Что именно выдыхает человек из легких. Внутреннее дыхание и транспорт газов Содержание кислорода в выдыхаемом воздухе составляет

Атмосфера представляет собой воздушную оболочку земной поверхности, состоящую из смеси газов, имеющую на разных высотах различную плотность. Это обстоятельство обусловлено земным притяжением. По мере удаления от поверхности земли плотность воздушной оболочки уменьшается и в конечном счете уравнивается с плотностью межзвездного пространства.

В составе воздушной оболочки больше всего азота, за ним следует кислород, далее углекислый газ и целый ряд так называемых нейтральных газов (аргон, неон, гелий и др.). В воздухе всегда находятся также различные количества водяных паров. Наконец, иногда наружный воздух содержит озон и перекись водорода, являющиеся, однако, временными примесями газового состава воздуха. О составе вдыхаемого (атмосферного) и выдыхаемого воздуха можно судить по рис. 1.

Рис. 1. Химический состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха.

Из диаграммы видно, что состав выдыхаемого воздуха значительно отличается от состава вдыхаемого воздуха. Если количество кислорода во вдыхаемом воздухе составляет 20,94%, то в выдыхаемом воздухе его остается примерно 15-16%, следовательно, уменьшение составляет около 25%. Количественные соотношения азота остаются примерно одинаковыми. Наиболее заметные изменения претерпевает углекислый газ, количество которого с 0,03-0,04% во вдыхаемом воздухе возрастает до 4% в выдыхаемом воздухе, т. е. увеличивается в 100 раз. Выдыхаемый воздух отличается и по своим физическим свойствам: температура его значительно возрастает (до 38°), а относительная влажность приближается к 100%. Из сказанного явствует, что выдыхаемый воздух имеет неблагоприятный химический состав и физические свойства, а поскольку легкие при усиленной работе пропускают от 350-450 до 3800 л/час воздуха, становится понятным, почему такой воздух (если нет притока свежего воздуха) может вызвать нарушения самочувствия человека и оказать неблагоприятное воздействие на его здоровье.

Остановимся подробнее на физиолого-гигиеническом значении отдельных ингредиентов газового состава воздушной смеси.

Кислороду принадлежит наиболее существенная роль в жизнедеятельности организма. Недостаточное обеспечение тканей кислородом вызывает нарушения жизнедеятельности организма, которые проявляются при снижении содержания кислорода во вдыхаемом воздухе до 7-8%. Дальнейшее уменьшение приводит к более тяжелым последствиям, а при резко выраженном кислородном голодании - к смертельному исходу вследствие поражения особенно нуждающейся в постоянном снабжении кислородом центральной нервной системы (в частности, в результате паралича дыхательного центра).

В воздушной среде все время происходит круговорот кислорода. Огромные количества этого газа расходуются на дыхание людей и животных, сгорание топлива, окисление органических веществ и др. Восстановление этого постоянного расхода кислорода происходит преимущественно за счет выделения его зелеными хлорофильными частями растений, которые под влиянием солнечной радиации усваивают находящуюся в воздухе двуокись углерода и в присутствии влаги разлагают ее с образованием кислорода. Благодаря указанному балансу концентрация кислорода в атмосферном воздухе почти не меняется (изменения достигают лишь 0,1-0,2%). Этим и объясняется тот факт, что практически в обычных условиях жизни человека не существует недостаточности кислорода. Исключением являются лишь такие условия, когда доступ кислорода ограничен (например, в шахтах глубокого заложения, подводных лодках и т. п.), а также когда в силу природных условий парциальное давление кислорода в воздухе значительно-уменьшено (на горных высотах более 2000 м над уровнем; моря, при полетах на большой высоте). Однако в этих случаях организм человека, используя компенсаторные механизмы (увеличение объема легочной вентиляции, рост количества красных кровяных шариков), в состоянии приспособиться к такому снижению парциального давления кислорода, конечно, в определенных пределах.

Каждый день мы совершаем около 20 тысяч вдохов. Достаточно на 7–8 минут остановить поступление кислорода в кровь, чтобы в коре головного мозга произошли необратимые изменения. Воздух поддерживает множество биохимических реакций в нашем организме. И от его качества во многом зависит наше здоровье.

Атмосферный воздух у поверхности Земли в норме состоит из азота (78,09%), кислорода (20,95%), углекислоты (0,03-0,04%). Остальные газы вместе занимают по объему менее 1%, к ним относятся аргон, ксенон, неон, гелий, водород, радон и другие. Однако выбросы промышленных предприятий и транспорта нарушают это соотношение компонентов. Только в Москве в воздух выбрасывается от 1 до 1,2 млн тонн вредных химических веществ в год, то есть 100-150 кг на каждого из 12 миллионов жителей Москвы. Стоит задуматься, чем мы дышим, и что может помочь нам противостоять этой «газовой атаке».

