Абрам Фет - Катастрофы в природе и обществе

Человек дышит кислородом и не нуждается в других газах земной атмосферы, хотя и вдыхает их вместе с кислородом, так что его легкие наилучшим образом приспособлены к естественной смеси газов, из которой они извлекают кислород. Состав атмосферы Земли (по объему) в настоящее время таков: 78% азота, 21% кислорода, несколько меньше 1% аргона, 0,036% углекислого газа; при этом не учитывается небольшое количество водяного пара, так что здесь (и дальше) имеется в виду сухой воздух. До промышленной революции было 0,02% углекислого газа. Существование человека зависит от кислородного дыхания, и весь служащий для дыхания кислород производят растения. Без него на Земле вообще не было бы свободного кислорода, как нет его в атмосфере других планет: кислород, с его высокой химической активностью, быстро вступает в реакции с различными веществами. Смесь газов, которой человек может дышать, должна содержать не менее 10% кислорода; тренированные люди, например, горцы, могут долго жить и при несколько меньших концентрациях, а недолго – даже при значительно меньших; нетренированные люди плохо чувствуют себя и при не столь сильном снижении концентрации. В течение короткого времени человек может дышать и одним кислородом, но для нормального дыхания лучше, чтобы его парциальное давление было около 21%.

Углекислый газ нужен человеку в очень небольшом количестве, для регуляции дыхания. Поскольку этот газ выделяется легкими человека, то, как предполагают, о его минимальном содержании во вдыхаемом воздухе можно не заботиться. Напротив, его максимальное содержание весьма важно: 5% СO 2уже смертельны! При 0,3% уже замечаются изменения в организме человека, и хотя в замкнутой системе "Биос-3" (о которой рассказывается дальше) люди жили без вредных последствий в течение шести месяцев при 0,8 – 1% CO 2, можно принять 0,3% за максимально допустимый уровень.

Растения, напротив, нуждаются в углекислом газе для питания и могут жить, когда его содержание в смеси газов не меньше некоторого небольшого количества, меньшего 0,01%, и не больше 5%. На рисунке 1 изображены области существования человека и растений. Их пересечение соответствует условиям естественной жизни человека.

Рис.1

Хотя этот рисунок носит качественный характер, гораздо бoльшие размеры зоны существования растений свидетельствуют о вполне реальном факте: растения хорошо переносят значительные изменения состава атмосферы, смертельные для нас. Но мы должны думать о таком составе атмосферы, чтобы выжили и мы, и растения, без которых мы не можем жить. Ведь растения не только дают нам кислород, но и доставляют нам продукты питания.

Существование биосферы Земли зависит от двух главных процессов – это процесс фотосинтеза, в результате которого растения синтезируют за счет солнечной энергии необходимые для жизни вещества – главным образом углеводы, жиры и белки –, и обратный процесс деструкции (разложения) этих веществ, осуществляемый животными, грибами и разнообразными микроорганизмами.

Для углеводов эти процессы можно представить схемой:

CO 2+ H 2O <=> (углеводы) + O 2.

Например, фруктоза – первичный продукт фотосинтеза – образуется в соответствии со следующим уравнением:

6CO 2+ 12H 2O <=> C 6H 12O 6+ 6O 2+ 6H 2O

(здесь молекулы воды не сокращены, чтобы подчеркнуть, что кислород образуется из воды, а не из углекислого газа). Примеры углеводов: целлюлоза, в огромном количестве синтезируемая в биосфере и используемая практически только грибами; крахмал; гликоген; всем известный мед, состоящий из смеси углеводов; сахароза (обычный сахар), и т.д.

В меньшей мере процессы обмена веществ связаны с циклом жиров (липидов):

CO 2+ H 2O <=> (жир) + O 2.

Жиры имеют весьма разнообразную химическую структуру. Наиболее известны жиры, построенные на основе глицерина и жирных кислот, но для функционирования организмов важнее всего липиды, входящие в состав клеточных мембран.

Если взять за эталонный жир соединение C16H32O 2, то химический баланс описывается уравнением:

16CO 2+ 16H 2O <=> C16H32O 2+ 23O 2.

Обмен белков требует участия дополнительных азотосодержащих веществ:

(NH 4)2CO + CO 2+ H 2O <=> (белок) + O 2.

Больше всего белков содержат быстрорастущие организмы (некоторые бактерии – до 70%). Главная роль белков – катализ, то есть ускорение химических реакций в организме, без чего жизнь не могла бы существовать. Специфика организма и его отдельной клетки полностью определяются набором содержащихся в них белков.