Кислород — основа жизни, но не все так однозначно
23.04.2023 21:15:00
Ольга БЕБЕНИНА
Парадокс: мы привыкли говорить, что дышим кислородом, хотя на самом деле его содержание в воздухе крайне мало — всего около 21 процента. Львиную же долю — 78,8 процента — в сложной смеси, которая нас окружает, составляет азот. Почему же мы придаем такое значение именно кислороду?
Чтобы объяснить кажущуюся несуразицу, не углубляясь в дебри химических формул, приведем в пример то, с чем многие из нас сталкиваются ежедневно, — лекарства. Вещества, содержащиеся в них (а это может быть, допустим, мышьяк или сурьма), мягко говоря, не безобидны. Но больные принимают их без опаски, потому что ученые и фармацевты нашли способ дозировать яды и соединять их с другими веществами таким образом, чтобы они не только не вредили организму человека, а наоборот, приносили пользу. С воздухом аналогично: по отдельности и в чистом виде азот и кислород вызывают как минимум удушье. В компании же с углекислым газом, аргоном, ксеноном, водородом, гелием, метаном и другими веществами (тоже, кстати, не безобидными) этот химически связанный «коктейль» вполне пригоден к употреблению внутрь.
При этом сбалансированный состав воздуха — не изобретение какого-нибудь сумасшедшего гения, а результат естественных природных и эволюционных процессов.
Около 2,45 миллиарда лет назад на Земле по каким-то причинам (есть разные версии) произошла смена состава атмосферы. Аммиак, сероводород и метан, составлявшие прежде основу воздуха, были вымещены кислородом и его компанией. После появления кислородной атмосферы около 99 процентов всех существовавших тогда видов вымерло. Их заменили новые, и с тех пор ничто живое, кроме некоторых бактерий, не может существовать без кислорода. С точки зрения биохимии, это основной биогенный элемент. То есть он входит в состав молекул всех важнейших веществ, отвечающих за структуру и функции клеток (липиды, белки, углеводы, нуклеиновые кислоты).
С помощью кислорода наш организм вырабатывает энергию для жизни и поддержания гомеостаза (стабильных параметров органов и систем). Простейший пример нашей зависимости: мозг без кислорода может продержаться от 4 до 6 минут. После 10 минут начинаются необратимые повреждения.
В 2020 году физиологи Мичиганского университета выяснили еще один нюанс. Они решили исследовать подноготную пневмонии, развивающейся у некоторых сердечников после оксигенотерапии. Результаты, опубликованные в журнале Science Translational Medicine, оказались, мягко говоря, неожиданными. Выяснилось, что в этом случае кислород (точнее, его переизбыток) вредит организму не сам по себе, а опосредованно, изменяя баланс видов бактерий в легочной микрофлоре, в том числе провоцируя рост синегнойной палочки (Pseudomonas aeruginosa) и золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus). И вот вам, пожалуйста, — бактериальная пневмония.
В этом году специалисты из Институтов Гладстона (научно-исследовательский и учебный центр при больнице общего профиля Сан-Франциско) провели схожую работу. Выводы тоже неприятные: если мы дышим воздухом с переизбытком кислорода, то, попадая в организм, он изменяет железосодержащие и серосодержащие белки в клетках, подобно процессу ржавления железа. Именно эти «ржавые» белки и запускают цепь событий, разрушающих клетки и ткани. Активные формы кислорода способны даже повреждать структуру ДНК (представьте себе). Радует, что опасно высокие значения начинаются от 60 процентов содержания кислорода в воздухе — в обычных природных условиях такого не бывает. А когда мы говорим, что в деревне воздух им насыщен, это всего лишь образное выражение, характеризующее отсутствие вредных примесей, выхлопных газов и так далее.
Хотите верьте, хотите нет, но больше всего кислорода содержится не в воздухе, а в воде — 88,6 процента. И вся живность, населяющая эту среду обитания (особенно это касается рыб), гораздо более кислородозависимая, нежели мы с вами.