Кратчайший путь

Легкие человека имеют поверхность до 100 м2, что в 50 раз превышает площадь кожных покровов. В них воздух непосредственно контактирует с кровью, в которой растворяются почти все входящие в него вещества. Из легких, минуя детоксикационный орган - печень, они действуют на организм в 80-100 раз сильнее, чем через желудочно-кишечный тракт при проглатывании.

Воздух, которым мы дышим, загрязняют порядка 280 токсичных соединений. Это соли тяжелых металлов (Cu, Cd, Pb, Mn, Ni, Zn), оксиды азота и углерода, аммиак, сернистый газ и др. В безветренную погоду все эти вредные соединения оседают и создают у земли плотный слой - смог. Под влиянием ультрафиолетовых лучей в жаркий период вредоносные газовые смеси преобразуются в более вредные вещества - фотооксиданты. Ежедневно человек вдыхает до 20 тыс. л воздуха. И за месяц в крупном городе может набрать токсическую дозу. В результате снижается иммунитет, возникают респираторные и неврологические заболевания. Особенно страдают от этого дети.

Принимаем меры

1. Защитить организм от проникновения тяжелых металлов в клетки поможет чай из календулы, ромашки, облепихи и шиповника.

2. Для выведения токсических вещества успешно используются некоторые растения, например, кориандр (кинза). По мнению экспертов, необходимо съедать как минимум 5 г этого растения в сутки (примерно 1 ч. л.).

3. Способностью связывать и выводить тяжелые металлы также обладают чеснок, семена кунжута, женьшень и многие другие продукты растительного происхождения. Эффективен также яблочный сок, в котором много пектинов - природных адсорбентов.

Город без кислорода

Жители мегаполиса постоянно испытывают нехватку кислорода из-за промышленных выбросов и загрязнений. Так, при сжигании 1 кг угля или дров расходуется более 2 кг кислорода. Один автомобиль за 2 часа работы поглощает столько кислорода, сколько дерево выделяет за 2 года.

Концентрация кислорода в воздухе составляет зачастую всего 15-18%, тогда как норма - порядка 20%. На первый взгляд, это небольшая разница - всего-то 3-5%, но для нашего организма она довольно ощутима. Уровень кислорода в воздухе 10% и ниже смертелен для человека. К сожалению, достаточное количество кислорода в природных условиях есть лишь в городских парках (20,8%), загородных лесах (21,6%) и на берегах морей и океанов (21,9%). Ситуация усугубляется тем, что каждые 10 лет площадь легких уменьшается на 5%.

Кислород повышает умственную способность, устойчивость организма к стрессам, стимулирует согласованную работу внутренних органов, повышает иммунитет, способствует снижению веса, нормализуется сон. Ученые подсчитали, что если бы в атмосфере Земли было в 2 раза больше кислорода, то мы могли бы бежать сотни километров, не уставая.

Кислород составляет 90% массы молекулы воды. Организм же содержит 65-75% воды. Головной мозг составляет 2% от общей массы тела и потребляет 20% кислорода, поступающего в организм. Без кислорода клетки не растут и умирают.

Принимаем меры

1. Для адекватного насыщения организма кислородом необходимо ежедневно не менее одного часа гулять в лесу. В течение одного года обычное дерево вырабатывает объем кислорода, необходимый для семьи из 4 человек на протяжении такого же периода.

2. Чтобы восполнить дефицит кислорода в организме, врачи рекомендуют пить подсоленную и минеральную щелочную воду, молочнокислые напитки (обезжиренное молоко, молочную сыворотку), соки.

3. Помогают избавиться от гипоксии кислородные коктейли. По влиянию на организм небольшая порция коктейля равнозначна полноценной лесной прогулке.

4. Кислородотерапия - это методика лечения, основанная на дыхании газовой смесью с повышенной (по отношению к содержанию кислорода в воздухе) концентрацией кислорода.

Домашняя западня

По оценкам экспертов ВОЗ, городской житель проводит в помещении около 80% своего времени. Ученые обнаружили, что воздух в комнатах в 4-6 раз грязнее наружного и в 8-10 раз токсичнее. Это формальдегид и фенол из мебели, некоторых видов синтетических тканей, ковровых покрытий, вредные вещества из строительных материалов (например, карбомид из цемента может выделять аммиак), пыль, шерсть домашних животных и т. д. В то же время в городских помещениях кислорода значительно меньше, что приводит к возникновению у людей кислородной недостаточности (гипоксии).

Газовая плита также может негативно повлиять на атмосферу в доме. Воздух газифицированных зданий в сравнении с наружным воздухом содержит в 2,5 раза больше вредных окислов азота, в 50 раз больше серосодержащих веществ, фенола - на 30-40%, окислов углерода - на 50-60%.

