Т.М. ВЕРШИНИНА,
школа № 1, г. Мышкин,
Ярославская обл.

Атмосфера и дыхание живой природы

Интегрированный урок по биологии и физике

Пока дышу, надеюсь.
(Латинское изречение)

Наличие атмосферы – одно из главных условий жизни на Земле. Имеют значения все ее свойства: соотношение основных компонентов, прозрачность, динамика воздушных масс, насыщенность электромагнитным излучением, количество и качество примесей. Даже небольшие отклонения в составе атмосферы способны вызвать далеко идущие последствия. Очень важную роль играют изменения толщины озонового слоя, поглощающего «Б-диапазон» ультрафиолетового излучения, губительно действующий на все живое.

Существенные изменения в составе атмосферы происходят под влиянием природных факторов, например извержений вулканов, фотосинтеза растений и т.п. Однако и хозяйственная деятельность человека, связанная с потреблением кислорода, выбросами пыли, газа, органики и излучением электромагнитных полей, может оказывать заметное влияние на состояние атмосферы.

Охрана атмосферы осуществляется рядом технических и организационных мер, обеспечивающих чистоту воздуха и сохранение его естественного состава. Требования к качеству воздуха должны быть очень высокими. Человек потребляет в сутки в среднем 1 кг пищи, 2 л воды и около 25 кг кислорода воздуха, поэтому даже если относительное содержание загрязняющих веществ в воздухе и невелико, их суммарное количество, поступающее в организм при дыхании, может оказаться токсичным.

Чистый воздух нужен и для промышленных целей: только при этом условии возможно производство вакцин, антибиотиков, полупроводников и точных приборов.

Для естественного чистого воздуха атмосферы принят следующий газовый состав (по объему): азот – 78,08%, кислород – 20,95%, аргон – 0,93%, углекислый газ – 0,03%. Кроме газообразных составляющих в воздухе всегда содержатся во взвешенном состоянии частицы пыли естественного происхождения. Они являются неотъемлемой частью атмосферы и не могут считаться загрязняющими веществами.

Пыль участвует в ряде природных процессов, протекающих в атмосфере. Взвешенные в воздухе частицы служат ядрами конденсации водяных паров, от содержания пыли в значительной степени зависят оптические свойства атмосферы. Взвешенные твердые частицы поглощают солнечную радиацию и одновременно уменьшают земное излучение. Этим они защищают поверхность Земли от чрезмерного прогревания и препятствуют излишней теплоотдаче. Присутствие пыли увеличивает турбулентность тропосферы, способствуя ее перемешиванию. Таким образом, пыль естественного происхождения является необходимым составным элементом атмосферы, обеспечивающим естественный ход природных процессов и явлений.

Естественные источники пополнения пыли очень разнообразны. Ежегодно из космоса в виде пыли в атмосферу поступает 106 т вещества. Большое количество пыли выбрасывают в воздух вулканы. При сильном извержении одного вулкана объем выброшенных частиц может достигать 75 млн м³. Пыль морского происхождения образуется при испарении капель морской воды. При этом в атмосферу попадают частицы морской соли. Органическая пыль состоит из бактерий, грибков и других разнообразных частиц живого и растительного происхождения. Огромное количество твердых частиц попадает в воздух в результате выветривания горных пород, выдувания почвы, от лесных и степных пожаров.

Иногда в тех или иных районах земного шара концентрация естественной пыли резко повышается. Например, с декабря по февраль судоходство в Атлантике между берегами Африки и 37й западной долготы затруднено из-за пыльной мглы. Эта мгла образуется пылью, выносимой из Сахары устойчивыми пассатными ветрами. При извержении вулкана Кракатау в 1883 г. в атмосферу было выброшено огромное количество твердых частиц, которые держались в воздухе несколько лет. Но эти процессы носят кратковременный и обычно локальный характер. В целом же средняя концентрация естественной пыли остается относительно постоянной.

Со второй половины XIX в. в связи с интенсивным развитием промышленного производства, начал изменяться пылевой и газовый состав атмосферы. Эти изменения в естественном составе атмосферы, вызванные деятельностью человека, являются загрязнением воздуха.

Промышленная революция, вырубка лесов и распашка земель, эрозия почв, лесные и степные пожары – все это сопровождалось ростом запыленности воздуха. С конца XIX в. по наши дни количество пыли в атмосфере возросло почти в 20 раз. При сжигании топлива в атмосферу попадает огромное количество золы. Пятая часть цемента при его производстве выбрасывается через заводские трубы. Миллионы тонн пыли образуются на металлургических заводах, при электросварке, при износе трущихся металлических деталей и конструкций. Распыляется в воздух асфальт и бетон дорог, резина покрышек автомобилей. Химизация сельского хозяйства сопровождается попаданием в атмосферу все большего количества химических веществ.

