 18 дней (23 июня — 10 июля) из-за дождей, затопивших вход в пещеру. Они укрылись в воздушном кармане, полностью перекрытом водой и удаленном от выхода из пещеры на 5 километров. Задача заключалась в высвобождении ослабевших детей и тренера из пещеры. Ситуация осложнялась наличием узкой щели — на рисунке 2 она обозначена как «опасная точка», через которую предстояло выбираться. Особенности проплыва через щель показаны на рисунке 3. Спасателям пришлось непрерывно откачивать воду из пещеры. Поэтому в ней находилось большое количество спасателей, помогавших откачивать воду и готовить детей к выходу.

В этой ситуации оказались важны все отмеченные выше особенности поведения кислорода и углекислого газа в замкнутом объеме. Для борьбы с постепенным уменьшением количества кислорода в пещере была организована доставка кислорода с помощью специального трубопровода. Было решено, что накопление углекислого газа в пещере представляет существенно большую опасность, чем нехватка кислорода. Закачкой кислорода по трубопроводу в верхнюю часть пещеры вытесняли углекислый газ. Учитывалось также расслоение воздуха на фракции — CO2 скапливался в нижней части пещеры. Вот почему дети и тренер скрылись в верхней ее части.

Поиски ребят и подготовительные работы заняли почти две недели. За это время известный изобретатель и организатор исследований Илон Маск (космические корабли, электрокары) успел из запчастей к ракете изготовить миниатюрную подводную лодку на одного человека и доставить ее в Таиланд. Но из-за узкой щели от ее использования отказались.

Ситуация с каждым днем становилась все более сложной. Необходимо было постоянное присутствие людей, занятых на откачке воды из пещеры (иначе пещера полностью заполнилась бы водой) и установке труб для подачи кислорода. Более десятка аквалангистов доставляли в пещеру воду, еду и кислородные баллоны. Там постоянно присутствовали врачи и те, кто готовили спасательную операцию. При дыхании этих взрослых спасателей состав воздуха ухудшался еще стремительнее. Наступил момент, когда из-за накопления углекислого газа дальше ждать было нельзя. Множество кислородных баллонов было расставлено по всему маршруту из пещеры к выходу (каждый баллон рассчитан на работу только в течение часа). Тысяча спасателей снаружи, включая сто дайверов, начали операцию. В первый день 13 дайверов спасли четырех подростков. Во второй день 18 дайверов (и 70 аквалангистов сопровождения) спасли еще четверых. Наконец, в третий день были спасены оставшиеся четверо детей и их тренер, а также 4 человека, остававшиеся в пещере. Молодцы!

Взгляд изнутри

На уровне клеток организма состав воздушной среды совершенно иной. Содержание кислорода в клетках организма около 1–2% (исключение — эритроциты, в которых может содержаться до 96–98% кислорода), углекислого газа в клетках около 6%. Если концентрации CO2 в клетках уменьшается, то появляется все больше проблем с дыханием. На рисунке 4 приведена зависимость характерного времени, в течение которого человек (не рекордсмен) способен задержать дыхание, частоты пульса и степени ухудшения кровоснабжения органов от концентрации углекислого газа. Общий вывод таков: при уменьшении концентрации CO2 время задержки дыхания уменьшается и, если она приближается к 3%, клетки гибнут; быстро растет частота пульса; ухудшается кровоснабжение органов. В результате желательная концентрация CO2 в клетках должна быть 6% и даже немного больше. Примерное содержание кислорода и углекислого газа в различных частях организма человека, приведенное в таблице 3, подтверждает вышеуказанные цифры.

Таблица 3. Содержание кислорода и углекислого газа

В легких происходит обмен кислорода и углекислого газа между альвеолами и кровью. Альвеолы — концевые образования в легких, имеющие вид пузырьков, которые оплетены сетью капилляров (рис. 5). Через стенки альвеол (их диаметр около 0,3 мм, количество альвеол в легких человека около миллиарда, а общая поверхность приблизительно 100 м2) осуществляется газообмен: кислород переходит в кровь и примерно столько же углекислого газа из крови поступает в легкие. Более точно, в среднем за сутки из альвеолярного воздуха в кровь поступает 500 литров кислорода и выделяется 430 литров углекислого газа из крови в альвеолярный воздух.

Более подробно о свойствах альвеол рассказано в книге К. Ю. Богданова «Физик в гостях у биолога» (Библиотечка «Квант», выпуски 49, 133).

Что первично для организма

В нашем случае проблема выбора — что первично (иными словами, что запускает процессы в человеческом организме): кислород или углекислый газ — решается следующим образом. Раньше первичным считался кислород — ведь он основной источник энергии, дающий толчок всем процессам в организме. Но сейчас маятник выбора качнулся в сторону углекислого газа. Постепенно пришли к выводу, что первичным, запускающим, механизмом является накопление в организме углекислого газа.

