Каково процентное содержание кислорода в выдыхаемом воздухе. Что именно выдыхает человек из легких

В отличие от горячих и холодных планет нашей Солнечной системы, на планете Земля существуют условия, которые дают возможность жизни в определенной форме. Одним из главных условий является состав атмосферы, который дает всему живому возможность свободно дышать и защищает от смертельного излучения, царящего в космосе.

Из чего состоит атмосфера

Атмосфера Земли состоит из множества газов. В основном который занимает 77 %. Газ, без которого немыслима жизнь на Земле, занимает гораздо меньший объем, содержание кислорода в воздухе равно 21 % от всего объема атмосферы. Последние 2 % - смесь различных газов, включая аргон, гелий, неон, криптон и другие.

Атмосфера Земли поднимается на высоту 8 тыс. км. Воздух, пригодный для дыхания, есть только в нижнем слое атмосферы, в тропосфере, достигающей на полюсах - 8 км, ввысь, а над экватором - 16 км. С увеличением высоты воздух становится более разреженным и тем больше ощутима нехватка кислорода. Чтобы рассмотреть, какое содержание кислорода в воздухе бывает на разной высоте, приведем пример. На пике Эвереста (высота 8848 м) воздух вмещает этого газа в 3 раза меньше, чем над уровнем моря. Поэтому покорители высокогорных вершин - альпинисты - могут подняться на его вершину только в кислородных масках.

Кислород - главное условие выживания на планете

В начале существования Земли воздух, который ее окружал, не имел этого газа в своем составе. Это вполне подходило для жизни простейших - одноклеточных молекул, которые плавали в океане. Им кислород не был нужен. Процесс начался примерно 2 млн лет назад, когда первые живые организмы в результате реакции фотосинтеза начали выделять малые дозы этого газа, полученного в результате химических реакций, сначала в океан, затем в атмосферу. Жизнь развилась на планете и приняла разнообразные формы, большинство из которых не дожили до наших времен. Некоторые организмы со временем приспособились к жизни с новым газом.

Они научились использовать его силу безопасно внутри клетки, где она выступала в роли электростанции, для того чтобы добывать энергию из еды. Такой способ использования кислорода называется дыханием, и мы это делаем ежесекундно. Именно дыхание дало возможность для появления более сложных организмов и людей. За миллионы лет содержание в воздухе кислорода взлетело до современного уровня - около 21 %. Накопление этого газа в атмосфере способствовало созданию озонового слоя на высоте 8-30 км от поверхности земли. Вместе с этим планета получила защиту от пагубного действия ультрафиолетовых лучей. Дальнейшая эволюция жизненных форм на воде и на суше стремительно возросла в результате увеличения фотосинтеза.

Анаэробная жизнь

Хотя некоторые организмы адаптировались к повышающемуся уровню выделяемого газа, многие из простейших форм жизни, которые существовали на Земле, исчезли. Другие организмы выжили, прячась от кислорода. Некоторые из них сегодня живут в корнях бобовых, используя азот из воздуха для построения аминокислот для растений. Смертельный организм ботулизма - еще один "беженец" от кислорода. Он спокойно выживает в вакуумных упаковках с консервированными продуктами.

Какой кислородный уровень оптимален для жизни

Преждевременно рожденные малыши, легкие которых еще не полностью раскрыты для дыхания, попадают в специальные инкубаторы. В них содержание кислорода в воздухе по объему выше, и вместо обычных 21 % здесь установлен его уровень 30-40 %. Малыши, имеющие серьезные проблемы дыхания, окружаются воздухом со стопроцентным уровнем кислорода, чтобы предотвратить повреждение детского мозга. Нахождение в таких обстоятельствах совершенствует кислородный режим тканей, пребывающих в состоянии гипоксии, приводит в норму их жизненные функции. Но его чрезмерное количество в воздухе так же опасно, как и недостаток. Чрезмерное количество кислорода в крови ребенка может привести к повреждению кровеносных сосудов в глазах и спровоцировать утрату зрения. Это показывает двойственность свойств газа. Мы должны дышать им, чтобы жить, но его избыток иногда может стать отравой для организма.

