Физиологическое значение кислорода

                    Физиологическое значение кислорода

                                                            Введение

Газ кислород как составная  часть воздуха был открыт давно. Во второй половине XVIII в. почти одновременно в Швеции — Шееле, в Англии — Пристли и во Франции — Лавуазье установили, что кислород поддерживает горение, и назвали его первоначально «огненным» или «жизненным» воздухом. Впоследствии Лавуазье изменил его название на «кислород» в знак того, что он образует кислоты со многими горючими веществами (фосфорную кислоту с фосфором, углекислоту с углем т. д.). Вскоре было выяснено в больших подробностях значение кислорода для жизни человека и стало известно, что когда человек заболевает и ему трудно дышать, ему помогает кислород.

Во времена Лавуазье химики добывали кислород из перекиси марганца, которая находится в природе. Несколько позднее кислород добывали из содержащих его в большом количестве кислот и солей. Пристли и Шееле получали кислород для лечебных целей из хлорноватокалиевой соли, которой было присвоено название по имени открывшего ее французского химика Бертолле — «бертоллетова соль».

                                                     Кислород

 Кислород О₂— газ, не имеющий цвета и запаха. Кислород — основной биогенный элемент, входящий в состав молекул всех важнейших веществ, обеспечивающих структуру и функции клеток — белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, а также множества низкомолекулярных соединений. Самым обильным источником кислорода, несомненно, должен быть воздух, но долгое время он был недоступным человечеству, пока ученые не нашли способ повысить его естественную концентрацию (21 %). История того, как это произошло, началась примерно 70 лет тому назад, когда швейцарскому физику Пикте и одновременно с ним французскому физику Кальете удалось ожижить воздух. К тому времени многие газы уже удавалось ожижать, но были и такие, которые еще Фарадей назвал «постоянными», потому что ошибочно считалось, что их вообще нельзя перевести в жидкое состояние. К числу этих «постоянных» газов относился и воздух, поскольку даже при сильном сжатии он не ожижался. Тогда было выяснено, что для ожижения газа нужно не только достаточно высокое давление, но и достаточно низкая температура, названная критической. Как мы теперь знаем, эта температура для воздуха — 141°С при давлении в 32 атм. После ряда попыток найти метод для получения таких низких температур это удалось, наконец, Пикте. В семидесятых годах прошлого века он получил жидкий воздух и наполнил им небольшой сосуд. Это считалось тогда большим научным открытием; Пикте был избран почетным членом разных учных обществ, получил медаль и пр. Основной помехой при исследованиях было то, что жидкий воздух в то время никак не удавалось сохранить в жидком состоянии. Как только его наливали в сосуд, он быстро испарялся. Никому и в голову не приходило, что эта жидкость, которую нельзя было сохранять, может иметь промышленное значение. Жидкий воздух оставался курьезной новинкой, получение которой было доступно только одной-двум хорошо оборудованным лабараториям в мире. Так продолжалось лет двадцать, пока не было сделано другое открытие, которое сразу изменило положение. Английский ученый Дьюар на основании теоретических соображений пришел к выводу, что вакуум, т. е, пустоту, можно применить для тепловой изоляции. Теплота передается движением молекул при их столкновении друг с другом. Если молекул мало, то передача тепла затрудняется. Дьюар показал, что, если сделать сосуд с полой оболочкой и выкачать из нее воздух и если в такой сосуд положить, например, лед, он долго нe будет таять, так как приток тепла через стенки будет очень мал. Такой сосуд по имени Дьюара часто называюот «дьюаровским». Эти сосуды теперь вошли в обиход, ими широко пользуются для хранения пищи при высокой или низкой температуре. В обиходе их называют «термосами». В то время установление принципа, на котором основан термос, было большим научным открытием. Благодаря появлению дьюаровских сосудов стало возможным сохранять жидкий воздух, что позволило более подробно изучать его физические свойства. Примерно в девяностых годах прошлого века англичанин Бейли и немец Линде, изучая жидкий воздух как смесь двух жидких газов — азота и кислорода ,- одновременно нашли, что жидкий воздух, когда частично испаряется, обогащается кислородом, и это объясняется тем, что жидкий азот кипит при несколько более низкой температуре, чем жидкий кислород. Исследования показали, что при атмосферном давлении разница в температуре кипения этих двух жидкостей довольно значительна и составляет около 13°С. Линде первым понял, что это явление открывает возможность дешевого получения кислорода и может иметь большое практическое значение. Это произошло спустя 25 лет после получения жидкого воздуха. Почти вся энергетика в природе во всем многообразии ее форм так или иначе связана с окислительными процессами. Дыхание сводится к окислению. За счет получаемой при этом процессе энергии мы работаем и двигаемся, за счет нее поддерживается теплота нашего тела. Так происходит и со всем живым, вплоть до большинства простейших бактерий. Но этого мало: 90 % нашей техники основано на использовании кислорода. Сжигание бензиновых паров в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, сжигание угля в топках котлов теплоцентралей, в жерле доменной печи, сгорание серного колчедана и еще множество других важнейших технических процессов основано на окислении.