Фото Pixabay
Один из популярных персонажей фольклора скалолазов (особенно в странах бывшего СССР) — Черный альпинист. Это призрак, которого довольно часто наблюдают на высоте. Считается, что возникающий из ниоткуда мрачный силуэт предвещает скорую смерть, сход лавины, внезапную метель или нечто в этом же духе. Надо сказать, что некоторое время ученые были склонны предполагать, что люди на самом деле видят какое-то живое существо. Возможно, даже невероятным образом выжившего реликтового гоминида. Однако разгадка оказалась проще.
Черный альпинист — часть системных галлюцинаций, вызываемых длительным кислородным голоданием в условиях высокогорья. Тут нужно отметить, что на самом деле задыхающийся мозг продуцирует не только этот конкретный фантом, а целый калейдоскоп картинок, включая даже воспоминания детства. Но испуганный человек (а страх — базовая эмоция при удушье, которую невозможно контролировать) запоминает именно популярную страшилку, которой его уже до этого запугали. Отсюда и многочисленные свидетельства очевидцев, искренне считающих, что встретили призрака в реальности. Впрочем, увидеть Черного альпиниста не самый плохой вариант. Остальные последствия кислородного голодания (отек мозга и инсульт) не такие безобидные.
bebenina@sb.by
Дело в дозе
Вообще говоря, вопрос химического состава воздуха в раскладке на элементы довольно забавен. Прежде всего потому, что основные компоненты, как ни крути, являются ядовитыми. А мы ими дышим. Даже азотом, несмотря на то что это инертный газ и им можно отравиться.Чтобы объяснить кажущуюся несуразицу, не углубляясь в дебри химических формул, приведем в пример то, с чем многие из нас сталкиваются ежедневно, — лекарства. Вещества, содержащиеся в них (а это может быть, допустим, мышьяк или сурьма), мягко говоря, не безобидны. Но больные принимают их без опаски, потому что ученые и фармацевты нашли способ дозировать яды и соединять их с другими веществами таким образом, чтобы они не только не вредили организму человека, а наоборот, приносили пользу. С воздухом аналогично: по отдельности и в чистом виде азот и кислород вызывают как минимум удушье. В компании же с углекислым газом, аргоном, ксеноном, водородом, гелием, метаном и другими веществами (тоже, кстати, не безобидными) этот химически связанный «коктейль» вполне пригоден к употреблению внутрь.
При этом сбалансированный состав воздуха — не изобретение какого-нибудь сумасшедшего гения, а результат естественных природных и эволюционных процессов.
Около 2,45 миллиарда лет назад на Земле по каким-то причинам (есть разные версии) произошла смена состава атмосферы. Аммиак, сероводород и метан, составлявшие прежде основу воздуха, были вымещены кислородом и его компанией. После появления кислородной атмосферы около 99 процентов всех существовавших тогда видов вымерло. Их заменили новые, и с тех пор ничто живое, кроме некоторых бактерий, не может существовать без кислорода. С точки зрения биохимии, это основной биогенный элемент. То есть он входит в состав молекул всех важнейших веществ, отвечающих за структуру и функции клеток (липиды, белки, углеводы, нуклеиновые кислоты).
С помощью кислорода наш организм вырабатывает энергию для жизни и поддержания гомеостаза (стабильных параметров органов и систем). Простейший пример нашей зависимости: мозг без кислорода может продержаться от 4 до 6 минут. После 10 минут начинаются необратимые повреждения.
Ни больше ни меньше
Недостаточное содержание кислорода в воздухе может привести к серьезным проблемам со здоровьем. Что касается его повышенных концентраций, вроде бы оно и к лучшему. Но и здесь не все так однозначно. Например, при болезнях сердца применяют оксигенотерапию (от латинского oxygenium — «кислород»). При этом процентное содержание этого газа в дыхательной смеси ни в коем случае не должно превышать определенных значений. Иначе могут не выдержать и начать взрываться клетки легочных капилляров. Затем, что логично, следуют системное повреждение этих и других органов, судороги и прочие неприятные последствия, вплоть до летального исхода. Это называется гипероксией, или кислородным отравлением. И хотя такое состояние в медицине известно давно, научных изысканий по поводу его механизма почти не проводилось. Однако ученым было любопытно узнать, каким именно образом живительный, по сути, кислород убивает человека.В 2020 году физиологи Мичиганского университета выяснили еще один нюанс. Они решили исследовать подноготную пневмонии, развивающейся у некоторых сердечников после оксигенотерапии. Результаты, опубликованные в журнале Science Translational Medicine, оказались, мягко говоря, неожиданными. Выяснилось, что в этом случае кислород (точнее, его переизбыток) вредит организму не сам по себе, а опосредованно, изменяя баланс видов бактерий в легочной микрофлоре, в том числе провоцируя рост синегнойной палочки (Pseudomonas aeruginosa) и золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus). И вот вам, пожалуйста, — бактериальная пневмония.
В этом году специалисты из Институтов Гладстона (научно-исследовательский и учебный центр при больнице общего профиля Сан-Франциско) провели схожую работу. Выводы тоже неприятные: если мы дышим воздухом с переизбытком кислорода, то, попадая в организм, он изменяет железосодержащие и серосодержащие белки в клетках, подобно процессу ржавления железа. Именно эти «ржавые» белки и запускают цепь событий, разрушающих клетки и ткани. Активные формы кислорода способны даже повреждать структуру ДНК (представьте себе). Радует, что опасно высокие значения начинаются от 60 процентов содержания кислорода в воздухе — в обычных природных условиях такого не бывает. А когда мы говорим, что в деревне воздух им насыщен, это всего лишь образное выражение, характеризующее отсутствие вредных примесей, выхлопных газов и так далее.
Хотите верьте, хотите нет, но больше всего кислорода содержится не в воздухе, а в воде — 88,6 процента. И вся живность, населяющая эту среду обитания (особенно это касается рыб), гораздо более кислородозависимая, нежели мы с вами.
Тайна Черного альпиниста
Критически низкое содержание кислорода в воздухе — 7—8 процентов. И это практически гарантирует летальный исход, поскольку ни кровь, ни легкие человека не могут работать на таком энергетическом минимуме. Характерный пример подобного явления — высотная болезнь, от которой страдают люди при подъеме, допустим, на Эверест. Причина в том, что после отметки в 7 тысяч метров (а самая высокая точка «горы смерти» — 8848 метров) из-за снижения давления уровень снабжения крови кислородом резко падает. Начинается кислородное голодание, самое безобидное проявление которого — галлюцинации.Фото PixabayОдин из популярных персонажей фольклора скалолазов (особенно в странах бывшего СССР) — Черный альпинист. Это призрак, которого довольно часто наблюдают на высоте. Считается, что возникающий из ниоткуда мрачный силуэт предвещает скорую смерть, сход лавины, внезапную метель или нечто в этом же духе. Надо сказать, что некоторое время ученые были склонны предполагать, что люди на самом деле видят какое-то живое существо. Возможно, даже невероятным образом выжившего реликтового гоминида. Однако разгадка оказалась проще.
Черный альпинист — часть системных галлюцинаций, вызываемых длительным кислородным голоданием в условиях высокогорья. Тут нужно отметить, что на самом деле задыхающийся мозг продуцирует не только этот конкретный фантом, а целый калейдоскоп картинок, включая даже воспоминания детства. Но испуганный человек (а страх — базовая эмоция при удушье, которую невозможно контролировать) запоминает именно популярную страшилку, которой его уже до этого запугали. Отсюда и многочисленные свидетельства очевидцев, искренне считающих, что встретили призрака в реальности. Впрочем, увидеть Черного альпиниста не самый плохой вариант. Остальные последствия кислородного голодания (отек мозга и инсульт) не такие безобидные.
bebenina@sb.by