Процесс окисления

При соединении кислорода с водородом или углеродом, совершается реакция, именуемая окислением. Этот процесс заставляет органические молекулы, являющиеся основанием жизни, распадаться. В человеческом организме окисление проходит следующим образом. Эритроциты крови собирают кислород из легких и разносят его по всему телу. Происходит процесс разрушения молекул еды, которую мы употребляем. Этот процесс освобождает энергию, воду и оставляет диосксид углерода. Последний выводится клетками крови обратно в легкие, и мы выдыхаем его в воздух. Человек может задохнуться, если ему помешать дышать дольше, чем 5 минут.

Дыхание

Рассмотрим содержание кислорода во вдыхаемом воздухе. Атмосферный воздух, попадающий извне в легкие при вдыхании, именуется вдыхаемым, а воздух, который выходит наружу через дыхательную систему при выдохе, - выдыхаемым.

Он представляет собой смесь воздуха, заполнявшего альвеолы, с тем, который находится в дыхательных путях. Химический состав воздуха, который здоровый человек вдыхает и выдыхает в естественных условиях, практически не меняется и выражается такими цифрами.

Кислород - главная для жизни составляющая воздуха. Изменения количества этого газа в атмосфере невелики. Если у моря содержание в воздухе кислорода вмещает до 20,99 %, то даже в очень загрязненном воздухе индустриальных городов его уровень не падает ниже 20,5 %. Такие изменения не выявляют воздействия на человеческий организм. Физиологические нарушения проявляются тогда, когда процентное содержание кислорода в воздухе падает до 16-17 %. При этом наблюдается явная которая ведет к резкому падению жизнедеятельности, а при содержании в воздухе кислорода 7-8 % возможен летальный исход.

Атмосфера в разные эпохи

Состав атмосферы всегда оказывал воздействие на эволюцию. В разные геологические времена из-за природных катаклизмов наблюдались подъемы или падения уровня кислорода, и это влекло за собой изменение биосистемы. Примерно 300 миллионов лет назад содержание его в атмосфере поднялось до 35 %, при этом наблюдалось заселение планеты насекомыми гигантских размеров. Наибольшее вымирание живых существ в истории Земли случилось около 250 миллионов лет назад. Во время него более чем 90 % обитателей океана и 75 % жителей суши погибло. Одна из версий массового вымирания гласит, что виной тому оказалось низкое содержание в воздухе кислорода. Количество этого газа упало до 12 %, и это - в нижнем слое атмосферы до высоты 5300 метров. В нашу эпоху содержание кислорода в атмосферном воздухе доходит до 20,9 %, что на 0,7 % ниже, чем 800 тысяч лет назад. Эти цифры подтверждены учеными из Принстонского университета, которые исследовали пробы Гренландского и Атлантического льда, образовавшегося в то время. Замерзшая вода сберегла пузырьки воздуха, и этот факт помогает вычислить уровень кислорода в атмосфере.

Чему подчиняется уровень его в воздухе

Активное поглощение его из атмосферы может быть вызвано передвижением ледников. Отодвигаясь, они открывают гигантские площади органических пластов, потребляющих кислород. Еще одним поводом может быть остывание вод Мирового океана: его бактерии при пониженной температуре активнее поглощают кислород. Исследователи утверждают, что индустриальный скачок и вместе с ним сжигание огромного количества топлива особенного воздействия при этом не оказывают. Мировой океан охлаждается в течение 15 миллионов лет, и количество жизненно важного в атмосфере уменьшилось независимо от воздействия человека. Вероятно, на Земле совершаются некоторые природные процессы, ведущие к тому, что потребление кислорода становится выше его производства.

Воздействие человека на состав атмосферы

Поговорим о влиянии человека на состав воздуха. Тот уровень, который мы сегодня имеем, идеально подходит для живых существ, содержание кислорода в воздухе составляет 21 %. Баланс его и других газов определяется жизненным циклом в природе: животные выдыхают диоксид углерода, растения используют его и выделяют кислород.

