СО2 является важным звеном метаболизма. Общее количество углекислого газа в разных формах внутри человека составляет 100 — 120 л, что примерно в 70 раз больше запасов кислорода в крови и тканях. СО2 оказывает непосредственное воздействие на центральную нервную систему, так как участвует в процессах регуляции дыхания. Наиболее критичным элементом функции дыхания является не приток кислорода, а выведение углекислоты из организма.
Долгое время никто не знал о воздействии СО2 на здоровье. Но с началом бурного развития техники в XIX веке люди, работающие с источниками повышенного выделения углекислого газа (топки паровых котлов, плавильные печи, коксовые батареи и т.д.) или в условиях его избыточного накопления (подземные и подводные работы), на себе испытали его острое воздействие, приводящее к плохому самочувствию, головным болям, снижению работоспособности, воспалениям носоглотки, бронхов и лёгких. Такое состояние, названное гиперкапнией — избыточным накоплением углекислоты в организме человека, при длительном воздействии могло привести не только к инвалидности, но и к смерти, вследствие развития респираторного ацидоза — закисления крови образующейся угольной кислотой. Чем выше концентрация СО2 в воздухе, тем больше концентрация угольной кислоты. Количество диоксида углерода в воздухе оценивают по объёмному содержанию в процентах (об.%) или частях на миллион — ppm (part per million).
Впервые использовать величину концентрации углекислого газа, как критерий пригодности воздуха для дыхания человека, предложил в 1865 году немецкий врач-гигиенист Макс Петтенкофер. Он написал научные работы о воздухообмене в жилых зданиях и оценивал строительные материалы и ткани для производства одежды с точки зрения их воздухопроницаемости. Однако долгое время не удавалось установить безопасный для человека уровень содержания СО2 в воздухе рабочих помещений. Оказалось, что в экстремальных условиях, например, на подводных лодках, человек в течение нескольких недель может выдерживать присутствие до 15000 … 20000 ppm (1,5 … 2 об.%) СО2 в воздухе. Однако при такой концентрации возникал ацидоз, который компенсировался системой гомеостаза организма за счёт внутренних резервов буферных химических веществ. На рабочих местах в помещениях, в которых люди проводят по 8 часов на протяжении 5 дней в неделю в течение 40 … 50 лет, такие концентрации конечно же были неприемлемы, поэтому была установлена норма в 5000 ppm (0,5 об.%), что гарантировало при указанной продолжительности воздействия отсутствие ацидоза при умеренной гиперкапнии, находящейся в пределах физиологической выносливости человека.
В 1964 году с помощью метода электроэнцефалографии было установлено, что даже кратковременное вдыхание воздуха с концентрацией СО2 от 1000 до 5000 ppm (от 0,1 до 0,5 об.%) вызывает заметные изменения в дыхательной системе, кровообращении и электрической активности головного мозга. Поэтому за допустимое содержание углекислого газа в воздухе рабочих помещений в большинстве нормативных документов было принято 1000 ppm. Однако очевидно, что для жилых помещений, в которых человек проводит гораздо больше времени, а может провести и всю жизнь — содержание СО2 должно быть гораздо ниже. Для круглосуточного воздействия на протяжении 80 лет было рекомендовано значение 500 ppm (0,05 об.%). Как же обстоят дела сегодня?
В настоящее время наметилась тенденция увеличения содержания СО2 в воздухе помещений. Это связано со стремлением проектировщиков занижать производительность вентиляционных систем в помещениях с целью энергосбережения — экономии энергии, затрачиваемой на отопление зданий в холодный период года или охлаждение воздуха в жаркий период. Поэтому, даже при правильно спроектированной и работоспособной вентиляции, в помещениях здания, расположенного в центре большого города, концентрация СО2 в воздухе высокого качества будет не ниже 800 ppm, а в воздухе допустимого качества — 1400 ppm.
