Химия дыхания



Скачать 109.01 Kb.
Дата02.05.2016
Размер109.01 Kb.
Химия дыхания
Дыхание – важнейший физико–химический процесс для большинства живых организмов, обитающих на поверхности Земли, поскольку оно наиболее интенсивно связывает организмы с окружающей средой. Известно, например, что человек может прожить без еды месяц, без воды – около недели, а без дыхания лишь 5-10 минут. Нарушение дыхания у человека может спровоцировать более сотни заболеваний.

Возникновение функции дыхания связано с важнейшими планетарными процессами на поверхности Земли. Как известно, первичная атмосфера состояла из магматических выбросов (СО2, NH3, CH4, H2S) и практически не имела кислорода. Поэтому все живые организмы были анаэробами, т. е. не потребляли свободный кислород.

Обитали они в Мировом океане на глубине более 10 м, что спасало их от жесткой солнечной радиации. Когда они освоили фотосинтез, то в качестве продукта жизнедеятельности стали выделять кислород, который уходил в атмосферу. Накопление кислорода резко изменило всю химию поверхности Земли. Постепенно окисляя магматические газы, кислород создал фактически новую атмосферу – азотно-кислородную, какой она остается до сих пор.

Насыщение поверхностных вод кислородом привело к возникновению нового типа живых существ, аэробов, которые освоили процесс дыхания и стали использовать свободный кислород для получения энергии окислением органических веществ. Энергетика таких реакций, используемых аэробами, оказалась на порядок мощнее, чем энергетика ферментативных реакций расщепления органических веществ, используемых анаэробами. Именно поэтому аэробы стали главенствующей формой жизни на Земле, а дыхание превратилось в основную физиологическую функцию большинства живых организмов.

Когда содержание свободного кислорода в атмосфере достигло заметного уровня, начал формироваться озоновый слой. Он дробил мощные солнечные кванты, опасные для биоты ( всего живого ), на небольшие кванты, полезные для живых существ. Это позволило биоте подняться в поверхностные воды Мирового океана, а затем освоить сушу. Количество солнечной энергии, усваиваемой биотой при фотосинтезе, многократно возросло, соответственно увеличилось выделение кислорода и сфера его использования при дыхании.

Самый простой вид дыхания, освоенный первичной биотой, был клеточным. Он и сейчас остался у простейших организмов, например у амебы, инфузории туфельки и др. Растворенный в воде кислород они впитывают через оболочку своей клетки, выводя через нее же углекислый газ. Очень схоже, т.е. напрямую, происходило дыхание у некоторых многоклеточных организмов, возникших позднее. Оно и сейчас осталось у гидры, медузы, полипа и др. Но у большинства животных при усложнении их организмов, клетки которые находились в глубине тела, стали испытывать дефицит кислорода. Поэтому возникло дыхание через особые органы – трахеи, жабры, а потом и легкие, что резко увеличило объем поглощаемого кислорода, а, следовательно, энергетическую мощность живых организмов.

Прямое дыхание через поверхность тела у большинства организмов сохранилось до сих пор. Например, у высших животных кожа через поры усваивает кислород и выбрасывает углекислый газ, при чем эта функция остается для животных жизненно важной. Хотя поглощение кислорода кожей едва измеримо, а выделение ею СО2 составляет менее 1% от объема углекислого газа, выделяемого через легкие, прекращение кожного дыхания смертельно опасно. Если человека или животное поместить в атмосферу углекислого газа, а голову оставить снаружи в обычном воздухе, он быстро погибает, несмотря на то, что имеет возможность дышать через нос или через рот с помощью легких.

Если поры кожи не имеют возможности поглощать кислород, то живое существо быстро гибнет. Например, при обширном поверхностном ожоге или покрытии всего тела краской человек начинает задыхаться даже при нормальном состоянии органов дыхания. Биение сердца замедляется, температура тела понижается и наступает смерть. Известен случай, описанный в биографии Леонардо да Винчи, с мальчиком, которого для праздничного представления покрыли золотой краской, а потом в праздничной суматохе забыли ее смыть. Ребенок умер, потому, что прекратилось кожное дыхание.

Главные механизмы дыхания растений и животных были выявлены наукой к началу ХХ в. Основной функцией дыхания считались доставка кислорода к тканям,, где происходило окисление биотоплива, и последующее удаление образовавшихся СО2 и Н2О.

Главным реактором, осуществляющим газообмен организма с атмосферой, для высших животных оказались легкие, образованные множеством легочных пузырьков – альвеол. Именно через стенки альвеол диффундируют молекулы СО2 и Н2О.