                            Роль кислорода для здоровья человека.                                                                            Кислород: повышает умственную работоспособность; повышает устойчивость организма к стрессам и повышенным нервным нагрузкам; поддерживает уровень кислорода в крови; улучшает согласованность работы внутренних органов; повышает иммунитет; способствует снижению веса. Регулярное потребление кислорода в сочетании с двигательной активностью, приводит к активному расщеплению жиров; нормализуется сон: он становится более глубоким и продолжительным, уменьшается период засыпания и двигательной активности.

                                           Применение кислорода                                                                                                                                   Кислород применяют в металлургической и химической промышленности для ускорения производственных процессов. Так, замена воздушного дутья кислородным в доменном и сталеплавном производстве на много ускоряет выплавку металла. Чистый кислород применяют также для получения высоких температур, на пример, при газовой сварке и резке металлов. Его используют для жизнеобеспечения на подводных и космических кораблях, при работах водолазов, пожарных. В медицине кислород применяют в случаях временного затруднения дыхания, связанного с некоторыми заболеваниями.      Применение любых веществ связано с их физическими и химическими свойствами, а также распространением их в природе.                                                                                                                             Количество металла, производимого на душу населения, является одной из мер уровня развития промышленности в каждой стране. Выплавка же черных и цветных металлов невозможна без кислорода.

Сейчас в нашей стране только черная металлургия поглощает свыше 60% получаемого кислорода. Но кислород используется еще и в цветной металлургии.

Кислород интенсифицирует не только пирометаллургические процессы, но и гидрометаллургические, где основной процесс извлечения металлов из руд или их концентратов основан на воздействии специальных реагентов на водные растворы. Так, в настоящее время основным способом извлечения золота из руд является цианирование. Оно позволяет извлекать из золотоносных руд до 95% золота и поэтому применяется даже при переработке руд с низким содержанием золота. Процесс растворения золота, содержащегося в рудах, очень трудоемкая операция. Оказалось, что растворение этого металла можно значительно ускорить, если вместо воздуха использовать чистый кислород. Золото в цианистых растворах образует комплексное соединение Na[Au(CN)₂], которое далее обрабатывают цинком, и в результате выделяется золото:

4Аu + 8NaCN + 2H₂O + O₂ = 4Na [Au(CN)₂] + 4NaOH

2Na [Аu(CN)₂] + Zn = Na₂ [Zn (CN)₄] + 2Аu

Данный метод извлечения золота из руд был разработан русским инженером П. Р. Багратионом, родственником героя Отечественной войны 1812г.

Кислород находит широкое  применение в химической промышленности. На нужды этой отрасли в нашей стране расходуется около 30% производимого кислорода. Замена воздуха на кислород в процессе производства серной кислоты контактным способом повышает производительность установки в пять-шесть раз. Но не только в этом заключается выгода от применения кислорода вместо воздуха. Чистый кислород позволяет получить 100-процентный оксид серы без проведения дополнительных трудоемких операций, которые необходимы при использовании воздуха в качестве окислителя.

При получении азотной кислоты  способом каталитического окисления аммиака в качестве окислителя также используется кислород. Если содержание его в воздухе повысить до 25%, то производительность установки возрастает в два раза.

При участии кислорода  в процессе термоокислительного крекинга в больших масштабах получают ацетилен, который широко используется для резки и сварки металлов и для синтезов органических веществ:

6СН₄ + 4О₂ = С₂Н₂ + 8Н₂ + 3СО + СО₂ + 3Н₂О

Кислород применяется для получения высоких температур. Если сжигать водород в токе кислорода, то при образовании 1 моль воды выделяется 286,3 кдж, а 2 моль — 572,6 кдж. Это же колоссальная энергия! Высокие температуры, достигаемые в пламени таких горелок (до 3000°С), используются для резки и сварки металлов.

