На протяжении многих тысячелетий люди пытались понять, что такое воздух, зачем и как они дышат. Представление о воздухе как о смеси газов сформировалось две сотни лет назад, когда была открыта живительная субстанция — «флогистон». Впоследствии эту составляющую назвали кислородом. Еще немало времени ушло на то, чтобы окончательно определить конкретный газовый состав атмосферы.

Сегодня мы знаем, что атмосфера (от греческих «атмос» — пар и «сфера» — шар) — это газовая оболочка Земли, которая простирается от ее поверхности более чем на 1500 км. Суммарная масса воздуха огромна и составляет 5,5 × 1015 тонн (нетрудно определить, что на одного живущего человека приходится около миллиона тонн воздуха). Высота ближайшей к Земле части атмосферы — тропосферы, в которой сосредоточено 80 % массы воздуха, составляет всего 10 км.

Основные компоненты воздуха у поверхности Земли — это азот (приблизительно 75 % по массе), кислород (23 %), аргон (1,3 %), углекислый газ (0,05 %).

В ничтожно малых количествах (от тысячных до миллионных долей процентов) в тропосфере также присутствуют криптон, ксенон, гелий, водород, окислы азота, озон, метан, аммиак, пары ртути и многие другие газы. Кроме того, в приземном слое воздуха постоянно находится большое количество взвешенных твердых частиц, среди которых есть и микроскопические формы жизни: вирусы, бактерии, споры грибов, пыльца растений.

Состав атмосферы — это результат эволюционных процессов в недрах Земли и на ее поверхности, причем решающим фактором была деятельность зеленых растений, животных и микроорганизмов. Баланс этого состава поддерживается фотосинтезирующими растениями как источником кислорода и животными как его потребителями. Различные газовые примеси поставляются в атмосферу гниением органических остатков и вулканической деятельностью.

Таким образом, человек дышит смесью газов, основные компоненты которой — это азот, кислород и аргон. В легких происходит газообмен. Часть кислорода захватывается гемоглобином эритроцитов и артериальной кровью разносится по всем организму. Венозная кровь приносит в легкие конечный продукт окислительных реакций в клетках — углекислый газ.

Поскольку химически инертные азот и аргон в газообмене не участвуют, то их количество при вдохе и выдохе не изменяется. Иначе обстоит дело с кислородом. Как уже отмечалось, из 23 % кислорода, вдыхаемого с воздухом, выдыхается только 15 %, и его суточное потребление человеком достигает одного килограмма. Однако наш вес не растет на килограмм в сутки. Дело в том, что отработанный кислород практически полностью выдыхается в атмосферу, но уже в виде углекислого газа СО₂. Здесь интересно отметить факт, о котором мало кто задумывается: мы вдыхаем воздуха по весу меньше, чем выдыхаем. Действительно, усвоенная организмом молекула кислорода О₂ превращается в молекулу углекислого газа СО₂ которая на величину массы атома углерода тяжелее. Кроме углекислого газа в выдыхаемом воздухе содержится еще множество веществ, в совокупности называемых физиологическим отбросом дыхания. Прежде всего, это вода в виде пара и мельчайших капелек, в которых растворены продукты обмена веществ. Так организм выводит через дыхательный аппарат часть не нужных ему веществ. Вспомните, например, запах продуктов разложения алкоголя.

Состав атмосферного воздуха не везде одинаковый. В природных условиях существуют естественные различия, связанные с географическим положением, временем года и суток. Но больше всего изменений в состав атмосферы вносит деятельность человека. Ни для кого не секрет, что воздух в больших городах отличается от природного явно в худшую сторону. Главный источник загрязнения воздуха городских улиц, конечно же, автомобили. Их двигатели выбрасывают в атмосферу целый набор вредных химических соединений среди которых есть достаточно опасные канцерогены и мутагены, например бензопирен. Кроме того, автомобиль поставляет в воздух пыль из мельчайших частиц от стирающихся покрышек и дорожного покрытия.

О негативных последствиях загрязнения воздушного бассейна современных мегаполисов можно говорить долго. Я этого делать не буду, а обращу ваше внимание на следующий немаловажный факт. Среднестатистический городской житель 90 % времени проводит в закрытых помещениях. Это дом, офис, магазин, общественный транспорт и, в конце концов, тот же автомобиль. Но воздушный режим и условия для дыхания в помещении существенно отличаются от таковых на открытом воздухе.

В природной атмосфере практически всегда есть движение воздуха. Полнейший штиль, когда не шелохнется ни один листок, бывает крайне редко. А колыхание листьев становится заметным при скорости воздушного потока больше 0,5 м/с (то есть 1,8 км/час). Кроме того, человек вне помещения обычно и сам не стоит на месте. Поэтому на открытом воздухе респираторный отброс дыхания тут же уносится от лица и каждый новый вдох приносит в легкие действительно новый воздух.

Задача любого помещения сводится к защите его обитателей от неблагоприятных внешних условий: ветра, осадков, изменений температуры и освещенности. Если окна и дверь не открыты настежь или помещение не оборудовано принудительной вентиляцией, то воздух в нем практически неподвижен. В таких условиях с каждым новым вдохом в легкие попадает и часть воздуха из предыдущего выдоха. Если вы находитесь в большой комнате, то отброс дыхания растворяется в воздухе, не создавая в нем ощутимой концентрации выведенных из организма веществ. Если же объем помещения мал, оно плохо проветривается, да к тому же в нем находится много людей, то довольно скоро дышать им становится тяжело. Мы так и говорим: тяжело дышать, кислорода мало.

На самом деле, при большом скоплении людей тяжело дышать совсем не оттого, что в воздухе стало заметно меньше кислорода и больше углекислого газа. Причина состоит в повышении концентрации так называемых метаболитов (отходов обмена веществ в организме), выведенных через дыхательный аппарат. Понятно, что метаболиты выводятся из организма, так как они либо просто не нужны ему для жизнедеятельности, либо даже вредны.

Природа наделила человека способностью ощущать присутствие в воздухе нежелательных веществ. Главный «газоанализатор» — это обоняние. Если в воздухе плохо пахнет, мы инстинктивно стремимся покинуть место с неприятным запахом. Однако запах, который мы ощущаем, сам по себе далеко не всегда несет информацию о вреде или пользе вещества, которое его источает. О том, какое отношение обоняние имеет к предмету данной книги, я подробнее расскажу в разделе «Зачем человеку нос». Здесь же необходимо отметить, что не только обонятельный анализатор способен оценивать состав вдыхаемого воздуха. По всему пути его прохождения от носовой полости до разветвлений бронхов в слизистых оболочках стенок есть нервные окончания. Нервные рецепторы реагируют на температуру воздуха и его химический состав. Сигналы этих рецепторов поступают в центральную нервную систему и служат для регуляции дыхательной деятельности.

Если рецепторы фиксируют присутствие в воздухе вредных для организма веществ, дыхательный центр мозга реагирует на это включением защитного безусловного рефлекса «не дышать». Но вообще не дышать человек не может. Достаточно быстро от рецепторов сердечной мышцы в мозг поступает другой тревожный сигнал: «в крови недостаток кислорода».

Чтобы решить, что же делать, «жить или не жить», мозг подключает сознание и перекладывает на него принятие решения. В критической ситуации, когда чувствуется запах, мы просто зажимаем нос и убегаем из опасного места. Но когда о примесях в воздухе сигнализируют нервные окончания гортани и бронхов, которые, минуя сознание, связаны напрямую с дыхательным центром, возникает проблема «дышать или не дышать». Именно это противоречие в управлении дыхательной деятельностью и воспринимается нашим сознанием как затруднение дыхания.

В воздухе помещения с плохой вентиляцией кроме пыли и метаболитов могут присутствовать следовые количества всех химических веществ, которые использованы в отделке, мебели, красках и т. п. А кроме этого — и специфические микроорганизмы, нашедшие в комфортных условиях идеальную среду обитания.

Казалось бы, в воздухе помещения есть все, что содержит внешняя атмосфера, плюс добавки, рожденные уже внутри. Уменьшить концентрацию метаболитов и пахучих веществ просто. Достаточно принудительно нагнетать в помещение внешний воздух, так чтобы он постоянно обновлялся. При этом его можно дополнительно очистить от пыли, осушить или увлажнить, охладить или подогреть. В современных квартирах и офисах это делают мощные системы очистки и кондиционирования воздуха. Но так ли все просто на самом деле, получится ли после интенсивной очистки воздух не хуже природного?

Теперь вы уже знаете, что природный воздух содержит в небольшом количестве электрически заряженные молекулы газов — аэроионы. Понимание всей важности их роли в жизни дышащих организмов пришло сравнительно недавно. О том, какой путь прошла к нему биология, рассказывает следующая глава.