С развитием теории химической связи и изучением строения молекул стало понятным, почему у легких большая поверхность альвеол. Молекулы воды, выстилающие внутреннюю поверхность альвеол, полярны, а молекулы кислорода неполярны. В соответствии со старинным правилом «подобное хорошо растворяется лишь в подобном», растворимость кислорода в воде очень мала. Чтобы поглотить нужное количество кислорода, организмы вынуждены создавать огромное количество альвеол ( у человека примерно 700 млн.), суммарная внутренняя поверхность которых составляет сотни квадратных метров ( у человека более 6000 м2 ).Тогда же стало ясно, что малая растворимость кислорода в воде – главный ограничитель усвоения кислорода при дыхании.

Более детальное изучение выявило у подавляющего большинства животных три основных стадии дыхания.

1.Внешнее дыхание: поступление кислорода из среды в организм, осуществляемое с помощью специальных органов ( легкие, жабры, трахеи ) или напрямую через поверхность тела.

2.Транспорт О2 :перенос его от органов дыхания ко всем органам, тканям и клеткам. Эта функция обеспечивается кровеносной системой при участии специальных белков – переносчиков кислорода ( гемоглобин, миоглобин, гемоцианин ).

3.Клеточное дыхание и выброс его продуктов: диффузия О2 в каждую клетку через ее оболочку, использование поступившего О2 на окисление биотоплива, выход из клеток образовавшихся СО2 и Н2О, перенос их в легкие и выброс при выдохе.

Как уже упоминалось, лимитирует первую стадию сравнительно медленное и незначительное растворение кислорода в водяной пленке альвеол. Когда же молекулы кислорода оказываются в растворе, они быстро диффундируют через огромную поверхность стенок альвеол в капилляры, которыми густо пронизаны альвеолы, и попадают большей частью в эритроциты. Этому способствует почти мгновенное соединение молекул О2 , попавших в эритроцит, с гемоглобином – важнейшим комплексным соединением крови. Причем 1 моль гемоглобина присоединяет до 4 моль О2, образуя оксигемоглобин. Как показывает эксперимент, время полунасыщения гемоглобина кислородом составляет всего 0.01 с, а время пребывания крови в альвеоле – примерно 0,5 с. За это малое время кровь успевает насытиться кислородом.

Получившийся оксигемоглобин затем переносится эритроцитами крови ко всем органам и тканям. При этом главные усилия по перекачке крови несет не сердце, как думали ранее ( на перекачку нужна мощность примерно в20 раз большая, чем у сердца ), а синхронизированные ударом сердца последовательные сокращения мышц. При их нормальной работе, например, при ходьбе или легком беге нагрузка на сердце меньше, чем в состоянии покоя.

Понятно, что эффективность второй стадии дыхания зависит не только от работы мышц, но и от чистоты кровеносных сосудов, которая, в свою очередь, определяется образом жизни индивида.

Клеточное дыхание происходит своеобразно. Диаметр эритроцита заметно больше диаметра капилляра, следовательно, эритроцит не плывет, а проталкивается по капилляру посредством сокращения окружающих мышц. Только так эритроцит своей поверхностью очень плотно прилегает к стенке капилляра. Что значительно ускоряет диффузию О2, образовавшегося при распаде оксигемоглобина, из эритроцита в клетку. Сама диффузия О2 идет потому, что парциальное давление кислорода в эритроците значительно больше, чем в клетке.

Для СО2 все наоборот. Его парциальное давление в артериальной крови примерно 40мл.рт.ст., а в клетке оно значительно выше, т.к. СО2 постоянно образуется в ходе окислительных реакций. Следовательно, он легко диффундирует в кровь. При этом кровь быстро насытилась бы углекислым газом и начался бы обратный процесс, смертельный для клетки. Однако природа изящно обошла это препятствие. Поступивший в кровь СО2 подвергается гидратации, превращаясь в Н2СО3. Причем в плазме крови эта реакция идет медленно, но в эритроците она ускоряется примерно в 10 000 раз специальным ферментом – угольной ангидразой. Следовательно, углекислый газ, поступивший в эритроцит, очень быстро превращается в угольную кислоту, которую эритроцит переносит к легким. Там она переходит из эритроцита в плазму, распадается на СО2 и Н2О, которые диффундируют в альвеолы и выбрасываются при выдохе.