Кислород служит и в космосе. Так, в двигателе второй ступени американской космической ракеты «Центавр» окислителем служил жидкий кислород. Кислород широко применяется и в ракетах для различных высотных исследований.

Жидкий кислород входит в состав взрывчатых веществ. Длительное время для различных взрывных работ применяли аммониты и другие азотсодержащие взрывчатые вещества. Их использование представляло определенные трудности, например сложность и опасность транспортировки, необходимость строительства складов. В настоящее время взрывчатые вещества с жидким кислородом можно изготовить на месте употребления. Любое пористое горючее вещество (опилки, торф, сено, солома), будучи пропитанным жидким кислородом, становится взрывчатым. Такие вещества называются оксиликвитами и при необходимости могут заменить динамит при разработке рудных месторождений. При взрыве применяют оксиликвитный патрон — простой длинный мешочек, наполненный горючим материалом, в который вставляют электронный запал. Его заряжают непосредственно перед закладкой в шпур путем погружения в жидкий кислород. Шпур — это круглое отверстие, которое бурят обычно в горных породах и наполняют взрывчатым веществом. Если взрыва оксиликвитного патрона в шпуре почему-либо не произойдет, патрон разряжается сам в результате испарения из него жидкого кислорода. Действие оксиликвитов основано на чрезвычайно быстром сгорании органических веществ в чистом кислороде. Кратковременный процесс сгорания сопровождается интенсивным выделением больших количеств тепла и газов, что обуславливает применение оксиликвитов в качестве мощных взрывчатых веществ, обладающих бризантным (дробящим) действием.

Кислород применяется в медицине, в авиации. В лечебной практике при легочных и сердечных заболеваниях, когда затруднено дыхание, больным дают кислород из кислородных подушек, помещают их в специальные палаты, в которых поддерживается необходимая концентрация кислорода. Один вдох кислорода человеком равносилен пяти вдохам воздуха. Таким образом, при вдыхании этот газ не только поступает в организм больного в достаточном количестве, но и сберегает силы для самого процесса дыхания. Кроме этого, подкожное введение кислорода оказалось эффективным при лечении некоторых заболеваний, например гангрены, тромбофлебита, слоновости и тропических язв.

Явление «кислородного  голодания» в организме может наступить и от недостатка кислорода в окружающей среде. Например, на высоте 10000 м барометрическое давление воздуха снижается до 217 мм рт. ст. и абсолютное содержание кислорода в воздухе уменьшается в четыре раза. Этого количества газа слишком мало для нормального процесса дыхания. Поэтому на больших высотах летчики пользуются баллонами с кислородом.

                     Биологическая роль кислорода.

Кислород в атмосфере Земли  начал накапливаться в результате деятельности первичных фотосинтезирующих организмов, появившихся, вероятно, около 2,8 млрд. лет назад. Полагают, что 2 млрд. лет назад атмосфера уже содержала около 1% кислорода; постепенно из восстановительной она превращалась в окислительную и примерно 400 млн. лет назад приобрела современный состав. Наличие в атмосфере кислорода в значительной степени определило характер биологической эволюции. Аэробный (с участием О₂) обмен веществ возник позже анаэробного (без участия О₂), но именно реакции биологического окисления, более эффективные, чем древние энергетические процессы брожения и гликолиза, снабжают живые организмы большей частью необходимой им энергии. Исключение составляют облигатные анаэробы, например, некоторые паразиты, для которых кислород является ядом. Использование кислорода, обладающего высоким окислительно-восстановительным потенциалом, в качестве конечного акцептора электронов в цепи дыхательных ферментов, привело к возникновению биохимического механизма дыхания современного типа. Этот механизм и обеспечивает энергией аэробные организмы.

Кислород — основной биогенный элемент, входящий в состав молекул всех важнейших веществ, обеспечивающих структуру и функции клеток — белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, а также множества низкомолекулярных соединений. В каждом растении или животном кислорода гораздо больше, чем любого другого элемента (в среднем около 70%). Мышечная ткань человека содержит 16% кислорода, костная ткань — 28.5%; всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 43 кг кислорода. В организм животных и человека кислород поступает в основном через органы дыхания (свободный кислород) и с водой (связанный кислород). Потребность организма в кислороде определяется уровнем (интенсивностью) обмена веществ, который зависит от массы и поверхности тела, возраста, пола, характера питания, внешних условий и др. В экологии как важную энергетическую характеристику определяют отношение суммарного дыхания (то есть суммарных окислительных процессов) сообщества организмов к его суммарной биомассе.