Но не существует гарантии, что такой уровень будет постоянным всегда. Повышается количество диоксида углерода, выбрасываемого в атмосферу. Это происходит из-за использования топлива человечеством. А оно, как известно, образовалось из окаменелостей органического происхождения и в воздух попадает диоксид углерода. А тем временем самые большие растения нашей планеты, деревья, уничтожаются с нарастающей скоростью. За минуту исчезают километры леса. Это значит, что часть кислорода в воздухе постепенно падает и ученые уже сейчас бьют тревогу. Земная атмосфера - не безграничная кладовая и кислород в нее извне не поступает. Он все время вырабатывался вместе с развитием Земли. Нужно постоянно помнить, что этот газ производится растительностью в процессе фотосинтеза за счет потребления углекислого газа. И любое существенное уменьшение растительности в виде уничтожения лесов, неотвратимо снижает попадание кислорода в атмосферу, тем самым, нарушая его баланс.

Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха

Физиология дыхания

Жизнедеятельность живого организма связана с поглощением им О 2 и выделœением СО 2 . По этой причине в понятие дыхание входят всœе процессы, связанные с доставкой О 2 из внешней среды внутрь клеток и выделœением СО 2 из клетки в окружающую среду.

Под физиологией дыхания понимают следующие процессы: внешнее дыхание, газообмен в легких, транспорт газов кровью, тканевое и клеточное дыхание.

Внешнее дыхание осуществляется дыхательным аппаратом человека. К нему относятся грудная клетка с мышцами, приводящими ее в движение и легкие с воздухоносными путями. Главными дыхательными мышцами являются диафрагма и межреберные мышцы – внутренние и наружные.

При вдохе происходит сокращение мышечных волокон диафрагмы, она уплощается и опускается вниз. При этом грудная клетка увеличивается в вертикальном направлении. Сокращение наружных реберных мышц поднимает ребра и отодвигает их в стороны, а грудину – вперед. При этом грудная клетка расширяется в поперечном и переднезаднем направлениях. При расширении грудной полости пассивно расширяются и легкие за счёт атмосферного давления, действующего через воздухоносные пути на внутреннюю поверхность легких. При расширении легких воздух в них распределяется в большем объёме и давление в полости легких становится ниже атмосферного (на 3-4мм.рт.ст.). Разность давления является причиной того, что атмосферный воздух начинает поступать в легкие – происходит вдох.

Выдох осуществляется в результате расслабления дыхательных мышц. Когда прекращается их сокращение грудная клетка опускается и возвращается в исходное положение. Расслабившаяся диафрагма поднимается вверх и принимает форму купола. Растянутые легкие уменьшаются в объёме. Все вместе взятое приводит к повышению внутрилегочного давления. Воздух выходит из легких наружу – происходит выдох.

Газообмен или вентиляция легких - ϶ᴛᴏ объём воздуха, проходящий через легкие в одну минуту – минутный объём дыхания. В покое он равен – 5-8 л/мин, при мышечной работе увеличивается.

Человек вдыхает атмосферный воздух, в котором содержится 20,94% кислорода, 78,03% азота͵ 0,03% углекислого газа. Выдыхаемый воздух содержит кислорода меньше (16,3%) и 4% углекислого газа. За счёт разности парционального давления О 2 во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе, кислород из воздуха поступает в альвеолы легких. Парциональное давление СО 2 в капиллярах венозной крови равно 47мм.рт.ст., а парциональное давление СО 2 в альвеолах равно 40. За счёт разности парционального давления СО 2 из венозной крови выходит в воздух. Азот в газообмене не участвует. Условия газообмена в легких настолько благоприятны, что, не смотря на то, что время прохождения крови через капилляры легких составляет около 1 секунды, напряжение газов в альвеолярной крови, оттекающих от легких таково, каким оно было бы и после длительного контакта.

В случае если вентиляция легких недостаточна и в альвеолах повышается содержание СО 2 ,то повышается уровень СО 2 и в крови, что немедленно приводит к усилению дыхания – одышке.

Перенос газов кровью.

