Zašto je ljudima potreban ugljični dioksid? Plinski sastav zračnog okoliša i njegov utjecaj na organizam životinja

Dah- ovo je za nas toliko prirodan proces da, vjerojatno, malo ljudi razmišlja o tome kako dišemo i što. O tome sam razmišljao kao dijete, kad mi je disanje poremetila prehlada. Tada mi moj začepljen nos jednostavno nije dopuštao da razmišljam ni o čemu drugome.

Ono što svi dišemo

Od školske klupe svi znamo da čovjek diše potreban je kisik. To je jedan od najvažnijih elemenata potrebnih za održavanje života na našem planetu u obliku na koji smo navikli. Kisik se ne nalazi samo u zraku. Također je sastavni dio Zemljine hidrosfere. Upravo zbog te činjenice i voda ima život.

kako kemijski element pronađen je kisik Carl Schele davne 1773.

Činjenice o kisiku

Kisik nije samo vitalan, već i vrlo znatiželjan element. Ja ću dati izbor Zanimljivosti za koje možda još niste čuli:

Što se događa ako udišete čisti kisik

Kao što sam rekao gore, kisik je u čistom obliku a u visokim koncentracijama je opasan pa čak i otrovan. A što će biti s čovjekom ako ga neko vrijeme diše?

Uobičajeno za nas normalan sadržaj kisika u zraku oko 21% . Do trovanja tijela dolazi ako se ovaj sadržaj poveća na 50%. To može dovesti do povećanja koncentracije ugljičnog dioksida u tijelu, konvulzija, kašlja, gubitka vida i u konačnici smrti.

Sav život na Zemlji postoji za skup sunčeva toplina i energija koja dopire do površine našeg planeta. Sve životinje i ljudi su se prilagodili da izvlače energiju iz sintetizirane u biljkama. organska tvar. Da bi se iskoristila energija Sunca sadržana u molekulama organskih tvari, ona se mora osloboditi oksidacijom tih tvari. Najčešće se kisik zraka koristi kao oksidacijsko sredstvo, jer čini gotovo četvrtinu volumena okolne atmosfere.

Jednostanične protozoe, koelenterati, slobodnoživući pljosnati i okrugli crvi dišu cijeloj površini tijela. Posebni dišni organi - peraste škrge pojavljuju se u morskim annelidama i vodenim člankonošcima. Dišni organi artropoda su traheje, škrge, pluća u obliku lista koji se nalazi u udubljenjima poklopca tijela. Predstavljen je dišni sustav lancete škržni prorezi probijajući zid prednjeg crijeva - ždrijelo. U ribama se nalaze ispod škržnih poklopaca škrge, obilno prodiru najmanjim krvnim žilama. Kod kopnenih kralježnjaka dišni organi su pluća. Evolucija disanja u kralježnjaka slijedila je put povećanja površine plućnih septa uključenih u izmjenu plinova, poboljšavajući transportni sustavi dostava kisika u stanice smještene unutar tijela, te razvoj sustava koji osiguravaju ventilaciju dišnog sustava.

Građa i funkcije dišnog sustava

Nužan uvjet za život organizma je stalna izmjena plinova između organizma i okoline. Organi kroz koje cirkuliraju udahnuti i izdahnuti zrak spojeni su u respiratorni aparat. Dišni sustav čine nosna šupljina, ždrijelo, grkljan, dušnik, bronhi i pluća. Većina njih su dišni putovi i služe za prijenos zraka u pluća. Proces izmjene plinova odvija se u plućima. Prilikom disanja tijelo dobiva kisik iz zraka, koji se krvlju raznosi po cijelom tijelu. Kisik sudjeluje u složenim oksidativnim procesima organskih tvari, u kojima se oslobađa energija potrebna tijelu. Krajnji produkti razgradnje – ugljični dioksid i djelomično voda – izlučuju se iz tijela u okoliš putem dišnog sustava.

Funkcije dišnog sustava

• Opskrba stanicama tijela kisikom O2.
• Uklanjanje iz tijela ugljičnog dioksida CO 2, kao i nekih krajnjih produkata metabolizma (vodena para, amonijak, sumporovodik).

nosna šupljina

Dišni putevi počinju u nosna šupljina, koji je kroz nosnice povezan s okolinom. Iz nosnica zrak prolazi kroz nosne prolaze obložene mukoznim, trepetljastim i osjetljivim epitelom. Vanjski nos se sastoji od formacija kostiju i hrskavice i ima oblik nepravilne piramide, koja varira ovisno o strukturnim značajkama osobe. Sastav koštanog skeleta vanjskog nosa uključuje nosne kosti i nosni dio čeone kosti. Hrskavični kostur nastavak je koštanog skeleta i sastoji se od hijalinske hrskavice. raznih oblika. Nosna šupljina ima donju, gornju i dvije bočne stijenke. Donju stijenku tvori tvrdo nepce, gornju ploča etmoidne kosti, bočnu gornju čeljust, suzna kost, orbitalna ploča etmoidne kosti, nepčana kost i sfenoidna kost. Nosna šupljina je nosnom pregradom podijeljena na desni i lijevi dio. Nosni septum tvori vomer, okomita ploča etmoidne kosti, a sprijeda je nadopunjen četverokutnom hrskavicom nosnog septuma.

Na bočnim stijenkama nosne šupljine nalaze se turbinate - tri sa svake strane, čime se povećava unutarnja površina nosa s kojom dolazi u dodir udahnuti zrak.

Nosnu šupljinu čine dvije uske i vijugave nosni prolazi. Ovdje se zrak zagrijava, vlaži i oslobađa od čestica prašine i mikroba. Membrana koja oblaže nosne prolaze sastoji se od stanica koje luče sluz i stanica trepljastog epitela. S kretanjem cilija, sluz, zajedno s prašinom i mikrobima, izlazi iz nosnih prolaza.

Unutarnja površina nosnih prolaza bogato je opskrbljena krvnim žilama. Udahnuti zrak ulazi u nosnu šupljinu, zagrijava se, vlaži, čisti od prašine i djelomično neutralizira. Iz nosne šupljine ulazi u nazofarinks. Tada zrak iz nosne šupljine ulazi u ždrijelo, a iz njega - u grkljan.