С каждым годом увеличивается газовое загрязнение атмосферы предприятиями и автотранспортом. Наиболее опасны выбросы сернистых соединений. Уголь, нефтепродукты, газ при сжигании выделяют огромное количество окиси углерода и сернистого ангидрида, который, соединяясь с водой воздуха, образует капельки серной кислоты. Растворы серной кислоты могут долго держаться в воздухе в виде капелек тумана или выпадать вместе с дождем на землю. Эти растворы разъедают металлы, краски, синтетические соединения, ткани, губительно действуют на растения и животных. Попадая на землю, серная кислота подкисляет почву, что отрицательно сказывается на урожае.

Газы, выбрасываемые в атмосферу, вступают в реакции, часто совершенно непредсказуемые. Поэтому атмосферу иногда называют неуправляемым реактором. Значительная часть аэрозолей возникает в результате превращения газовых примесей. Из сернистого газа, окисей азота, кислорода, водяного пара за счет фотохимических реакций образуются частицы твердых веществ. Таким образом, рост газового загрязнения приводит к росту запыления воздуха (см. табл.).

Таблица. Количество аэрозолей, поступающих от разных источников

Выбросы тепловых электростанций, металлургических производств и транспорта содержат большое количество диоксида серы. В странах Западной Европы на каждого жителя приходится более 46 кг серы. Кислотные дожди угнетают растительность, снижают прирост леса и урожайность сельскохозяйственных культур, ускоряют коррозию металлов, разрушают строения. Ущерб от кислотных дождей в индустриальных странах составляет до 4% валового национального продукта. В Западной Европе этот ущерб в денежном выражении оценивается в 1,1 млрд долларов в год.

Кислотные дожди наиболее характерны для индустриальных стран, но из-за процессов переноса в атмосфере они могут выпадать и на достаточно удаленных территориях. Например, в 1991 г. на территории России выпало 405 тыс. т соединений серы, принесенной с Украины, в основном из Днепропетровско-Криворожского промышленного района. Из России на территорию Украины попало 25 тыс. т сернистых соединений. Причина столь значительной разницы – в преобладании переноса воздушных масс в восточном направлении.

Сельскохозяйственное производство также загрязняет атмосферу. Так, пыль, поднимаемая тяжелой техникой, обнаружена на высоте 10 км над поверхностью земли. Крупный рогатый скот выделяет в атмосферу около 50 млн т метана.

Среди прочих газов в атмосферу поступает около 1 млн т фреонов. Они используются в холодильных установках, аэрозолях, при обогащении руд цветных металлов. Вместе с оксидами азота и хлорорганическими соединениями фреоны, попадая в верхние слои атмосферы, разрушают озоновый слой. Так, величина озоновой дыры над Антарктидой составляет 5 млн км². Уменьшение толщины озонового слоя отмечается и над крупными городами.

В результате деятельности человека все больше изменяется газовый состав атмосферного воздуха. Нарастающими темпами увеличивается концентрация углекислого газа и уменьшается содержание кислорода. В течение последних 100 лет за счет сжигания топлива человек добавил в атмосферу 400 млрд т углекислого газа. Лесные и степные пожары также увеличивают содержание углекислого газа. С другой стороны, значительно сократились площади лесов – основных потребителей углекислого газа. Загрязнение океанов нефтепродуктами снизило фотосинтез планктона и поглощение углекислого газа водами океана. Все это привело к тому, что поступление углекислого газа в атмосферу стало превышать его потребление растениями. Ежегодный прирост СО₂ в атмосфере ныне составляет 14 млрд т.

Промышленность потребляет все больше и больше кислорода (например, Конаковская ГРЭС ежеминутно потребляет 20 т кислорода). Эксперты ЮНЕСКО подсчитали, что в настоящее время на Земле потребляется количество кислорода, достаточное для дыхания 40–50 млрд человек.

Повышение концентрации углекислого газа в атмосфере усиливает парниковый эффект. Суть этого эффекта в том, что молекулы двуокиси углерода пропускают коротковолновую часть спектра солнечного света, которая поглощается поверхностью Земли и нагревает ее. Нагретая поверхность Земли излучает электромагнитные волны инфракрасного диапазона, но углекислый газ их хорошо поглощает и препятствует выходу энергии в виде излучения в мировое пространство. Чем выше концентрация СО₂ в атмосфере, тем выше средняя температура воздуха у земной поверхности.

Известно, что повышение средних температур приземного слоя в 1930-е гг. на 0,4 ^оС сопровождалось сокращением площади льдов в Арктике на 10%. В те годы многие страны пострадали от жестоких засух. В 1940-е гг., несмотря на дальнейший рост содержания СО₂ в атмосфере, потепление сменилось похолоданием. Это явление связывают с ростом запыленности атмосферы.

Зеленые насаждения в городе намного улучшают микроклимат.

В городских парках в жаркий день температура на 6–8 ^оС ниже, чем на улицах. Даже на газонах за счет испарения растениями влаги на 2–3 ^оС прохладнее, чем на тротуаре. Заметно изменяется и состав городского воздуха. Одно дерево дает столько кислорода, сколько нужно для дыхания четырех человек. Кроме того, растения поглощают примеси некоторых ядовитых газов и выделяют летучие вещества – фитонциды, губительные для бактерий. Один гектар парка из лиственных деревьев задерживает за год до 100 т пыли. В городах с интенсивной промышленностью рекомендуют высаживать особо газоустойчивые деревья и кустарники: различные тополя, тую западную, клен американский, черемуху, бузину красную.