Небольшие количества кислорода используют в медицине: кислородом (из так называемых кислородных подушек) дают некоторое время дышать больным, у которых затруднено дыхание. Нужно, однако, иметь в виду, что длительное вдыхание воздуха, обогащенного кислородом, опасно для здоровья человека. Высокие концентрации кислорода вызывают в тканях образование свободных радикалов, нарушающих структуру и функции биополимеров. Сходным действием на организм обладают и ионизирующие излучения. Поэтому понижение содержания кислорода (гипоксия) в тканях и клетках при облучении организма ионизирующей радиацией обладает защитным действием — так называемый кислородный эффект. Этот эффект используют в лучевой терапии: повышая содержание кислорода в опухоли и понижая его содержание в окружающих тканях усиливают лучевое поражение опухолевых клеток и уменьшают повреждение здоровых. При некоторых заболеваниях применяют насыщение организма кислородом под повышенным давлением — гипербарическую оксигенацию.

                           Проблема кислородной задолженности                                                                                                     К сожалению, требуемое для здоровья человека содержание кислорода в наше время в природных условиях реализуется лишь в городских парках (20,8%), загородных лесах (21,6%) и на берегах морей и океанов (21,9%). В то же время, в городских помещениях (квартирах и офисах) содержание кислорода в воздухе значительно меньше (20%), что приводит к возникновению у людей кислородной недостаточности (гипоксии). Ситуацию усугубляет выбрасываемый промышленностью и автомобильным транспортом угарный газ (СО), который является конкурентом кислорода за связывание с гемоглобином крови. Накапливаясь в атмосфере воздуха городов, он еще сильнее затрудняет усвоение кислорода организмом. Дело в том, что СО (угарный газ) в 200 раз быстрее связывается с гемоглобином (транспортным средством для кислорода), то есть в 200 раз быстрее занимает место молекул кислорода. Эксперименты, проведенные в США, показали, что у водителей, проводящих большое количество времени за рулем, нарушаются реакции элементарно необходимые для управления автомобилем. Из воздуха человек не получает достаточное количество кислорода! Большинство людей в городах страдает недостатком кислорода. При недостатке кислорода могут появиться мышечные и головные боли, проблемы с концентрацией внимания, нарушение кровоснабжения, общая слабость, нарушение сна и обмена веществ, грипп и инфекционные болезни, снижение иммунитета и сексуальной активности, онкологические заболевания, депрессия. Экспериментальные и клинические исследования свидетельствуют о том, что гипоксия оказывает влияние на системы, ответственные за транспорт кислорода и иммунитет, на гладкие мышцы сосудов, понижая их возбудимость, на кислородные параметры крови, ее кислотно-основное состояние, на структуру и функцию печени и других органов, вызывая многие их заболевания. Проблема кислородной задолженности актуальна, в еще большей степени для детей, у которых потребление кислорода значительно выше, чем у взрослых. Это очень важное отличие так, как детский организм должен существенно ускорить поглощение и транспорт кислорода. С этой задачей детский организм на физиологическом уровне справляется, но ему для этого требуется помощь извне. Двигательная активность обуславливает увеличение потребности мышц в кислороде, которое не покрывается в течение дня. Поэтому обнаруживается несоответствие между кислородным запросом и возможностью его удовлетворения, что в конечном итоге приводит к кислородной задолженности. При мышечной работе активизируется деятельность тех систем, которые ответственны за передачу кислорода к различным тканям, в первую очередь систем дыхания, кровообращения и кроветворения. Чрезмерно интенсивная мышечная деятельность обусловливает такое увеличение потребности мышц в кислороде, которое не покрывается во время работы. Поэтому обнаруживается несоответствие между кислородным запросом и возможностью его удовлетворения, что в конечном итоге приводит к кислородной задолженности. Одним из важных проявлений ее является высокое потребление кислорода после прекращения мышечной работы в восстановительном периоде. Время, в течение которого ликвидируется эта задолженность, зависит не только от интенсивности мышечной работы, но и от уровня тренированности человека.                   "Многие хронические боли обусловлены недостатком кислорода в клеточной основе", - сказал известный врач и ученый доктор Кайтон М.Д. Это высказывание подтверждает доктор Отто Варбург (США), лауреат двух Нобелевских премий за медицину. "Без кислорода клетки не растут и умирают" - утверждал он в своих исследованиях о значении кислорода для жизни клеток.