Накопление CO2 в организме в ходе расщепления в клетках жиров и белков дает сигнал мозгу о том, что углекислый газ нужно выводить из клеток — он «садится» на эритроциты и перемещается к альвеолам легких. На освободившиеся места в «поезде» эритроцитов «усаживается» O2 и разносится по организму. Поэтому современный взгляд на процесс дыхания таков: сначала выдыхается углекислый газ, а потом вдыхается кислород. При этом вместе с углекислым газом выдыхаются и излишки кислорода. Для дыхания необходимы оба газа, попеременно «седлающие» эритроциты. При этом венозная кровь окрашена с помощью углекислого газа в темно-красный цвет, а артериальная кровь с помощью кислорода — в ярко-красный.

Среднее соотношение между количеством углекислого газа и кислорода в организме здорового человека примерно 3:1 (6% CO2 и 2% O2).

Взаимодействие «снаружи» и «изнутри». Итак, углекислый газ необходим для жизнедеятельности человека. Важно и поддержание определенного уровня CO2 в организме. А его недостаток и избыток вредны. Слишком высокое накопление CO2 возможно в плохо проветриваемых помещениях: при большом проценте (более 0,08–0,1%) его уровень в организме также растет (последствия этой ситуации обсуждались выше). Нехватка углекислого газа в крови (менее 4%) тоже опасна (см. рис. 4).

В каких случаях может возникнуть такая нехватка? Типичный пример — учащенное дыхание: слишком много CO2 выдыхается и мало остается в организме. При недостатке углекислого газа кислород прочно «прикреплен» к эритроцитам. И даже когда кислорода в крови много, он оказывается связанным и плохо поступает в ткани организма. Если в такой ситуации дышать еще чаще, то это только усугубит ситуацию.

Приведем еще один пример важности более редкого дыхания. Стайерам во время бега рекомендуют в случае, когда уже не хватает сил, как можно дольше задержать дыхание для того, чтобы открылось «второе дыхание» и он мог бежать дальше.

Оказание первой помощи. Дыхание «рот в рот». При оказании первой доврачебной помощи человеку в случае исчезновения дыхания одним из действенных методов является искусственное дыхание методом «рот в рот» вместе с непрямым массажем сердца.

В этой ситуации имеется некоторая аналогия с поведением спасателя при остановке сердца: он должен повернуть пострадавшего на спину и нанести ему удар ребром руки по грудной клетке. Цель — сотрясение грудной клетки, что должно привести к запуску остановившегося сердца.

Так что роль CO2 при остановке дыхания несколько иная, чем при обычном, спокойном дыхании.

Способы увеличения концентрации выдыхаемого углекислого газа. Человек в повседневной жизни «в автоматическом режиме» делает примерно 15 циклов вдох-выдох в минуту (каждый цикл имеет длительность приблизительно 4 секунды). Обычное отношение длительности вдоха и выдоха 1 : 1,3.

Смысл основных дыхательных гимнастик заключается в повышении содержания в крови углекислого газа за счет задержки, ослабления, замедления или искусственного затруднения дыхания. При этом повышение концентрации CO2 (до определенного предела, около 8%) улучшает усвоение кислорода организмом человека. В разных методиках это достигается или за счет задержки дыхания после вдоха либо после выдоха, или за счет удлиненного выдоха, или за счет удлиненного вдоха, или их комбинаций. Иными словами, нужно, чтобы фаза выдоха существенно превышала вдох.

Наиболее последовательной из современных методик является система Бутейко — поверхностное дыхание с задержкой. Она направлена на уменьшение потребления кислорода и насыщение организма углекислым газом. По этой системе усилием воли вдох занимает 2 секунды, выдох — 4 секунды, за которым следует 4-х секундная задержка дыхания. Всего цикл длится 10 секунд, укладываясь в 6 циклов в минуту.

В практике йоги правильным считается весьма продолжительный выдох с отношением длительности вдоха и выдоха 1 : 5. Утверждается, что йог в состоянии глубокой медитации может «обходиться» всего двумя-тремя циклами вдох-выдох в минуту. Первая реакция на это — не может быть! Но далее неожиданно выясняется, что очень редкое дыхание йогов может быть связано с повышенной ролью у них кожного дыхания.

И действительно, в этом что-то есть. Площадь кожи человека, покрытая 5 миллионами волосков, составляет 1,5–2 м2. А суммарная площадь 600 миллионов альвеол в легких — около 100 м2. Грубо получается, что на уровне 1–2% кожа может выполнять дыхательную функцию. Измерения показали, что через кожу выделяется около 2% углекислого газа и поглощается примерно 1% кислорода. Более того, через кожу выводится из организма порядка 800 граммов водяных паров — даже больше, чем из легких!

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.