Grkljan

Grkljan- jedan od odjela dišnih puteva. Zrak ovdje ulazi iz nazalnih prolaza kroz ždrijelo. U stijenci grkljana nalazi se nekoliko hrskavica: štitnjača, aritenoidna itd. U trenutku gutanja hrane mišići vrata podižu grkljan, a epiglotalna hrskavica se spušta i grkljan se zatvara. Stoga hrana ulazi samo u jednjak, a ne u dušnik.

U uskom dijelu grkljana nalaze se glasnice, u sredini između njih je glotis. Kako zrak prolazi, glasnice vibriraju, proizvodeći zvuk. Stvaranje zvuka događa se pri izdisaju uz kretanje zraka kojim upravlja osoba. U formiranju govora sudjeluju: nosna šupljina, usne, jezik, meko nepce, mišići lica.

Dušnik

Larinks ulazi u dušnik(dušnik), koji ima oblik cijevi duge oko 12 cm, u čijim se stijenkama nalaze hrskavičasti poluprstenovi koji ne dopuštaju da se slegne. Stražnju stijenku čini membrana vezivnog tkiva. Šupljina dušnika, kao i šupljina drugih dišnih putova, obložena je trepljastim epitelom, koji sprječava prodiranje prašine i drugih stranih tijela u pluća. Traheja zauzima srednji položaj, iza nje je uz jednjak, a sa strane su neurovaskularni snopovi. Ispred cervikalna regija dušnik je prekriven mišićima, a na vrhu je prekriven i štitnjačom. Torakalni dušnik sprijeda je prekriven ručkom prsne kosti, ostacima timusne žlijezde i žilama. Iznutra je dušnik prekriven sluznicom koja sadrži veliku količinu limfoidnog tkiva i mukoznih žlijezda. Prilikom disanja male čestice prašine prianjaju na navlaženu sluznicu dušnika, a cilije trepetalog epitela ih pomiču natrag do izlaza iz dišnog trakta.

Donji kraj dušnika dijeli se na dva bronha, koji se potom višestruko granaju, ulaze u desno i lijevo plućno krilo, tvoreći u plućima "bronhijalno stablo".

Bronhije

U torakalnoj šupljini dušnik se dijeli na dva dijela bronha- lijevo i desno. Svaki bronh ulazi u pluća i tamo se dijeli na bronhe manjeg promjera, koji se granaju u najmanje cijevi koje nose zrak - bronhiole. Bronhiole kao rezultat daljnjeg grananja prelaze u nastavke - alveolarne prolaze, na čijim se stijenkama nalaze mikroskopske izbočine zvane plućne vezikule, odn. alveole.

Stijenke alveola građene su od posebnog tankog jednoslojnog epitela i gusto su opletene kapilarama. Ukupna debljina stijenke alveola i stijenke kapilare je 0,004 mm. Kroz ovu najtanju stijenku dolazi do izmjene plinova: kisik ulazi u krv iz alveola, a ugljični dioksid se vraća natrag. Postoje stotine milijuna alveola u plućima. Njihova ukupna površina kod odrasle osobe iznosi 60-150 m 2. zbog toga u krv ulazi dovoljna količina kisika (do 500 litara dnevno).

Pluća

Pluća zauzimaju gotovo cijelu šupljinu prsne šupljine i elastični su spužvasti organi. U središnjem dijelu pluća nalaze se vrata, gdje ulaze bronh, plućna arterija, živci, a izlaze plućne vene. Desno plućno krilo je brazdama podijeljeno na tri režnja, lijevo na dva. Izvana su pluća prekrivena tankim vezivnim filmom - plućnom pleurom, koja prelazi u unutarnja površina stijenke prsne šupljine i tvori parijetalnu pleuru. Između ova dva filma nalazi se pleuralni prostor ispunjen tekućinom koja smanjuje trenje tijekom disanja.

Na plućima se razlikuju tri površine: vanjska, ili obalna, medijalna, okrenuta prema drugom pluću, i donja, ili dijafragmatična. Osim toga, u svakom se plućima razlikuju dva ruba: prednji i donji, koji odvajaju dijafragmatičnu i medijalnu površinu od kostalne. Stražnje, obalna površina bez oštrog ruba prelazi u medijalnu. Prednji rub lijevo plućno krilo ima srčani usjek. Njegova vrata nalaze se na medijalnoj površini pluća. Vrata svakog pluća uključuju glavni bronh, plućnu arteriju, koja prenosi vensku krv u pluća, i živce koji inerviraju pluća. Dvije plućne vene izlaze iz vrata svakog pluća, koje nose arterijsku krv u srce i limfne žile.

Pluća imaju duboke žljebove koji ih dijele na režnjeve - gornji, srednji i donji, au lijeva dva - gornji i donji. Dimenzije pluća nisu iste. Desno plućno krilo je nešto veće od lijevog, dok je kraće i šire, što odgovara višem položaju desne kupole dijafragme zbog desnostranog položaja jetre. Boja normalnih pluća u djetinjstvu je blijedoružičasta, dok kod odraslih dobivaju tamno sivu boju s plavkastom nijansom - posljedica taloženja čestica prašine koje ulaze sa zrakom. Tkivo pluća je meko, nježno i porozno.

Izmjena plućnih plinova

U složenom procesu izmjene plinova razlikuju se tri glavne faze: vanjsko disanje, prijenos plina krvlju i unutarnje, odnosno tkivno, disanje. Vanjsko disanje objedinjuje sve procese koji se odvijaju u plućima. Provodi se aparat za disanje, koji uključuje prsni koš s mišićima koji ga pokreću, dijafragmu i pluća s dišnim putovima.

Zrak koji ulazi u pluća tijekom udisaja mijenja svoj sastav. Zrak u plućima oslobađa dio kisika i obogaćuje se ugljičnim dioksidom. Sadržaj ugljičnog dioksida u venskoj krvi je veći nego u zraku u alveolama. Stoga ugljični dioksid napušta krv u alveolama i njegov je sadržaj manji nego u zraku. Najprije se kisik otapa u krvnoj plazmi, zatim se veže na hemoglobin i novi dijelovi kisika ulaze u plazmu.