«Жизнь – это горение». Эти слова принадлежат знаменитым французским ученым XVIII в. А.Лавуазье и П.Лапласу. Действительно, чем, кроме горения, можно объяснить то, что температура нашего тела постоянна и почти всегда выше температуры окружающей среды? Лавуазье и Лаплас считали, что «печка», обогревающая человека, находится в легких, где углерод живой ткани, как в обычной печке, вступает в химическую реакцию с кислородом воздуха, образуя углекислый газ, в результате чего выделяется необходимое тепло.

На самом деле реакция, в которой участвует кислород, происходит не только в клетках легких, но и во всех клетках организма, куда его доставляет кровь. По теории, предложенной Лавуазье и Лапласом, легким в этой «печке» отводится роль поддувала, через которое поступает кислород, и трубы, предназначенной для выхода углекислого газа. Интересно, что еще в XVII в. известный английский физик Р.Бойль, открывший один из газовых законов, утверждал, что, проходя через легкие, кровь «освобождается от вредных испарений». Как легким, объем которых не превышает 5% объема всего тела, удается выполнить эту задачу?

Воздухоносные пути состоят из носовой полости, где вдыхаемый воздух подогревается и увлажняется, гортани, трахеи и двух бронхов, подводящих воздух к правому и левому легкому (рис. 1). Каждый бронх может 15 и более раз ветвиться на более мелких бронхи (бронхиолы), прежде чем закончится микроскопическими мешочками (альвеолами), окруженными густой сетью кровеносных сосудов. Альвеолы, которых насчитывается у взрослого человека около 300 млн, представляют собой пузырьки, наполненные воздухом.

Рис. 1.

Средний диаметр альвеолы составляет примерно 0,1 мм, а толщина их стенок – 0,4 мкм. Общая поверхность альвеол в легких человека составляет около 90 м². В каждый момент времени в кровеносных сосудах, оплетающих альвеолы, находится приблизительно 70 мл крови, из которой в альвеолы диффундирует углекислый газ, а в обратном направлении – кислород. Огромная поверхность альвеол дает возможность уменьшить толщину слоя крови, обменивающейся газами с воздухом внутри альвеол до 1 мкм, что позволяет менее чем за 1 с насытить это количество крови кислородом и освободить ее от избытка углекислоты. У человека в дыхании принимают участие не только легкие, но и вся поверхность тела – кожа от пяток до головы. Особенно сильно «дышит» кожа на груди, спине и животе.

В биографии великого итальянского художника XVI в. Рафаэля описан такой случай.

В 1515 г. флорентийский богач Лоренцо Медичи устраивал пышный праздник в честь своего родственника, римского папы Льва Х. В торжественном шествии должны были двигаться колесницы с группами, изображавшими сцены из мифологии. Колесницы эти украшали лучшие художники Италии.

Один из учеников Рафаэля предложил найти хорошенького мальчика, покрыть его золотой краской и поставить на пьедестал как живую статую – изображение «золотого века». Затея эта была одобрена, и в тот же вечер дочь бедного каменотеса из пригородного села привела к художнику своего пятилетнего братишку.

«Вот Паоло, – сказала девушка. – Он самый красивый малыш во всей деревне. Вы можете его покрасить, если дадите нам немного денег». Вскоре на улицу выбежал голый мальчик, весь золотой, с ног до головы. Он радостно прыгал и кричал: «Смотри, Аннунциата! Я стал совсем золотой! Я весь из настоящего золота. Вот теперь меня можно продать еще дороже».

Но радость Паоло была недолгой. Постепенно он стал чувствовать какую-то непонятную тяжесть. Все тело его что-то стягивало, становилось трудно дышать. Всю ночь он беспокойно метался в постели и утром поднялся совсем больным. С трудом выстоял Паоло на своей колеснице долгое шествие. Когда же праздник кончился, силы оставили его. Всеми забытый он лежал на земле и стонал. Позолота давила его невыносимо. Мальчику казалось, что страшное золото душит его, он терял создание и бредил.

Кожа человека пронизана мельчайшими отверстиями – порами, через которые она дышит. Кроме того, в коже скрыто множество крохотных железок. Одни из них все время выделяют смягчающий кожу жир, другие – капельки пота, уносящие из организма вредные вещества и охлаждающие кожу, когда нам жарко. А у Паоло краска закрыла наглухо все поры, и его кожа стала словно мертвой.

Под утро мальчик дрожал от холода. Покрытая густой позолотой, кожа его теперь не согревала. Когда перепуганная сестра разыскала, наконец, художника и получила у него смывающий краску состав, было уже поздно: «золотой мальчик» умер от воспаления легких...

Грязь и пыль также порой забивают поры кожи. Она перестает дышать, становится вялой, хуже защищает организм от холода. Грязная кожа – приют для микробов. Недаром еще в древние времена русские воины перед боем мылись и надевали чистое белье. Вековой опыт подсказывал, что на чистом теле раны не гноятся и быстрее заживают.

Продолжение следует