В состоянии покоя за 1 час человек выдыхает примерно 12-15л. углекислого газа и почти столько же потребляет кислорода при вдохах. При интенсивной работе потребность в кислороде возрастает, соответственно возрастают частота дыхания, количество усвоенного кислорода, а также количество энергии. Производимой аэробным окислением биотоплива, например глюкозы:
С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О +2880кДж
Но при большой физической или умственной нагрузке может не хватать кислорода на аэробное окисление. И тогда клетки начинают производить основную часть энергии аэробным окислением, которое досталось им в наследство от первичных организмов, например:
С6Н12О6 = 2С3Н6О3 + 210 кДж
Количество получаемой при этом энергии примерно в 13 раз меньше. Кроме того, образующаяся молочная кислота

СН3-СН(ОН)-СООН

постепенно закисляет организм, и, когда ее содержание достигает опасного предела, человек испытывает такую усталость и боль в мышцах, что валится с ног.

Чтобы раскислить организм, надо дать возможность легким усвоить такое количество кислорода, которое окислит излишнюю молочную кислоту в СО2 и Н2О. Именно поэтому делаются перерывы в трудовой деятельности рабочих и служащих, а , также перемены между занятиями в учебных заведениях.

Последующее изучение дыхания привело к пересмотру возникшего вначале представления о роли углекислого газа в живых организмах. На первый взгляд СО2 для аэробов – ядовитый выброс, от которого нужно избавиться как можно быстрее. Действительно, про содержании во вдыхаемом воздухе более 10% СО2 человек и другие животные погибают от удушья. Но так ли бесполезен для нас СО2? Исследования физиологов показывают. Что в воздухе, наполняющем наши легкие, должно быть не менее 1,5% (об.) СО2, а если его содержание заметно уменьшается, например при глубоком частом дыхании во время врачебного осмотра (дышите глубже) или при разжигании костра, то начинается головокружение, возможен обморок и даже приступ бронхиальной астмы.

Почему наш организм так строго сберегает определенное количество СО2 в легких, а, следовательно и в крови? Полного ответа на этот вопрос пока нет, но кое-что уже установлено. Как известно, кровь переносит не только СО2 и О2, но и множество других веществ, необходимых для построения новых клеток. Кстати, мало кто знает, что за сутки организм взрослого человека переваривает не менее 0,5кг. Собственного мяса, т.е. старых клеток, и создает столько же новых. При этом клеткам особенно нужны соединения фосфора для построения костной, нервной и др. тканей. Одно из таких соединений – гидроксилапатит Са3(РО4)2*Са(ОН)2. Это соединение интересно тем, что образует кристаллы точно такого же строения, как ДНК. А поскольку в материале стенок кровеносных сосудов всегда присутствует ДНК, то они становятся центрами кристаллизации гидроксилапатита на стенках кровеносных сосудов, что создает смертельную угрозу их закупорки. Поэтому гидроксилапатит называют иногда «минералом смерти», так как он, подобно накипи в отопительных системах, сужает просвет сосудов, делает их ломкими, замедляет ток крови, угрожая остановить его и вызвать омертвение участка ткани.

Единственное эффективное средство, растворяющее отложения гидроксилапатита и смывающее его со стенок сосудов, - угольная кислота, образующаяся при гидратации углекислого газа. Вот почему у здорового человека содержание СО2 в крови должно составлять не менее 6-6,5% от объема всех растворенных там газов А если это содержание СО2 по какой-то причине уменьшается, происходит спазм сосудов. Организм сужает просвет бронхов и кровеносных сосудов. Стремясь уменьшить выброс углекислого газа и восстановить нужное его содержание в крови. При этом замедляется транспорт кислорода

к клеткам, и , чтобы клетки не испытывали кислородного голодания. Сердце увеличивает частоту биений, повышая кровяное давление. Так возникает гипертония, которая может привести к инсульту, т. е. прорыву кровеносных сосудов.

Следовательно, от содержания СО2 зависит не только здоровье, но и сама жизнь. Ежегодно миллионы людей умирают от инсультов и приступов бронхиальной астмы, когда просвет сосудов уменьшается так, что человек задыхается. Выход из этой ситуации – регулируемое закисление организма углекислотой.

Идея регулируемого закисления организма углекислотой позволила разработать простые и надежные способы лечения гипертонии и предотвращения инсульта, ишемии, бронхиальной астмы и других болезней. Существует множество методик закисления, но самый надежный, простой и дешевый метод предложен специалистами космической медицины.