Prijelaz kisika i ugljičnog dioksida iz jednog medija u drugi događa se zbog difuzije iz veće koncentracije u nižu. Iako se difuzija odvija sporo, površina kontakta krvi sa zrakom u plućima je toliko velika da u potpunosti osigurava potrebnu izmjenu plinova. Izračunato je da se potpuna izmjena plinova između krvi i alveolarnog zraka može dogoditi u vremenu koje je tri puta kraće od vremena zadržavanja krvi u kapilarama (tj. tijelo ima značajne rezerve opskrbe tkiva kisikom).

Venska krv, jednom u plućima, oslobađa ugljični dioksid, obogaćuje se kisikom i pretvara se u arterijsku krv. U velikom krugu ta krv divergira kroz kapilare do svih tkiva i daje kisik stanicama tijela koje ga neprestano troše. Ovdje stanice oslobađaju više ugljičnog dioksida kao rezultat svoje vitalne aktivnosti nego u krvi, a on iz tkiva difundira u krv. Dakle, arterijska krv, prošavši kroz kapilare sistemske cirkulacije, postaje venska i desna polovica srca odlazi u pluća, gdje se ponovno zasićuje kisikom i oslobađa ugljični dioksid.

U tijelu se disanje provodi uz pomoć dodatnih mehanizama. Tekući mediji koji čine krv (njezina plazma) imaju nisku topljivost plinova u sebi. Dakle, da bi čovjek postojao, trebao bi imati 25 puta moćnije srce, 20 puta moćnija pluća i pumpati više od 100 litara tekućine (a ne pet litara krvi) u jednoj minuti. Priroda je pronašla način da prevlada ovu poteškoću prilagođavajući posebnu tvar, hemoglobin, za prijenos kisika. Zahvaljujući hemoglobinu, krv je sposobna vezati kisik 70 puta, a ugljični dioksid - 20 puta više od tekućeg dijela krvi - njezine plazme.

Alveola- mjehurić tankih stijenki promjera 0,2 mm ispunjen zrakom. Stjenke alveola tvori jedan sloj ravnih epitelnih stanica, duž čije se vanjske površine grana mreža kapilara. Dakle, izmjena plinova se odvija kroz vrlo tanku pregradu koju čine dva sloja stanica: stijenke kapilare i stijenke alveola.

Izmjena plinova u tkivima (tkivno disanje)

Izmjena plinova u tkivima vrši se u kapilarama po istom principu kao i u plućima. Kisik iz kapilara tkiva, gdje je njegova koncentracija visoka, prelazi u tkivnu tekućinu s nižom koncentracijom kisika. Iz tkivne tekućine prodire u stanice i odmah ulazi u oksidacijske reakcije, pa u stanicama praktički nema slobodnog kisika.

Ugljični dioksid, prema istim zakonima, dolazi iz stanica, kroz tkivnu tekućinu, u kapilare. Oslobođeni ugljični dioksid potiče disocijaciju oksihemoglobina i sam ulazi u kombinaciju s hemoglobinom, stvarajući karboksihemoglobin transportiran u pluća i pušten u atmosferu. U venskoj krvi koja teče iz organa ugljični dioksid je i u vezanom i u otopljenom stanju u obliku ugljične kiseline, koja se lako razgrađuje na vodu i ugljični dioksid u kapilarama pluća. Karbonska kiselina također može ući u spojeve s plazma solima, tvoreći bikarbonate.

U plućima, gdje ulazi venska krv, kisik ponovno zasićuje krv, a ugljični dioksid iz zone visoke koncentracije (plućne kapilare) prelazi u zonu niske koncentracije (alveole). Za normalnu izmjenu plinova zrak u plućima se neprestano zamjenjuje, što se postiže ritmičkim napadima udisaja i izdisaja, zbog pokreta međurebarnih mišića i dijafragme.

Prijenos kisika u tijelu

Značenje disanja.

Dah je skup fizioloških procesa koji osiguravaju izmjenu plinova između tijela i okoline ( vanjskog disanja), te oksidativni procesi u stanicama, uslijed kojih se oslobađa energija ( unutarnje disanje). Izmjena plinova između krvi i atmosferskog zraka ( izmjena plinova) - provode dišni organi.

Hrana je izvor energije u tijelu. Glavni proces koji oslobađa energiju ovih tvari je proces oksidacije. Popraćen je vezanjem kisika i stvaranjem ugljičnog dioksida. S obzirom na to da u ljudskom tijelu nema zaliha kisika, njegova kontinuirana opskrba je od vitalnog značaja. Prestanak pristupa kisika stanicama tijela dovodi do njihove smrti. S druge strane, ugljični dioksid koji nastaje u procesu oksidacije tvari mora se ukloniti iz tijela, budući da je njegovo nakupljanje značajne količine opasno po život. Apsorpcija kisika iz zraka i oslobađanje ugljičnog dioksida odvija se kroz dišni sustav.

Biološki značaj disanja je:

• opskrbljivanje tijela kisikom;
• uklanjanje ugljičnog dioksida iz tijela;
• oksidacija organskih spojeva BJU uz oslobađanje energije potrebne za život osobe;
• uklanjanje krajnjih produkata metabolizma ( vodene pare, amonijak, sumporovodik itd.).

Umjetnost disanja je u izdisaju gotovo da nema ugljičnog dioksida i što je manje moguće gubiti ga. Primjerice, reakcija biosinteze biljaka je apsorpcija ugljičnog dioksida, iskorištavanje ugljika i oslobađanje kisika, a upravo je u to vrijeme na planeti postojala vrlo bujna vegetacija. Ugljični dioksid CO2 neprestano se proizvodi u stanicama tijela.

Disanje je izmjena plinova, s jedne strane, između krvi i vanjskog okoliša (vanjsko disanje), s druge strane izmjena plinova između krvi i stanica tkiva (unutarnje ili tkivno disanje).

Zašto je ljudima potreban ugljični dioksid?

Kisik je uključen u metabolizam. Stoga prestanak opskrbe kisikom dovodi do odumiranja tkiva i tijela. Glavni dio dišnog sustava ljudskog tijela su pluća, koja obavljaju glavnu funkciju disanja - razmjenu kisika i ugljičnog dioksida između tijela i vanjskog okruženja. Takva je izmjena moguća zbog kombinacije ventilacije, difuzije plinova kroz alveolarno-kapilarnu membranu i plućne cirkulacije.

