اکسیژن هوا: همان ۲۱ درصد حیاتبخش
هوا از چه چیزهایی درست شده است؟
اگر هوای اطراف ما را مانند یک کیک بزرگ در نظر بگیریم، این کیک از تکههای مختلفی تشکیل شده است. بزرگترین تکه آن متعلق به گاز نیتروژن[3] است. اما تکه حیاتی و مهم این کیک، همان اکسیژن است. جدول زیر ترکیب هوای خشک را به طور دقیقتری نشان میدهد .
| نام گاز | نماد شیمیایی | درصد حجمی | نقش و کارکرد |
|---|---|---|---|
| نیتروژن | N2 | ۷۸٫۰۸٪ | رقیق کردن اکسیژن و جلوگیری از آتشسوزیهای سریع؛ ماده اولیه برای ساخت پروتئین در موجودات زنده . |
| اکسیژن | O2 | ۲۰٫۹۵٪ | تنفس موجودات زنده و آزاد کردن انرژی از غذا؛ لازم برای سوختن (احتراق) . |
| آرگون | Ar | ۰٫۹۳٪ | استفاده در لامپها و پنجرههای دو جداره . |
| دیاکسید کربن | CO2 | ۰٫۰۴٪ | ماده اولیه برای فتوسنتز گیاهان؛ کمک به حفظ گرمای زمین (اثر گلخانهای طبیعی) . |
| سایر گازها (نئون، هلیوم و ...) | - | کمتر از ۰٫۰۱٪ | مقادیر بسیار ناچیز. |
یک نکته مهم درباره بخار آب: هوای اطراف ما همیشه کاملاً خشک نیست و معمولاً حاوی مقداری بخار آب است. مقدار این بخار آب میتواند از صفر تا حدود ۴٪ تغییر کند . وقتی رطوبت هوا زیاد میشود، درصد گازهای دیگر، از جمله اکسیژن، کمی کمتر به نظر میرسد. برای مثال، در یک روز بسیار مرطوب با ۳٪ بخار آب، درصد اکسیژن به حدود ۲۰٫۳٪ میرسد .
سفر اکسیژن: از ریههای ما تا سلولهای بدن
هنگام دم، هوای حاوی ۲۱٪ اکسیژن را وارد ریههای خود میکنیم. در ریهها، اکسیژن از کیسههای هوایی کوچک به نام آلوئول عبور کرده و به جریان خون میپیوندد. گلبولهای قرمز خون مانند قایقهای کوچکی هستند که اکسیژن را سوار کرده و به تمام بخشهای بدن میبرند.
در سلولهای بدن، اکسیژن نقش کلیدی در یک واکنش شیمیایی مهم به نام تنفس سلولی دارد. در این فرآیند، مواد غذایی (مانند گلوکز) با کمک اکسیژن میسوزند و انرژی لازم برای حرکت، فکر کردن، رشد و حتی نفس کشیدن را آزاد میکنند. محصول زائد این واکنش شیمیایی، گاز دیاکسید کربن است. به همین دلیل هوای بازدم ما با هوای دم متفاوت است. ما حدود ۴٪ از اکسیژن تنفس شده را مصرف کرده و در عوض حدود ۴٪ دیاکسید کربن به هوا برمیگردانیم . بنابراین هوای بازدم فقط حدود ۱۷٪ اکسیژن دارد .
اگر این تعادل به هم بخورد: کمبود و افزایش اکسیژن
مقدار ۲۱٪ برای اکسیژن هوا یک مقدار "مناسب" و طلایی است. اگر این درصد کم یا زیاد شود، برای بدن انسان مشکلاتی ایجاد میکند. سازمانهای ایمنی مثل OSHA محدوده امن اکسیژن را بین ۱۹٫۵٪ تا ۲۳٫۵٪ تعریف کردهاند .
| وضعیت هوا | محدوده اکسیژن | اثرات بر بدن انسان |
|---|---|---|
| کماکسیژن (هیپوکسی)[4] | کمتر از ۱۹٫۵٪ |
• ۱۶-۱۹٫۵٪: افزایش تنفس و ضربان قلب، اختلال در تفکر و هماهنگی حرکات (مخصوصاً هنگام فعالیت) . • ۱۰-۱۴٪: خستگی زودرس، تنفس نامنظم، قضیه نادرست . • زیر ۶٪: تشنج، ایست تنفسی و مرگ . |
| طبیعی و ایمن | ۱۹٫۵٪ تا ۲۳٫۵٪ | بدن به طور طبیعی و سالم عمل میکند. |
| پراکسیژن (هیپروکسی)[5] | بیشتر از ۲۳٫۵٪ |
• افزایش خطر آتشسوزی (مواد سریعتر میسوزند). • آسیب به سلولها و بافتهای بدن در صورت تنفس طولانیمدت. تحقیقات نشان میدهد اکسیژن زیاد میتواند به پروتئینهای خاصی در سلول آسیب بزند . |
مثال از زندگی: فضای بستهای مثل انباری قدیمی، چاه یا مخزن را در نظر بگیرید. در چنین مکانهایی ممکن است به دلیل واکنشهای شیمیایی (مانند زنگ زدگی) یا حضور گازهای دیگر، اکسیژن هوا کم شده باشد. وارد شدن به این فضاها بدون بررسی میزان اکسیژن میتواند بسیار خطرناک باشد. همچنین، در بیمارستانها گاهی به بیماران اکسیژن خالص داده میشود، اما این کار باید تحت نظر پزشک باشد چون همانطور که دیدیم، اکسیژن زیاد هم سمی است .
آیا مقدار اکسیژن هوا در حال تغییر است؟
شاید این سؤال برایتان پیش بیاید که با قطع درختان و سوزاندن سوختهای فسیلی (مثل بنزین و زغالسنگ)، آیا اکسیژن هوا کم میشود؟ دانشمندان این موضوع را بررسی کردهاند. سوزاندن سوختهای فسیلی واقعاً باعث مصرف اکسیژن و تولید دیاکسید کربن میشود. اما مخزن اکسیژن جو زمین بسیار عظیم است. براساس پژوهشها، حتی در بدبینانهترین سناریوهای مصرف سوخت فسیلی، کاهش نسبی اکسیژن در سطح دریا بسیار ناچیز خواهد بود . مشکل اصلی نگرانکننده فعلی، افزایش گاز دیاکسید کربن و گرمایش زمین است، نه کاهش چشمگیر اکسیژن قابل تنفس.
پرسشهای مهم
پاسخ: نقش گازها به درصد آنها بستگی ندارد، بلکه به خاصیت شیمیایی آنها بستگی دارد. سلولهای بدن ما فقط میتوانند از اکسیژن برای آزاد کردن انرژی غذا استفاده کنند. نیتروژن در این واکنش شرکت نمیکند، اما نقش بسیار مهمی به عنوان یک گاز رقیقکننده دارد. اگر هوای اطراف ما ۱۰۰٪ اکسیژن بود، آتشسوزیها با کوچکترین جرقه به سرعت گسترش مییافت و کنترل آن غیرممکن میشد. همچنین نیتروژن برای ساخت پروتئین در بدن موجودات زنده ضروری است .
پاسخ: خیر، درصد اکسیژن در ارتفاعات هم تقریباً همان ۲۱٪ باقی میماند. اما چون در ارتفاع فشار هوا کمتر است، تعداد مولکولهای هوا در هر نفس کاهش مییابد. در نتیجه، در هر نفسی که میکشید، تعداد مولکولهای اکسیژنی که وارد بدن میشود، کمتر از وقتی است که در سطح دریا هستید. به این حالت هیپوکسی میگویند و بدن برای جبران آن مجبور است تنفس و ضربان قلب را افزایش دهد.
پاسخ: این یک تشبیه رایج اما از نظر علمی نادرست است. گیاهان در فرآیند فتوسنتز اکسیژن آزاد میکنند، اما در فرآیند تنفس سلولی خود (در شب) اکسیژن مصرف میکنند. علاوه بر این، هنگامی که برگها و چوب گیاهان میپوسد یا میسوزد، اکسیژنی که در طول عمر خود تولید کردهاند، مصرف میشود. بنابراین چرخه زندگی گیاهان تأثیر خالص کمی بر ذخیره عظیم اکسیژن جو دارد. مخزن اصلی اکسیژن زمین در طول میلیونها سال و توسط فرآیندهای زمینشناسی تشکیل شده است . با این حال، حفظ جنگلها به دلایل بسیار مهم دیگر مانند ذخیره کربن، حفظ خاک و تنوع زیستی ضروری است.
پاورقی
[1] Oxygen (O2): گازی بیرنگ، بیبو و بیمزه که برای تنفس بیشتر موجودات زنده ضروری است.
[2] هوازی (Aerobic): موجودات زندهای که برای تولید انرژی به اکسیژن نیاز دارند.
[3] نیتروژن (Nitrogen - N2): گازی بیاثر که بخش عمده هوا را تشکیل میدهد.
[4] هیپوکسی (Hypoxia): وضعیتی که در آن بافتهای بدن به اندازه کافی اکسیژن دریافت نمیکنند.
[5] هیپروکسی (Hyperoxia): وضعیتی که در آن بدن در معرض اکسیژن بیش از حد معمول قرار میگیرد.
[6] OSHA: سازمان ایمنی و سلامت شغلی ایالات متحده آمریکا (Occupational Safety and Health Administration).