Газы очень слабо растворяются в жидкости: 100мл крови могут физически растворить около 2% кислорода и 3-4% углекислого газа. Но в эритроцитах крови содержится гемоглобин, который способен химически связывать О 2 и СО 2 . Соединœение гемоглобина с кислородом принято называть оксигемоглобин Hb+О 2 ®HbО 2 , который содержится в артериальной крови. Оксигемоглобин – не прочное соединœение если учесть, что в крови человека содержится около 15% гемоглобина, то 100мл крови могут принœести до 21мл О 2 . Это так называемая кислородная емкость крови. Оксигемоглобин с артериальной кровью направляется к тканям и клеткам, где в результате непрерывно идущих окислительных процессов потребляется О 2 . Гемоглобин подхватывает выделившийся из тканей углекислый газ и образуется непрочное соединœение HbСО 2 – карбгемоглобин. В такое соединœение вступает около 10% выделившегося углекислого газа. Остальная часть соединяется с водой и превращается в угольную кислоту. Эта реакция ускоряется в тысячи раз особым ферментом – карбоангидразой, находящийся в эритроцитах. Далее угольная кислота в тканевых капиллярах реагирует с ионами натрия и калия, образуя бикарбонаты (NaHСО 3 , KHСО 3). Все эти соединœения транспортируются к легким.

Гемоглобин особенно легко соединяется с угарным газом СО 2 (оксид углерода) с образованием карбоксигемоглобина, неспособного к переносу кислорода. Его химическая сродство к гемоглобину почти в 300 раз выше, чем к О 2 . Так при концентрации СО в воздухе, равной 0,1%, около 80% гемоглобина крови оказывается в связи не с кислородом, а с угарным газом. Вследствие этого в организме человека возникают симптомы кислородного голодания (рвота͵ головная боль, потеря сознания). Легкая степень отравления угарным газом является обратимым процессом: СО постепенно отщепляется от гемоглобина и выводится при дыхании свежим воздухом. В тяжелых случаях наступает гибель организма.

Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха" 2017, 2018.

Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов — кислорода, азота, углекислого газа, водяных паров, озона, инертных газов и др. Наиболее важной частью воздуха является кислород. Во вдыхаемом воздухе содержится 20,7% кислорода. Он необходим для осуществления окислительных процессов в организме. Человек потребляет около 12 л кислорода в час, потребность в нем возрастает при физической работе. Содержание кислорода в закрытых помещениях ниже 17% является неблагоприятным показателем, при 13—14% наступает кислородное голодание, при 7—8% — смерть. В выдыхаемом воздухе количество кислорода составляет 15— 16%.

Углекислота (С02) составляет обычно 0,03—0,04% воздуха. В выдыхаемом воздухе углерода в 100 раз больше, т.е. 3—4%. Предельно допустимым содержанием углекислоты в воздухе помещений является 0,1%. При недостаточной вентиляции помещений, где присутствует много людей, содержание углекислоты достигает 0,8%. При 1 —1,5% С02 отмечается ухудшение самочувствия, более высокий уровень С02 в воздухе может привести к значительным нарушениям здоровья. Снижение концентрации С02 в воздухе не опасно.

Азот (N2) содержится в воздухе на уровне 78,97 — 79,2%. Он не принимает участия в обменных процессах живых организмов и служит разбавителем других газов, в основном кислорода. Азот воздуха принимает участие в кругообороте азота в природе.

Озон (О3) обычно в околоземном воздухе содержится в очень небольших дозах (0,01—0,06 мг/м3). Он образуется при электрических разрядах во время грозы. Чем чище воздух, тем больше озона, это наблюдается в горах, в хвойных лесах. Озон оказывает благотворное влияние на организм человека. Озон применяется для обеззараживания воды и дезодорации воздуха, так как обладает сильным окислительным действием за счет выделения атомарного кислорода.

Инертные газы — аргон, криптон и другие не имеют физиологического значения.
Вредные примеси. Газообразные примеси и взвешенные частицы попадают в воздух в результате деятельности человека. Наиболее распространенными газообразными загрязнителями воздуха являются окись углерода, сернистый газ, аммиак и окислы азота, сероводород. На предприятиях общественного питания загрязнение воздушной среды возможно продуктами неполного сгорания топлива, газовой смесью (в газифицированных кухнях), газами (NH3, H2S), выделяющимися при гниении, аммиаком (при использовании аммиачных холодильных установок). При тепловой обработке пищи возможно выделение высокотоксичного вещества акролеина, а также летучих жирных кислот.