Но главный бич помещений - углекислый газ, основным источником которого является человек. Мы выдыхаем от 18 до 25 л этого газа в час. Последние исследования зарубежных ученых показали, что углекислый газа негативно влияет на организм человека даже в низких концентрациях. В жилых помещениях углекислого газа не должно быть более 0,1%. В комнате при концентрации углекислого газа 3-4% человек задыхается, появляются головная боль, шум в ушах, замедляется пульс. Тем не менее в небольшом количестве (0,03-0,04%) углекислый газ необходим для поддержания физиологических процессов.

Принимаем меры

1. Очень важно, чтобы воздух в помещении был «легким», т. е. ионизированным. При снижении количества аэроионов кислород хуже усваивается эритроцитами крови, возможна гипоксия. В воздухе городов содержится всего 50-100 легких ионов в 1 см³, а тяжелых (незаряженных) - десятки тысяч. В горах самая высокая ионизация воздуха - 800-1000 в 1 см³ и более.

2. Согласно исследованию, проведенному космическим агентством США, некоторые домашние растения действуют как эффективные биофильтры. В борьбе с формальдегидами помогают хлорофитум, папоротник нефролепис. Ксилол и толуол, которые выделяются, например, лаками, нейтрализует фикус Бенджамина. С аммиачными соединениями может справиться азалия. Выделяют много кислорода и поглощают вредные вещества сансевьера, филодендрон, плющ, диффенбахия.

3. Не следует забывать про регулярное проветривание. Особенно это важно в спальне, где люди проводят треть своей жизни.

Опасности на дороге

Автотранспорт поставляет львиную долю загрязняющих воздух веществ: для Москвы - это порядка 93%, для Петербурга - 71%. В Москве числится почти 4 миллиона автомашин, и с каждым годом их количество растет. К 2015 году, как полагают специалисты, автопарк Москвы составит более 5 миллионов автомобилей. За месяц средний легковой автомобиль сжигает столько кислорода, сколько за год выделяет 1 га леса, при этом выбрасывает ежегодно примерно 800 кг окиси углерода, около 40 кг окислов азота и порядка 200 кг различных углеводородов.

Самую серьезную опасность для тех, кто часто пользуется автомобилями, представляет угарный газ. Он в 200 раз быстрее связывается с гемоглобином крови, чем кислород. Эксперименты, проведенные в США, показали, что из-за влияния угарного газа у людей, проводящих большое количество времени за рулем, нарушается реакция. При концентрации угарного газа 6 мг/м3 в течение 20 минут снижается цветовая и световая чувствительность глаз. Под воздействием большого количества угарного газа может произойти обморок, случиться кома и даже наступить смерть.

Принимаем меры

1. Молочные ферменты и кислоты выводят продукты распада угарного газа. При нормальной переносимости в день можно выпивать до литра молока.

2. Для нейтрализации действия угарного газа рекомендуется есть как можно больше фруктов: зеленые яблоки, грейпфруты, а также мед и грецкие орехи.

Приятное с полезным

Немецкие ученые выяснили, что сексуальное возбуждение активизирует работу сердечно-сосудистой системы и увеличивает приток крови. В результате ткани лучше насыщаются кислородом и риск инфаркта или инсульта уменьшается на 50%.

Чем дышит метро

Ученые из Karolinska Institute в Швеции пришли к выводу, что от вдыхания микроскопических частиц угля, асфальта, железа и других загрязняющих элементов, находящихся в воздухе стокгольмского метрополитена, каждый год умирает более 5 тысяч шведов. Эти частицы оказывают на ДНК человека более сильное разрушительное воздействие, нежели частицы, содержащиеся в автомобильных выхлопах и образованные в результате сжигания древесного топлива.

Небо над Москвой

По данным наблюдений Росгидромета, в 2011 году степень загрязнения атмосферного воздуха в городах Московского региона оценивалась как: очень высокая - в Москве, высокая - в Серпухове, повышенная - в Воскресенске, Клину, Коломне, Мытищах, Подольске и Электростали, низкая - в Дзержинском, Щелково и Приокско-Террасном биосферном заповеднике.

Атмосферный воздух , который вдыхает человек, находясь вне помещения (или в хорошо вентилируемых помещениях), содержит 20,94% кислорода, 0,03% углекислого газа, 79,03% азота. В закрытых помещениях, заполненных людьми, процентное содержание углекислого газа в воздухе может быть несколько выше.

Выдыхаемый воздух содержит в среднем 16,3% кислорода, 4% углекислого газа, 79,7% азота (эти цифры приведены в перерасчете на сухой воздух, т. е. за вычетом паров воды, которыми всегда насыщен выдыхаемый воздух).