В 60-х гг. ХХ в. При подготовке к полетам первых космонавтов в Институте авиационной и космической медицины Н.А. Агаджанян и его коллеги установили основную причину сердечно – сосудистых патологий. Это дефицит углекислого газа в организме, возникающий при гиподинамии и стрессах (два главных бича современности). На основе данного открытия были разработаны простые методики лечения и предотвращения сердечно-сосудистых патологи, которые позднее воплотились в установке «Самоздрав».

Главная часть установки – небольшой пластиковый сосуд с регулируемым выходным отверстием. Через резиновую трубку пациент делает ртом выдох в сосуд. Часть выдыхаемого воздуха уходит через выходное отверстие из сосуда, а оставшаяся часть этого воздуха смешивается со свежей порцией вдыхаемого воздуха, обогащая его углекислым газом. Если пациент дышит через прибор по полчаса в сутки, в течение 2-3 месяцев, то он получает 100%-ную гарантию от приступов гипертонии. Бронхиальной астмы, инсульта и множества других болезней.

Углекислый газ участвует также в создании буферной системы крови – карбонатной, которая поддерживает кислотность крови на определенном уровне. Вполне возможно, что СО2 участвует в фотосинтезе, который происходит не только в растениях. Но, как оказалось, и в животных, в том числе в человеке. Впервые эту идею выдвинул в начале ХХ века швейцарский клиницист Бирхер-Беннер, когда обнаружил удивительное сходство химических структур хлорофилла и гемоглобина. Однако большинство физиологов восприняли эту идею в штыки. Хотя многие факты подтверждают ее. Например, специальные исследования, проведенные в 60 гг. ХХ в. В Киевском НИИ биохимии, показали, что, если в организме цыплят и поросят повышать концентрацию СО2, то на одном и том же питании их привес на 50% больше, чем у представителей контрольной группы. Вероятнее всего, дополнительный привес возникает за счет питания собственной углекислотой.

К середине ХХ в. Существенно изменились представления о роли атмосферного азота в дыхании. Отечественный ученый М. Волский опытным путем убедительно доказал, что куриный эмбрион в процессе развития поглощает атмосферный азот через яичную скорлупу и превращает его в химически связанный азот своего белка. Такие же результаты были получены с эмбрионами других животных. Позднее были поставлены опыты по выращиванию растений и эмбрионов животных в среде, в которой азот был заменен на гелий. Такая замена приводила или к гибели растений и эмбрионов, или к появлению у них многочисленных уродств.

Стало ясно, что азот – биологически активный газ, усваиваемый в небольших количествах при нормальной жизнедеятельности животных и большинства растений.

Нельзя не отметить и роль аэроионов в дыхании. Впервые о них заговорил основоположник гелиобиологии А.Л. Чижевский в начале ХХ в. Он считал, что воздух, лишенный аэроионов подобен пище лишенной витаминов. Его опыты показали следущее: мыши, помещенные под колокол, несмотря на обильный корм и питье, умирали через 2-3 недели, если воздух, подаваемый им, предварительно пропускали через раскаленную электрическую спираль, которая уничтожала аэроионы. Воздух же, насыщенный аэроионами, оказывал благотворное влияние на всех животных.

Самое положительное воздействие оказывали отрицательные аэроионы кислорода О-2. Они образовывались при захвате молекулами О2 «чужих» электронов, которые возникали под действием космических лучей, грозовых разрядов, радиоактивного излучения, трения

движущегося воздуха о хвою деревьев и т. д. Больше всего аэроионов приборы фиксировали ранним утром до восхода Солнца (его лучи разряжают аэроионы). Поэтому так полезны пробежки на свежем воздухе ранним утром. В помещениях, где современный человек проводит большую часть жизни, содержание аэроионов обычно в десятки раз меньше, чем на улице. И это провоцирует лавину отклонений и болезней [5]. В последние десятилетия люди стали осознавать роль аэроионов для нормального дыхания и использовать специальные ионаторы воздуха, разработанные А.Л. Чижевским.



В заключение отметим, что сейчас во многом прояснились механизмы основных процессов, связанных с дыханием. И всё же «белых пятен» пока немало, потому предстоят ещё многочисленные исследования и удивительные открытия.
ЛИТЕРАТУРА

  1. Мишустин Ю. Н. Выход из тупика. Ошибки медицины исправляет физиология. – Самара: ФГУП, изд-во «Самарский дом печати», 2005.

  2. Скипетров В. П. Аэроионы и жизнь. – М.: Владос, 1999.


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал