Кислород
Содержимое в человеческом организме
Описание
(вернуться к оглавлению)
Кислород химически самый активный (после фтора) не металл. В свободном состоянии встречается в двух видах. Первый и основной вид - его двухатомная форма О2. Двухатомный кислород при нормальных условиях представляет собой газ без цвета, вкуса и запаха. Его способность реагировать с другими веществами сильно зависит от температуры. При обычных условиях кислород достаточно инертен, но при повышении температуры до 200-400°С кислород активно вступает во взаимодействие с большинством химических элементов, способных окисляться. Реакции с участием кислорода, как правило, протекают в режиме горения с выделением тепла и пламени. В некоторых случаях результатом высокой степени взаимодействия является взрыв. Например, со взрывом реагируют смеси кислорода с водородом, метаном, оксидом углерода. Взрывоопасны смеси воздуха с угольной пылью, с мукой и с другими мелкодисперсными веществами.
Второй вид О3 – озон, образующийся в верхних слоях атмосферы. Трехатомный кислород при нормальных условиях представляет собой голубой газ с характерным запахом. Он является очень сильным окислителем. В присутствии озона самовоспламеняются многие органические вещества. Он легко окисляет медь, ртуть, серебро.
Озон термодинамически неустойчив. В природе он образуется при грозовых разрядах и за счет фотохимических реакций, идущих под действием ультрофиолетового излучения Солнца. В результате в верхних слоях атмосферы существует область с повышенным содержанием озона – озоновый слой, который имеет исключительно важное экологическое значение. Коротковолновая составляющая ультрафиолетового излучения Солнца губительно действует на живые организмы, может вызвать рак кожи, катаракту и иммунную недостаточность. В спектре поглощения озона имеется широкая полоса в длинноволновой части УФ области, благодаря чему озон служит своего рода щитом для земной поверхности, однако сам он в результате этого поглощения разрушается. Помимо этого, озон принимает участие в поддержании теплового баланса поверхности нашей планеты. Он задерживает уходящее от Земли тепло в тех спектральных интервалах, где СО2 и Н2О поглощают это тепло плохо.
В земных условиях именно взаимодействие с атмосферным кислородом того или иного вещества определяет возможность его существования, использования, хранения. Так, например, углеводороды не самовозгораются, но горят на воздухе и могут быть использованы как источник энергии. Серебро и золото не реагируют с кислородом и потому встречаются в природе в самородном состоянии.
Содержание в человеческом организме
(вернуться к оглавлению)
Кислород - самый распространенный на Земле элемент. Он составляет в виде соединений около половины (49,5%) массы земной коры, входит в состав воды (88,8% по массе) и тканей живых организмов (около 70% по массе). Принято считать, что в процессе образования планеты Земля кислород был полностью связан в соединения. Наличие свободного кислорода в атмосфере (21% по объему) – результат жизнедеятельности растений, а точнее фотосинтеза, происходящего при участии некоторых пигментов и солнечного света.
В человеческом организме кислород составляет 62% массы тела, в костной ткани - 28,5%, в мышечной ткани - 16,0%.
Биологическая роль
(вернуться к оглавлению)
Кислород необходим для жизнедеятельности подавляющего числа живых организмов, за исключением некоторых бактерий (анаэробов). При этом критичным является достаточно узкий диапазон концентрации кислорода в атмосфере, составляющий от 13% до 30%.
Животные и люди получают энергию для жизни за счет биологического окисления различных веществ (белков, жиров, углеводов), поступающих с пищей, посредствам кислорода, поступающего в организм при дыхании. При этом главный процесс – реакция кислорода с атомами водорода с образованием воды и выделением энергии.
Кислород входит в состав воды, которая является основным компонентом человеческого организма.
Также кислород входит в состав белков (17,9 %), жиров (22,4 %), углеводов (49,38 %), нуклеиновых кислот и других жизненно важных веществ.
Источники
(вернуться к оглавлению)
Основным источником кислорода является атмосферный воздух. В атмосфере находится около 20,8% кислорода. Остальные компоненты воздуха – это азот N2 (78,08%), аргон Ar (0,93%), углекислый газ CO2 (0,02 – 0,04%), неон Ne (0,00192%), гелий He (0,000524%), криптон Kr (0,000114 ·10%), водород H2 (0,00005%), ксенон Xe (0,0000087%). Надо отметить, что содержание кислорода в атмосфере сохраняется удивительно постоянным, несмотря на все окислительные процессы дыхания и горения, протекающие на Земле. Главным фактором, поддерживающим постоянство содержания кислорода в атмосфере Земли, является фотосинтез, причем главный вклад вносят не наземные зеленые растения, а планктон и водоросли мирового океана, на долю которых приходится около 80% выделяемого кислорода.