Состав выдыхаемого воздуха весьма непостоянен; он зависит от интенсивности обмена веществ организма и от объема легочной вентиляции. Стоит сделать несколько глубоких дыхательных движений или, напротив, задержать дыхание, чтобы состав выдыхаемого воздуха изменился.

Азот в газообмене не участвует, однако процентное содержание азота в видимом воздухе на несколько десятых долей процента выше, чем во вдыхаемом. Дело в том, что объем выдыхаемого воздуха несколько меньше, чем объем вдыхаемого, а потому то же самое количество азота, распределяясь в меньшем объеме, дает больший процент. Меньший объем выдыхаемого воздуха по сравнению с объемом вдыхаемого объясняется тем, что углекислого газа выделяется несколько меньше, чем поглощается кислорода (часть поглощаемого кислорода используется в организме на обращение соединений, которые выделяются из организма с мочой и потом).

Альвеолярный воздух отличается от выдыхаемого большим процентом некислоты и меньшим процентом кислорода. В среднем состав альвеолярного воздуха таков: кислорода 14,2-14,0%, углекислого газа 5,5- 5,7%, азота около 80%.

Определение состава альвеолярного воздуха важно для понимания механизма газообмена в легких. Холден предложил простой метод для определения состава альвеолярного воздуха. После нормального вдоха исследуемый делает возможно более глубокий выдох через трубку длиной 1-1,2 м и диаметром 25 мм. Первые порции выдыхаемого воздуха,уходящие через трубку, содержат воздух вредного пространства; последние же порции, остающиеся в трубке, содержат альвеолярный воздух. Для анализа в газоприемник берут воздуха из той части трубки, которая находится ближе всего ко рту.

Состав альвеолярного воздуха несколько различается в зависимости от того, произведён ли забор пробы воздуха для анализа на высоте вдоха или выдоха. Если сделать быстрый, короткий и неполный выдох в конце нормального вдоха, то проба воздуха отразит состав альвеолярного воздуха после наполнения легких дыхательным воздухом, т. е. во время вдоха. Если же сделать глубокий выдох после нормального выдоха, то проба отразит состав альвеолярного воздуха во время выдоха. Понятно, что в первом случае процент углекислого газа будет несколько меньше, а процент кислорода несколько больше, чем во втором. Это видно из результатов опытов Холдена, который установил, что процент углекислого газа в альвеолярном воздухе в конце вдоха составляет в среднем 5,54, а в конце выдоха - 5,72.

Таким оораэом, имеется сравнительно небольшое различие в содержании углекислого газа в альвеолярном воздухе на вдохе и на выдохе: всего на 0,2-0,3%. Это в большой степени объясняется тем, что при нормальном дыхании, как сказано выше, ется всего, обновляется всего 1/7 объема воздуха в легочных альвеолах. Относительное постоянство состава альвеолярного воздуха имеет большое физиологическое значение, что выяснено ниже.

Оставшиеся 1-1,5% объема большей частью приходятся на аргон и углекислый газ, а также незначительное количество других газов - неон, гелий, ксенон и другие. При этом доля углекислого газа в обыкновенном атмосферном воздухе, не подверженном какому-либо воздействию, чаще всего составляет около 0,3% по объему.

Выдыхаемый воздух

При этом состав воздуха, который получается в результате дыхательного процесса человека, существенно отличается от первоначального по содержанию ряда элементов. Так, известно, что в процессе дыхания организм человека потребляет кислород, поэтому закономерно, что его количество в выдыхаемом воздухе оказывается существенно меньше, чем во вдыхаемом. Если в первоначальном составе воздуха содержалось около 21% кислорода, то в воздухе на выдохе его будет лишь порядка 15,4%.

Другое значительное изменение, которое происходит с воздухом в процессе дыхания, касается содержания углекислого газа. Так, если в воздухе, попадающем в организм человека, его содержание обычно не превышает 0,3% объема, то в выходящем из организма воздухе объем углекислого газа достигает 4%. Это связано с тем, что в процессе функционирования человеческого организма его органы и ткани выделяют углекислый газ, который выводится в процессе дыхания. А вот содержание других газов в выдыхаемом воздухе практически не изменяется по отношению к первоначальному. Это связано с тем, что для человеческого организма они являются инертными, то есть никак не взаимодействуют с ним - не усваиваются и не выделяются.

При этом стоит иметь в виду, что воздух, выдыхаемый человеком, изменяет не только свой состав, но и некоторые физические характеристики. Его температура приближается к температуре человеческого тела, которая в норме составляет 36,6оС. Таким образом, если человек вдохнул холодный воздух, его температура повысится, а если горячий - понизится. Кроме того, выдыхаемый воздух обычно характеризуется более высоким уровнем влажности по сравнению с вдыхаемым.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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