Окись углерода (СО) образуется при неполном сгорании топлива, входит в состав горючих газовых смесей, не имеет запаха и вызывает как острые, так и хронические отравления. В газифицированных кухнях накапливается при утечке газа из сети или неполном его сгорании. Предельная концентрация СО в атмосферном воздухе, которая может быть допущена, 1 мг/м3 (средняя за сутки), тогда как для рабочей зоны допускается содержание 20—100 мг/м3СО в зависимости от длительности работы.

Дыхание - это неотъемлемый признак жизни. Мы дышим постоянно с момента рождения и до самой смерти. Дышим днем и ночью во время глубокого сна, в состоянии здоровья и болезни.

В организме человека и животных запасы кислорода ограничены. Поэтому организм нуждается в непрерывном поступлении кислорода из окружающей среды. Так же постоянно и непрерывно из организма должен удаляться углекислый газ, который всегда образуется в процессе обмена веществ и в больших количествах является токсичным соединением.

Дыхание - сложный непрерывный процесс, в результате которого постоянно обновляется газовый состав крови. В этом заключается его сущность.

Нормальное функционирование организма человека возможно только при условии пополнения энергией, которая непрерывно расходуется. Организм получает энергию за счет окисления сложных органических веществ - белков, жиров, углеводов. При этом освобождается скрытая химическая энергия, которая является источником жизнедеятельности клеток тела, их развития и роста. Таким образом, значение дыхания состоит в поддержании в организме оптимального уровня окислительно-восстановительных процессов.

В процессе дыхания принято различать три звена: внешнее, или легочное, дыхание, транспорт газов кровью и внутреннее, или тканевое, дыхание.

Внешнее дыхание - это газообмен между организмом и окружающим его атмосферным воздухом. Внешнее дыхание может быть разделено на два этапа - обмен газов между атмосферным и альвеолярным воздухом и газообмен между кровью легочных капилляров и альвеолярным воздухом. Внешнее дыхание осуществляется за счет активности аппарата внешнего дыхания.

Аппарат внешнего дыхания включает в себя дыхательные пути, легкие, плевру, скелет грудной клетки и ее мышцы, а также диафрагму. Основной функцией аппарата внешнего дыхания является обеспечение организма кислородом и освобождение его от избытка углекислого газа. О функциональном состоянии аппарата внешнего дыхания можно судить по ритму, глубине, частоте дыхания, по величине легочных объемов, по показателям поглощения кислорода и выделения углекислого газа и т. д.

Транспорт газов осуществляется кровью. Он обеспечивается разностью парциального давления (напряжения) газов по пути их следования: кислорода от легких к тканям, углекислого газа от клеток к легким.

Внутреннее или тканевое дыхание также может быть разделено на два этапа. Первый этап - обмен газов между кровью и тканями. Второй - потребление кислорода клетками и выделение ими углекислого газа (клеточное дыхание).

Состав вдыхаемого, выдыхаемого и альвеолярного воздуха

Человек дышит атмосферным воздухом, который имеет следующий состав: 20,94% кислорода, 0,03% углекислого газа, 79,03% азота. В выдыхаемом воздухе обнаруживается 16,3% кислорода, 4% углекислого газа, 79,7% азота.

Состав выдыхаемого воздуха непостоянен и зависит от интенсивности обмена веществ, а также от частоты и глубины дыхания. Стоит задержать дыхание или сделать несколько глубоких дыхательных движений, как состав выдыхаемого воздуха изменяется.

Сравнение состава вдыхаемого и выдыхаемого воздуха служит доказательством существования внешнего дыхания.

Альвеолярный воздух по составу отличается от атмосферного, что вполне закономерно. В альвеолах происходит обмен газов между воздухом и кровью, при этом в кровь диффундирует кислород, а из крови - углекислый газ. В результате в альвеолярном воздухе резко уменьшается содержание кислорода и возрастает количество углекислого газа. Процентное содержание отдельных газов в альвеолярном воздухе: 14,2-14,6% кислорода, 5,2-5,7% углекислого газа, 79,7-80% азота. Альвеолярный воздух отличается по составу и от выдыхаемого воздуха. Это объясняется тем, что выдыхаемый воздух содержит смесь газов из альвеол и вредного пространства.