Kako je ugljični dioksid raspoređen u Zemljinoj atmosferi?

U procesu vanjskog disanja kisik iz vanjskog okoliša se isporučuje u alveole pluća. Proces vanjskog disanja započinje gornjim dišnim putovima koji pročišćavaju, zagrijavaju i vlaži udahnuti zrak. Ventilacija pluća ovisi o respiratornoj izmjeni i brzini disanja. Difuzija kisika se provodi kroz acinus - strukturnu jedinicu pluća, koja se sastoji od respiratornih bronhiola i alveola.

Kisik je potreban organizmima za disanje. Nedostatak kisika u zraku utječe na život živih organizama. Ako se količina kisika u zraku smanji na 1/3 njegovog dijela, tada osoba gubi svijest, a kada se smanji na 1/4 dijela, prestaje disanje i nastupa smrt.

Puše se u visoke peći kako bi se ubrzalo taljenje metala. Ugljični dioksid nastaje tijekom izgaranja (drvo, treset, ugljen, nafta). Mnogo toga se ispušta u zrak tijekom disanja od strane organizama, uključujući ljude. Budući da je teži od zraka, ugljični dioksid se u većim količinama nalazi u nižim slojevima atmosfere, akumulirajući se u depresijama Zemlje (spilje, rudnici, klanci).

Čovjek naširoko koristi ugljični dioksid za karbonat voća i mineralna voda kada se puni u boce. Ugljični dioksid, kao i kisik, pod jakom kompresijom i niskom temperaturom iz plinovitog stanja prelazi u tekuće i čvrsto stanje. Ugljični dioksid u čvrstom stanju naziva se suhi led. Primjenjuje se u hladne prostorije uz očuvanje sladoleda, mesa i drugih proizvoda.

Ugljični dioksid ne podržava izgaranje, teži je od zraka, pa se stoga koristi za gašenje požara. Zašto ljudi i drugi živi organizmi ne mogu živjeti bez kisika? Zašto uvijek ima kisika u zraku? Kako se proizvodi tekući kisik i gdje se koristi?

Odakle dolaze mjehurići (ugljični dioksid) u sodi?

Smjesa se zove zrak. prirodni plinovi— dušik, kisik, argon, ugljični dioksid, voda i vodik. Primarni je izvor energije za sve organizme i ključ zdravog rasta i dugog života. Zahvaljujući zraku u organizmima odvija se proces metabolizma i razvoja. Temeljne komponente potrebne za rast i život biljaka su kisik, ugljični dioksid, vodena para i zrak u tlu. Kisik je neophodan za disanje, a ugljični dioksid za prehranu ugljikom.

Korijeni, lišće i stabljike biljaka također trebaju ovaj element. Ugljični dioksid ulazi u biljku kroz njezine stome u lisni medij, ulazeći u stanice. Što je veća koncentracija ugljičnog dioksida, život biljaka postaje bolji. Zrak također ima posebnu ulogu u stvaranju mehaničkih tkiva u kopnenim biljkama.

Dob, spol, veličina i tjelesna aktivnost izravno su povezani s količinom utrošenog zraka. Životinje su vrlo osjetljive na nedostatak kisika. To dovodi do nakupljanja štetnih otrovnih tvari u tijelu. Kisik je neophodan za zasićenje krvi i tkiva živog bića. Stoga se s nedostatkom ovog elementa kod životinja ubrzava disanje, ubrzava protok krvi, smanjuju se oksidativni procesi u tijelu, a životinja postaje nemirna.

Ugljični dioksid nije krivac za globalno zatopljenje

Zrak je vitalni faktor za osobu. Raznosi se krvlju po cijelom tijelu, zasićujući svaki organ i svaku stanicu tijela. U zraku se odvija izmjena topline. ljudsko tijelo s okolinom. Bit ove izmjene je konvekcijsko oslobađanje topline i isparavanje vlage iz njihovih ljudskih pluća. Uz pomoć disanja, osoba zasićuje tijelo energijom. Razlog tome je industrijska i tehnogena djelatnost čovjeka.

Odrasla osoba u mirovanju napravi u prosjeku 14 respiratornih pokreta u minuti, međutim, brzina disanja može doživjeti značajne fluktuacije (od 10 do 18 u minuti). Odrasla osoba uzima 15-17 udisaja u minuti, a novorođeno dijete 1 udah u sekundi. Uobičajeni mirni izdisaj događa se u velikoj mjeri pasivno, dok unutarnji interkostalni mišići i neki trbušni mišići aktivno rade.

Razlikovati gornji i donji dišni trakt. Simbolični prijelaz gornjeg dišnog trakta u donji provodi se na raskrižju probavnog i dišnog sustava u gornjem dijelu grkljana. Udah i izdisaj provode se promjenom veličine prsnog koša uz pomoć dišnih mišića. Tijekom jednog udisaja (u mirnom stanju) 400-500 ml zraka ulazi u pluća. Taj volumen zraka naziva se plimni volumen (TO). Ista količina zraka ulazi u atmosferu iz pluća tijekom tihog izdisaja.

Nakon maksimalnog izdisaja u plućima ostaje oko 1500 ml zraka, što se naziva rezidualni volumen pluća. Disanje je jedna od rijetkih tjelesnih funkcija koja se može kontrolirati svjesno i nesvjesno. Vrste disanja: duboko i plitko, često i rijetko, gornje, srednje (prsno) i donje (trbušno).

Pluća (latinski pulmo, drugi grčki πνεύμων) nalaze se u prsnoj šupljini, okružena kostima i mišićima prsnog koša. Osim, dišni sustav sudjeluje u tako važnim funkcijama kao što su termoregulacija, formiranje glasa, miris, vlaženje udahnutog zraka.