Также в качестве источника кислорода выступают пища и вода.
Суточная потребность
(вернуться к оглавлению)
Суточная потребность в кислороде для организма зависит от множества различных факторов. Она варьируется в зависимости от возраста, пола, физического состояния, а также рода деятельности. Объем потребляемого кислорода значительно увеличивается при повышении как физической, так и умственной нагрузки.
Здоровый человек в спокойном состоянии за сутки прокачивает через свои легкие около 7200 л воздуха, забирая безвозвратно 720 л кислорода. В закрытом помещении объемом 6 м3 человек может продержаться без вентиляции до 12 часов, а при физической работе 3-4 часа. Основная причина затруднения дыхания – не недостаток кислорода, а накопление углекислого газа с 0,3 до 2,5%. В качестве усредненного значения в некоторых источниках встречается цифра 300-400 л (280 мл/мин).
Недостаток
(вернуться к оглавлению)
При содержании в окружающем воздухе кислорода менее 13% существа, использующие в своей жизнедеятельности кислород, погибают. Без кислорода невозможны многочисленные и жизненно важные процессы, в особенности дыхание. Только немногие растения и простейшие, имеющие название анаэробные, животные могут обходиться без кислорода.
Острый недостаток кислорода (асфиксия), может возникнуть при механическом нарушении дыхания (удушье, отек дыхательных органов) и привести к прекращению необходимых для жизни процессов в организме и, как следствие, к смерти. В то время как пониженное содержание кислорода в организме (гипоксия) приводит к развитию необратимых изменений в тканях и органах человека. Причиной гипоксии может служить как недостаток кислорода во вдыхаемом воздухе (разряженный воздух высокогорья), так и нарушения в процессах тканевого и клеточного дыхания (анемия, кровопотеря). Наиболее чувствительна к недостатку кислорода центральная нервная система (головной мозг), но в той или иной степени недостаток кислорода влияет на все органы и системы организма.
Избыток
(вернуться к оглавлению)
При содержании кислорода в окружающей атмосфере более 30% процессы горения и окисления идут слишком интенсивно, чем это необходимо для нормальной жизнедеятельности, при этом происходит кислородная интоксикация, сопровождающаяся поражением центральной нервной системы, легочным ожогом, кислородной пневмонией.
Избыток кислорода во вдыхаемом воздухе приводит к нарушению сердечного ритма, снижению частоты сокращения сердца до 30-50 ударов в минуту. Также повышенная концентрация кислорода обладает сосудосуживающим эффектом, увеличивающим сопротивление периферических сосудов и замедляющим кровоток.
Также в качестве последствий избыточного количества кислорода необходимо упомянуть усиление свертываемости крови, снижение уровня гемоглобина в крови, снижение фагоцитарной активности, снижение скорости усвоения глюкозы и угнетение мозговой деятельности.
Токсичность
(вернуться к оглавлению)
Молекулярный кислород О2 не токсичен для живых организмов, что нельзя сказать о других формах этого вещества.
Токсичными являются реактивные формы кислорода (пероксиды, свободные радикалы), способные приводить к окислению компонентов клеток человека, что является важнейшим фактором старения, а также может приводить к развитию различных заболеваний, несмотря на то, что в организме человека присутствуют механизмы защиты от отрицательного действия этих веществ. Но справедливости ради следует заметить, что эти же формы реактивного кислорода способны в организме выполнять некоторые полезные, в том числе и защитные, функции (например, защита от раковых опухолей).
Токсичной для человека является форма О3 – озон. При концентрациях менее 0,1 мкг/л озон благотворно действует на человека, но при содержании в воздухе более 2 мкг/л вызывает серьезное отравление. Он изменяет структуру легких, подавляя их функции, тем самым снижая устойчивость к респираторным заболеваниям. Будучи сильнейшим окислителем, озон интенсивно окисляет аминокислоты и ферменты, содержащие серу, метионин, а также триптофан, гистидин, тирозин.