Но и система вентиляции может не обеспечивать допустимое качество воздуха в процессе эксплуатации здания вследствие различных причин — увеличение расчётного количества людей в помещении, замена оконных рам на стеклопакеты, засорение или перекрытие воздуховодов и т.д. Отсутствие требований к контролю содержания углекислого газа при эксплуатации зданий и сооружений приводит к неприемлемому ухудшению состояния воздушной среды. Опубликованы данные о проведенных измерениях содержания диоксида углерода в воздухе различных зданий и сооружений, согласно которым концентрация СО2 в производственных помещениях в конце рабочего дня при неисправной вентиляции может достигать 2500 ppm, в жилых квартирах со стеклопакетами после ночного сна — 2000 ppm, в учебных учреждениях к концу занятий — 1500 ppm, в детских садах — 700 ppm.
В свете проблемы КОВИД-19 необходимо привести результаты ещё одного исследования, позволяющие предположить, почему в некоторых случаях у людей коронавирусная инфекция протекает крайне тяжело и даже приводит к летальному исходу. Не нужно забывать об условиях окружающей среды, в которой находится заразившийся. Макс Петтенкофер, например, полагал, что значение внешних факторов, таких как качество воздуха, воды и пищи в возникновении и течении болезней гораздо важнее, чем роль самих возбудителей. По этому поводу он дискутировал с Робертом Кохом, открывшим в 1883 году холерный вибрион. В 1892 году, в возрасте 73 лет, Петтенкофер на спор даже публично выпил культуру холеры. Он хотел доказать, что без ряда сопутствующих факторов заболевание не разовьётся. Петтенкофер действительно не заболел, но, как оказалось, 40 лет назад он уже перенёс холеру в лёгкой форме. Поэтому, можно сказать, что в споре Макса Петтенкофера с Робертом Кохом победил … Илья Мечников — создатель теории иммунитета.
Повышенные уровни СО2 во вдыхаемом воздухе, могут нарушать работу иммунной системы человека. Установлено, что при воздействии на человека СО2 в диапазоне концентраций от 1000 до 4000 ppm на протяжении 2-х часов, иммунные клетки крови человека — нейтрофилы увеличивали продукцию микровезикул (пузырьков), с высоким содержанием интерлейкина IL-1β. Этот интерлейкин относится к цитокинам (небольшим пептидным молекулам), способных активировать воспаление. Собственно, быстрое нарастание «цитокинового шторма» и является главной причиной тяжелых осложнений и смертности при коронавирусной инфекции. Поэтому, требование самоизоляции носителей коронавируса, то есть принуждение их под угрозой штрафов проводить непрерывно длительное (до 2-х недель) время в замкнутых помещениях при возможно высоком накоплении СО2 в воздухе, в некоторой степени противоречит современным научным данным и возможно даже способствует тяжелому течению заболевания и развитию осложнений.
Так как значительную роль в тяжести заболевания коронавирусной инфекцией может играть качество внутренней среды помещения, то в настоящее время пересматриваются стандарты вентиляции зданий. Главные рекомендации — подавать как можно больше наружного воздуха. Ключевым аспектом является количество свежего воздуха, подаваемого на человека. Кондиционирование воздуха (увлажнение, охлаждение) не имеет практического эффекта. В зданиях без систем механической вентиляции рекомендуется активно использовать проветривание (гораздо больше, чем обычно, даже когда это вызывает некоторый тепловой дискомфорт) т.к. это единственный способ увеличения воздухообмена. Кроме того, в зданиях с механической вентиляцией, открытие окон может использоваться для дальнейшего увеличения воздухообмена.
Каким же образом можно проконтролировать качество воздуха, чтобы удостовериться достаточно ли осуществляется вентиляция помещения и чем вызваны частые воспалительные заболевания дыхательных путей и лёгких — бактериями и вирусами, или неблагоприятным микроклиматом, или высоким содержанием СО2? Решение этого вопроса вовсе не такое сложное, как может показаться на первый взгляд.