Kad temperatura padne okoliš izmjena plinova kod toplokrvnih životinja (osobito malih) povećava se kao rezultat povećanja proizvodnje topline. Kod ljudi se pri radu na umjerenoj snazi ​​povećava, nakon 3-6 minuta. nakon što započne, dostiže određenu razinu i zatim ostaje na toj razini cijelo vrijeme rada. Studije promjena u izmjeni plinova tijekom standardnog fizičkog rada koriste se u fiziologiji rada i sporta, u klinici za procjenu funkcionalnog stanja sustava uključenih u izmjenu plinova.

Koja je upotreba kisika u industriji? Pokazalo se da ugljični dioksid, do određene granice, pridonosi potpunijoj asimilaciji kisika u tijelu. Ugljični dioksid također je uključen u biosintezu životinjskih proteina, kao što to vide neki znanstvenici mogući uzrok postojanje divovskih životinja i biljaka prije mnogo milijuna godina.

Da biste spoznali načine nastanka života, prvo morate proučiti znakove i svojstva živih organizama. Znanje kemijski sastav, strukture i raznih procesa koji se odvijaju u tijelu, omogućuje razumijevanje nastanka života. Da bismo to učinili, upoznat ćemo se sa značajkama stvaranja prvih anorganskih tvari u svemir i nastanak planetarnog sustava.

Atmosfera drevne Zemlje. Prema najnovijim podacima svemirskih znanstvenika, nebeska tijela nastala su prije 4,5-5 milijardi godina. U prvim fazama formiranja Zemlje, njezin sastav uključivao je okside, karbonate, metalne karbide i plinove koji su izbijali iz dubina vulkana. Kao rezultat zbijanja Zemljina kora a djelovanjem gravitacijskih sila počela se oslobađati velika količina topline. Na povećanje Zemljine temperature utjecao je raspad radioaktivnih spojeva i ultraljubičasto zračenje Sunce. U to je vrijeme voda na Zemlji postojala u obliku pare. NA gornjih slojeva zrak, vodena para skupljena u oblake, koji su padali na površinu vrućeg kamenja u obliku pljuskova, zatim se opet, isparavajući, dizali u atmosferu. Munje su bljesnule na Zemlju, zagrmile su grmljavine. Ovo je trajalo dugo vremena. Postupno su se površinski slojevi Zemlje počeli hladiti. Uslijed obilnih kiša nastale su male akumulacije. Vrući tokovi lave koji su izvirali iz vulkana i pepela padali su u primarne rezervoare i kontinuirano mijenjali uvjete okoliša. Takve kontinuirane promjene u okolišu pridonijele su nastanku reakcija za stvaranje organskih spojeva.
Zemljina atmosfera sadržavala je metan, vodik, amonijak i vodu i prije pojave života (1). Kao rezultat kemijske reakcije kombinacije molekula saharoze nastaju škrob i vlakna, a iz aminokiselina nastaju proteini (2,3). Samoregulirajuće molekule DNA nastale su od spojeva saharoze i dušika (4) (slika 9).

Riža. 9. Prije otprilike 3,8 milijardi godina, prvi složene veze

U Zemljinoj primarnoj atmosferi nije bilo slobodnog kisika. Kisik se susreo u obliku spojeva željeza, aluminija, silicija i sudjelovao u stvaranju raznih minerala zemljine kore. Osim toga, kisik je bio prisutan u sastavu vode i nekih plinova (na primjer, ugljični dioksid). Nastaju spojevi vodika s drugim elementima otrovnih plinova na površini zemlje. Ultraljubičasto zračenje Sunca bilo je jedan od nužnih izvora energije za stvaranje organskih spojeva. Metan, amonijak i drugi plinovi su široko rasprostranjeni u Zemljinoj atmosferi (slika 10.).

Riža. 10. Početna faza nastanka života na Zemlji. Stvaranje složenih organskih spojeva u primarnom oceanu

Formiranje organskih spojeva abiogenim putem. Poznavanje uvjeta okoliša u početnim fazama razvoja Zemlje bilo je od velike važnosti za znanost. Posebno mjesto u ovom području zauzima rad ruskog znanstvenika A. I. Oparina (1894-1980). Godine 1924. predložio je mogućnost prijenosa kemijske evolucije u početnim fazama razvoj zemlje. Teorija AI Oparina temelji se na postupnom dugoročnom usložnjavanju kemijskih spojeva.
Američki znanstvenici S. Miller i G. Urey 1953. godine, prema teoriji A. I. Oparina, postavljaju eksperimente. Prolazeći električno pražnjenje kroz mješavinu metana, amonijaka i vode, dobili su različite organske spojeve (urea, mliječna kiselina, razne aminokiseline). Kasnije su takve eksperimente ponovili mnogi znanstvenici. Dobiveni rezultati eksperimenata dokazali su ispravnost hipoteze A. I. Oparina.
Zahvaljujući zaključcima navedenih eksperimenata, dokazano je da kao rezultat kemijske evolucije iskonska zemlja nastali biološki monomeri.

Nastanak i razvoj biopolimera. Ukupnost i sastav organskih spojeva nastalih u različitim vodenim prostorima primitivne Zemlje bili su različitih razina. Eksperimentalno je dokazano stvaranje takvih spojeva na abiogeni način.
Američki znanstvenik S. Fox je 1957. godine izrazio mišljenje da aminokiseline mogu stvarati peptidne veze međusobno se povezujući bez sudjelovanja vode. Primijetio je da kada se suhe smjese aminokiselina zagriju, a zatim ohlade, njihove molekule nalik proteinima stvaraju veze. S. Fox je došao do zaključka da su na mjestu nekadašnjih vodenih prostora, pod utjecajem topline iz tokova lave i sunčevog zračenja, nastali neovisni spojevi aminokiselina iz kojih su nastali primarni polipeptidi.

Uloga DNK i RNA u evoluciji života. Glavna razlika nukleinske kiseline od proteina – sposobnost udvostručavanja i razmnožavanja točne kopije izvorne molekule. Godine 1982. američki znanstvenik Thomas Check otkrio je enzimsku (katalitičku) aktivnost RNA molekula. Kao rezultat toga, zaključio je da su RNA molekule prvi polimeri na Zemlji. U usporedbi s RNA, molekule DNA su stabilnije u procesima raspadanja u slabo alkalnim vodenim otopinama. A okoliš s takvim rješenjima bio je u vodama primarne Zemlje. Trenutno je ovo stanje očuvano samo u sastavu stanice. Molekule DNK i proteini su međusobno povezani. Na primjer, proteini štite molekule DNA od štetni učinci ultraljubičaste zrake. Proteine ​​i molekule DNK ne možemo nazvati živim organizmima, iako imaju neke značajke živih tijela, jer nemaju potpuno formirane biološke membrane.