Основными составными частями атмосферного воздуха являются кислород (около 21%), азот (78%), углекислый газ (0,03-0,04%), водяные пары, инертные газы, озон, перекись водорода (около 1%).

Кислород - наиболее составная часть воздуха. При его непосредственном участии протекают все окислительные процессы в организме человека и животных. В покое человек потребляет в минуту примерно 350 мл кислорода, а при тяжелой физической работе количество потребляемого кислорода увеличивается в несколько раз.

Вдыхаемый воздух содержит 20,7-20,9% кислорода, а выдыхаемый - около 15-16%. Таким образом, ткани организма поглощают около 1/4 кислорода, имеющегося в составе вдыхаемого воздуха.

В атмосфере содержание кислорода существенно не изменяется. Растения поглощают углекислый газ и, расщепляя его, усваивают углерод, а освободившийся кислород выделяют в атмосферу. Источником образования кислорода является также фотохимическое разложение водяных паров в верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетового излучения солнца. В обеспечении постоянного состава атмосферного воздуха имеет значение также перемешивание воздушных потоков в нижних слоях атмосферы. Исключение составляют герметически замкнутые помещения, где вследствие длительного пребывания людей содержание кислорода может значительно понижаться (подводные лодки, убежища, герметизированные кабины самолетов и др.).

Для организма важное значение имеет парциальное давление * кислорода, а не его абсолютное содержание во вдыхаемом воздухе. Это обусловлено тем, что переход кислорода из альвеолярного воздуха в кровь и из крови в тканевую жидкость происходит под влиянием разницы в парциальном давлении. Парциальное давление кислорода уменьшается с увеличением высоты местности над уровнем моря, (таблица 1).

Таблица 1. Парциальное давление кислорода на разных высотах

Большое значение имеет использование кислорода для лечения заболеваний, сопровождающихся кислородным голоданием (кислородные палатки, ингаляторы).

Углекислый газ. Содержание углекислого газа в атмосфере достаточно постоянно. Это постоянство объясняется круговоротом его в природе. Несмотря на то, что процессы гниения, жизнедеятельности организма сопровождаются выделением углекислого газа, значительного увеличения его содержания в атмосфере не происходит, так как углекислый газ усваивается растениями. При этом углерод идет на построение органических веществ, а кислород поступает в атмосферу. В выдыхаемом воздухе содержится до 4,4% углекислого газа.

Углекислый газ - физиологический возбудитель дыхательного центра, поэтому при искусственном дыхании его в незначительном количестве добавляют к воздуху. В больших количествах он может оказывать наркотическое действие и вызывать смерть.

Углекислый газ имеет и гигиеническое значение. По его содержанию судят о чистоте воздуха жилых и общественных помещений (т. е. помещений, где находятся люди). При скоплении людей в плохо вентилируемых помещениях параллельно накоплению углекислого газа в воздухе увеличивается содержание других продуктов жизнедеятельности человека, повышается температура воздуха и увеличивается его влажность.

Установлено, что если содержание углекислого газа в воздухе помещений превышает 0,07-0,1%, то воздух приобретает неприятный запах и может нарушить функциональное состояние организма.

Параллельность изменения перечисленных свойств воздуха жилых помещений и возрастания концентрации углекислого газа, а также простота определения его содержания позволяют использовать этот показатель для гигиенической оценки качества воздуха и эффективности вентиляции общественных помещений.

Азот и другие газы. Азот является основной составной частью атмосферного воздуха. В организме он находится в растворенном состоянии в крови и тканевых жидкостях, но не принимает участия в химических реакциях.

В настоящее время экспериментально установлено, что в условиях повышенного давления азот воздуха вызывает у животных расстройство нервно-мышечной координации, последующее возбуждение и наркотическое состояние. Аналогичные явления исследователи наблюдали у водолазов. Применение для дыхания водолазов гелио-кислородной смеси позволяет увеличить глубину спуска до 200 м без выраженных симптомов интоксикации.

При электрических грозовых разрядах и под влиянием ультрафиолетовых лучей солнца в воздухе образуется незначительное количество других газов. Гигиеническое значение их сравнительно невелико.

* Парциальным давлением газа в смеси газов называется то давление, которое производил бы данный газ, если бы он занимал весь объем смеси.