Evolucija i stvaranje bioloških membrana. paralelno postojanje proteini i nukleinske kiseline u svemiru možda su otvorile put za nastanak živih organizama. To bi se moglo dogoditi samo u prisutnosti bioloških membrana. Zahvaljujući biološkim membranama stvara se veza između okoliša i proteina, nukleinskih kiselina. Samo kroz biološke membrane odvija se proces metabolizma i energije. Tijekom milijuna godina, primarne biološke membrane, postupno postajući složenije, dodavale su različite proteinske molekule u sastav. Tako su se postupnim komplikacijama pojavili prvi živi organizmi (protobioti). Protobioti su postupno razvijali sustave samoregulacije i samoreprodukcije. Prvi živi organizmi koji su se prilagodili životu u okruženju bez kisika. Sve to odgovara mišljenju koje je iznio AI Oparin. Hipoteza A. I. Oparina u znanosti se naziva koacervatna teorija. Ovu teoriju podržao je 1929. engleski znanstvenik D. Haldane. Multimolekularni kompleksi s tankom vodenom ljuskom izvana nazivaju se koacervati ili koacervatne kapljice. Neki proteini u sastavu koacervata djelovali su kao enzimi, a nukleinske kiseline su nasljeđem stekle sposobnost prijenosa informacija (slika 11.).

Riža. 11. Stvaranje koacervata - multimolekularnih kompleksa s vodenom ljuskom

Postupno su nukleinske kiseline razvile sposobnost dupliciranja. Povezanost kapi koacervata s okolišem dovela je do prve jednostavne izmjene tvari i energije na Zemlji.
Dakle, glavne odredbe teorije nastanka života prema A. I. Oparinu su sljedeće:

1. kao rezultat izravnog utjecaja okolišnih čimbenika, organske tvari su nastale iz anorganskih tvari;
2. formirane organske tvari utjecale su na stvaranje složenih organskih spojeva (enzima) i slobodnih samoreproducirajućih gena;
3. formirani slobodni geni u kombinaciji s drugim visokomolekularnim organskim tvarima;
4. u makromolekularnim tvarima postupno su se s vanjske strane pojavljivale proteinsko-lipidne membrane;
5. Kao rezultat ovih procesa, pojavile su se stanice.

Suvremeni pogled na nastanak života na Zemlji tzv
teorija biopoeze (organski spojevi nastaju iz živih organizama). Trenutno se zove biokemijska evolucijska teorija o nastanku života na Zemlji. Ovu je teoriju 1947. godine predložio engleski znanstvenik D. Bernal. Razlikovao je tri stupnja biogeneze. Prva faza je pojava bioloških monomera na abiogeni način. Druga faza je stvaranje bioloških polimera. Treća faza je nastanak membranskih struktura i prvih organizama (protobionata). Grupiranje složenih organskih spojeva u sastavu koacervata i njihova aktivna međusobna interakcija stvaraju uvjete za stvaranje samoregulirajućih protozojskih heterotrofnih organizama.
U procesu nastanka života dogodile su se složene evolucijske promjene - nastajanje organskih tvari iz anorganski spojevi. Prvo su se pojavili kemosintetski organizmi, a zatim postupno - fotosintetski organizmi. Fotosintetski organizmi odigrali su veliku ulogu u pojavi više slobodnog kisika u Zemljinoj atmosferi.
Kemijska evolucija i evolucija prvih organizama (protobionta) na Zemlji trajala je do 1-1,5 milijardi godina (slika 12.).

Riža. 12. Shema prijelaza kemijske evolucije u biološku

Primarna atmosfera. biološka membrana. Coacervat. Protobiont. Teorija biopoeze.

1. Nebeska tijela, uključujući globus, pojavila su se prije 4,5-5 milijardi godina.
2. Tijekom nastanka Zemlje bilo je puno vodika i njegovih spojeva, ali nije bilo slobodnog kisika.
3. U početnoj fazi razvoja Zemlje, jedini izvor energije bilo je ultraljubičasto zračenje Sunca.
4. A. I. Oparin je iznio mišljenje da u početno razdoblje na Zemlji se odvija samo kemijska evolucija.
5. Na Zemlji su se prvi put pojavili biološki monomeri iz kojih su postupno nastajali proteini i nukleinske kiseline (RNA, DNA).
6. Prvi organizmi koji su se pojavili na Zemlji bili su protobioti.
7. Multimolekularni kompleksi okruženi tankom vodenom ljuskom nazivaju se koacervati.
1. Što je koacervat?
2. Što znači teorija A. I. Oparina?
3. Koji su otrovni plinovi bili u ranoj atmosferi?
1. Opišite sastav primarne atmosfere.
2. Koju je teoriju o nastanku aminokiselina na površini Zemlje iznio S. Fox?
3. Koju ulogu imaju nukleinske kiseline u evoluciji života?

1. Koja je bit eksperimenata S. Millera i G. Ureya?
2. Na čemu se A.I. Oparin temeljio u svojim hipotezama?
3. Navedite glavne faze nastanka života.

* Testirajte svoje znanje!
Pitanja za pregled. Poglavlje 1. Nastanak i početne faze razvoja života na Zemlji

1. Razina organizacije života na kojoj se rješavaju globalni problemi.
2. Individualni razvoj pojedinih organizama.
3. Održivost unutarnje okruženje organizam.
4. Teorija nastanka života kroz kemijsku evoluciju anorganskih tvari.
5. Povijesni razvoj organizmi.
6. Razina organizacije života, koja se sastoji od stanica i međustaničnih tvari.
7. Svojstvo živih organizama da reproduciraju vlastitu vrstu.
8. Životni standard, karakteriziran jedinstvom zajednice živih organizama i okoliša.
9. Životni standard karakteriziran prisutnošću nukleinskih kiselina i drugih spojeva.
10. Svojstvo promjene vitalne aktivnosti živih organizama prema godišnjim ciklusima.
11. Pogled na uvođenje života s drugih planeta.
12. Razina organizacije života, predstavljena strukturnim i funkcionalna jedinica svi živi organizmi na zemlji.
13. Svojstvo bliske povezanosti živih organizama s okolišem.
14. Teorija koja povezuje nastanak života s djelovanjem "životnih sila".
15. Svojstvo živih organizama da prenose osobine na svoje potomstvo.
16. Znanstvenik koji je uz pomoć jednostavnog iskustva dokazao netočnost teorije spontanog nastajanja života.
17. Ruski znanstvenik koji je predložio teoriju nastanka života na abiogeni način.
18. Plin neophodan za život, koji je bio odsutan u sastavu primarne atmosfere.
19. Znanstvenik koji je izrazio mišljenje o stvaranju peptidne veze spajanjem aminokiselina bez sudjelovanja vode.
20. Prvi živi organizmi s biološkom membranom.
21. Kompleksi visoke molekularne težine okruženi tankom vodenom ljuskom.
22. Znanstvenik koji je prvi definirao pojam života.
23. Svojstvo živih organizama da reagiraju na različite utjecaje okolišnih čimbenika.
24. Svojstvo mijenjanja znakova nasljednosti živih organizama pod utjecajem razni čimbenici okoliš.
25. Razina organizacije života na kojoj su uočljive prve jednostavne evolucijske promjene.

Atmosferski zrak je fizička mješavina dušika, kisika, ugljičnog dioksida (ugljični dioksid), argona i drugih inertnih plinova. U suhom atmosferski zrak sadrži: kisik - 20,95%, dušik - 78,09%, ugljični dioksid - 0,03%. U ne velike količine Zastupljeni su argon, helij, neon, kripton, vodik, ksenon itd. Osim konstantnog sastavni dijelovi, u zraku se nalaze neke nečistoće prirodnog podrijetla, kao i onečišćenja unesena u atmosferu ljudskim proizvodnim aktivnostima.

Komponente zračno okruženje različito utječu na životinje.

Dušik je najveći sastavni dio atmosferski zrak, spada u inertne plinove, ne podržava disanje i izgaranje. U prirodi postoji kontinuirani proces kruženja dušika, uslijed kojeg se atmosferski dušik pretvara u organske spojeve, a kada se razgrađuju, obnavlja se i ponovno ulazi u atmosferu i ponovno se veže za biološke objekte. Dušik je izvor hrane za biljke.

Atmosferski dušik, osim toga, je razrjeđivač kisika, udisanje čistog kisika dovodi do nepovratnih promjena u tijelu.

Kisik- najvažniji plin za život, jer je neophodan za disanje. Jednom u plućima, kisik se apsorbira u krvi i njome se prenosi po cijelom tijelu – ulazi u sve njegove stanice i tamo se troši na oksidaciju. hranjive tvari stvarajući ugljični dioksid i vodu. Svi kemijski procesi u životinjskom tijelu povezani su s formiranjem razne tvari, uz rad mišića i organa, uz oslobađanje topline, nastaju samo u prisutnosti kisika.

Kisik u svom čistom obliku ima toksični učinak, koji je povezan s oksidacijom enzima.

Životinje u prosjeku troše sljedeću količinu kisika (ml/kg težine): konj u mirovanju - 253, dok radi - 1780, krava - 328, ovca - 343, svinja - 392, kokoš - 980. količina utrošenog kisika također ovisi o dobi, spolu i fiziološkom stanju organizma. Sadržaj kisika u zraku zatvorenih prostorija za životinje s nedovoljnom izmjenom zraka - ventilacijom može se smanjiti, što, uz produljeno izlaganje, utječe na njihovo zdravlje i produktivnost. Na to su najosjetljivije ptice.

Ugljični dioksid(ugljični dioksid, CO 2) igra važnu ulogu u životu životinja i ljudi, jer je fiziološki uzročnik respiratornog centra. Smanjenje koncentracije ugljičnog dioksida u udahnutom zraku ne predstavlja značajnu opasnost za tijelo, jer potrebna razina parcijalni tlak ovog plina u krvi osigurava se regulacijom acidobazne ravnoteže. Povećan sadržaj ugljičnog dioksida u atmosferskom zraku negativno utječe na organizam životinja. Udisanjem visokih koncentracija ugljičnog dioksida u tijelu dolazi do poremećaja redoks procesa, nakuplja se ugljični dioksid u krvi, što dovodi do ekscitacije dišnog centra. Istovremeno, disanje postaje češće i dublje. Kod ptica nakupljanje ugljičnog dioksida u krvi ne ubrzava disanje, već uzrokuje njegovo usporavanje, pa čak i zaustavljanje. Stoga se u prostorijama za ptice osigurava stalna opskrba vanjskim zrakom u znatno većim količinama (po 1 kg težine) nego za sisavce.

Higijenski gledano, ugljični dioksid je važan pokazatelj, po kojem se ocjenjuje stupanj čistoće zraka - učinkovitost ventilacije. Ako ventilacija ne funkcionira dobro u stočnim objektima, ugljični dioksid se nakuplja u značajnim količinama, budući da ga u izdahnutom zraku sadrži do 4,2%. Mnogo ugljičnog dioksida ulazi u zrak prostorije ako se zagrijava plinski plamenici. Stoga bi u takvim prostorijama ventilacijske strukture trebale biti snažnije.

Najveća dopuštena količina ugljičnog dioksida u zraku stočarski objekti ne smije prelaziti 0,25% za životinje i 0,1 - 0,2% za ptice.

Ugljični monoksid(ugljični monoksid) - nema u atmosferskom zraku. Međutim, pri radu u stočarskim objektima za opremu – traktore, hranilice, generatore topline i sl. ispušta se s ispušnim plinovima. Oslobađanje ugljičnog monoksida također se opaža tijekom rada plinskih plamenika.

Ugljični monoksid- jak otrov za životinje i ljude: u kombinaciji s hemoglobinom u krvi, oduzima mu sposobnost da prenosi kisik iz pluća u tkiva. Kada se ovaj plin udahne, životinje umiru od gušenja zbog akutnog nedostatka kisika. Toksični učinak počinje se očitovati već s nakupljanjem 0,4% ugljičnog monoksida. Kako bi se spriječilo takvo trovanje, prostorije u kojima rade motori treba dobro prozračiti. unutarnje izgaranje, provoditi rutinsko održavanje generatora topline i drugih mehanizama koji ispuštaju ugljični monoksid.

Kad se životinje otruju ugljični monoksid Prije svega, moraju se ukloniti iz prostorija u Svježi zrak. Najveća dopuštena koncentracija ovog plina je 2 mg/m3.

Amonijak(NH 3) je bezbojni plin oštrog mirisa. Rijetko se nalazi u atmosferskom zraku iu malim koncentracijama. U stočarskim objektima amonijak nastaje tijekom razgradnje mokraće, gnoja, posteljine. Posebno se akumulira u prostorijama gdje je slaba ventilacija, čistoća poda se ne održava, životinje se drže bez posteljine ili se ona mijenja izvan vremena, kao i u skladištima gnojiva, pulp jamama šećerana. Mnogo se amonijaka stvara u svinjcima, teladima, peradnicima (osobito kada se perad drži na podu), ako je u tim prostorima koncentriran veliki broj životinja. Iznad mjesta nakupljanja gnojnice, koncentracija amonijaka doseže 35 mg / m 3 ili više. Stoga je pri radu na crpljenju tekućeg stajskog gnoja, čišćenju zatvorenih kanala za gnoj, moguće pustiti ljude da rade tek nakon temeljitog provjetravanja ovog prostora.

U starim i hladnim prostorijama na površini opreme, u mokroj posteljini, nakuplja se puno amonijaka, koji se bolje otapa u hladnom, vlažnom okruženju. Kako temperatura raste i pada atmosferski pritisak Amonijak se vraća natrag u zrak prostorije.

Stalno udisanje zraka čak i s malom primjesom amonijaka (10 mg/m3) negativno utječe na zdravlje životinja. Amonijak, otapajući se na sluznicama gornjih dišnih puteva, očiju, nadražuje ih, osim toga, refleksno smanjuje dubinu disanja, a time i ventilaciju pluća. Zbog toga se kod životinja javlja kašalj, suzenje, bronhitis, plućni edem itd. U upalnim procesima dišnog trakta smanjuje se i sposobnost sluznice da se odupre prodiranju mikroorganizama kroz njih, uključujući i patogene. Pri visokim koncentracijama amonijaka dolazi do respiratorne paralize, životinja ugine.

U krvi se amonijak spaja s hemoglobinom i pretvara ga u alkalni hematin, koji nije u stanju apsorbirati kisik tijekom disanja, tj. dolazi do gladovanja kisikom. Jak stupanj trovanja karakterizira nesvjestica, konvulzije. Amonijak s vlagom stvara agresivno okruženje, koje strojeve, mehanizme i zgrade čini neupotrebljivim.

Maksimalna dopuštena koncentracija ovog plina je 20 mg / m 3, za mlade životinje i perad - 5-10 mg / m 3.

Mora se imati na umu da amonijak ima negativan učinak ne samo na životinje, već i na osoblje. Stoga, radi zaštite zdravlja radnika u prostorijama, kao i stvaranja normalnih uvjeta za životinje, zgrade treba opremiti učinkovita ventilacija. Velika važnost ima ispravan i neprekidan sustav uklanjanja gnoja. Sadržaj amonijaka može se smanjiti raspršivanjem mljevenog superfosfata po podlozi u količini od 250-300 g/m 2, korištenjem kondicionirane tresetne podloge, a za brzo smanjenje koncentracije tog plina može se koristiti formaldehidni aerosol, anti- korozijski premaz koristi se za zaštitu strojeva i mehanizama.

sumporovodik(H 2 S) u slobodnoj atmosferi je odsutan ili je sadržan u malim količinama. Izvor nakupljanja sumporovodika u zraku stočarskih objekata je propadanje organskih tvari koje sadrže sumpor i crijevne izlučevine životinja, osobito pri korištenju hrane bogate proteinima ili probavnim poremećajima. Sumporovodik može ući u zrak u zatvorenom prostoru iz sakupljača gnojnice i kanala za gnoj.

Udisanje ovog plina u malim količinama (10 mg/m 3) uzrokuje upalu sluznice, gladovanje kisikom, a u visokim koncentracijama - paralizu dišnog centra i centra koji kontrolira kontrakciju krvnih žila. Apsorbirajući se u krv, sumporovodik blokira aktivnost enzima koji osiguravaju proces disanja. Željezo u krvi hemoglobin se veže sa sumporovodikom na željezni sulfid, pa hemoglobin ne može sudjelovati u vezanju i transportu kisika. U sluznicama stvara natrijev sulfid koji uzrokuje upalu.

Sadržaj sumporovodika u udahnutom zraku preko 10 mg/m 3 može uzrokovati brzu smrt životinje i čovjeka, a dugotrajno izlaganje njegovim beznačajnim nečistoćama može dovesti do kroničnog trovanja koje se očituje općom slabošću, probavnim smetnjama, upalom dišnih puteva i smanjenje produktivnosti. Kod osoba s kroničnim trovanjem sumporovodikom javlja se slabost, mršavljenje, znojenje, glavobolja, srčani poremećaji, katar dišnog sustava, gastroenteritis.

Dopuštena koncentracija sumporovodika u zraku u zatvorenom prostoru - 5 - 10 mg / m 3. Miris sumporovodika osjeća se već pri koncentracijama od 1,4 mg/m 3 , jasno izražen pri 3,3 mg/m 3 , značajan - pri 4 mg/m 3 , bolan - pri 7 mg/m 3 .

Kako bi se spriječilo stvaranje sumporovodika u prostorijama, potrebno je pratiti dobro stanje kanalizacijskih objekata, koristiti kvalitetnu stelju koja apsorbira plin, održavati odgovarajuću higijensku i veterinarsko-sanitarnu kulturu na farmama i kompleksima te osigurati pravovremeno uklanjanje stajnjak.

Učinak drugih plinova koji se nalaze u prostorijama za životinje (indol, skatol, merkaptan, itd.) još uvijek je slabo shvaćen.