Проблема низкого качества воздуха, например, в школах возникает из-за накопления СО2 после установки стеклопакетов или плохо проведённого ремонта, ухудшающего вентиляцию. Главным способом устранения вредного воздействия внутреннего воздуха в таких условиях является проветривание. Поэтому крайне важно обеспечить необходимую вентиляцию помещения, которая бы позволила бы нормализовать содержание углекислого газа. Измерения содержания углекислого газа в зоне дыхания показали, что концентрация СО2 быстро нарастает после того, как человек занял место и начал работать, так как вокруг него образуется индивидуальный «пузырь» воздуха, в котором накапливается углекислый газ. Для предотвращения его появления предлагается персональная вентиляция.
Однако, в настоящее время присутствует тенденция повышения концентрации СО2 и в атмосферном воздухе в целом, что может сделать вентиляцию неэффективным способом обеспечения нужного для человека химического состава воздуха в помещениях. Если средством профилактики вредного воздействия загрязнённого воздуха помещений является пребывание на свежем воздухе, то при дальнейшем повышении концентрации углекислого газа в атмосфере, этот приём уже не будет работать. Возникнет проблема хронического воздействия СО2.
При накоплении углекислого газа в организме идет образование такого патогенного биоминерала, как кальцит (карбонат кальция). Одним из источников карбонат-ионов [СО32-] служит угольная кислота, образующаяся при растворении СО2 в крови и распадающаяся с образованием бикарбоната [НСО3—] который в итоге приводит к образованию карбонатов. Вслед за ростом концентрации угольной кислоты будут расти концентрации карбоната. Когда произведение концентраций ионов кальция и карбонат-ионов превысит произведение растворимости, начнется процесс кальцификации, т.е. образование карбоната кальция. Таким образом, образуется насос перекачки кальция из костей в образование патогенных минералов со снижением значения кислотности крови. Рост патогенных биоминералов может приводить к разрушению костей вследствие потери ими кальция.
Чтобы эти процессы не получили массовое распространение, необходимо вводить предельно-допустимую концентрацию (ПДК) СО2 в атмосфере. Необратимость патогенных процессов будет идти повсеместно на планете, при превышении ПДК по СО2 в атмосфере, т.к. нигде не будет обеспечиваться процесс восстановления организма человека.
В данном вопросе есть разные точки зрения
1. Человечество не оказывает никакого воздействия на биосферу. Вулканы выбрасывают СО2 больше, чем техносфера.
2. Концентрация СО2 в атмосфере растёт вследствие влияния человека и техносферы. Но это не оказывает никакого воздействия на климат. Человек сможет нормально жить при очень высоких концентрациях углекислого газа.
3. Человек и техносфера влияют на экологическую среду на планете, вследствие чего да, растёт концентрация углекислого газа в атмосфере и происходит глобальное потепление. Но все эти изменения благоприятны! Человечество предотвратило очередной ледниковый период, а углекислый газ полезен для растений.
На самом деле, для человека, знающего экологию понятно, что «ничто не достаётся даром». И «отмена ледникового периода» является отнюдь не достижением, которым можно гордиться, а грубым вмешательством в естественные процессы. И результатом является вовсе не улучшение погоды за окном, а нарастание опасных природных явлений, как метеорологических (шквалы, бури, ураганы, торнадо и т.д.), так и гидрологических, вызванных увеличением числа осадков (подтопления, наводнения, разрушение дамб, мостов, жилых домов и т.д).
Что касается пользы СО2 для человека, а не только для растений, то нас успокаивают анестезиологи и реаниматологи: «добавление СО2 не только не ухудшает, но даже улучшает параметры вентиляции лёгких, насыщения крови кислородом и кровоснабжение мозга» Да, действительно, в связи с тем, что углекислый газ оказывает прямое непосредственное влияние на функцию дыхания, при его избытке в крови стимулируется дыхательный центр мозга. Усиливается вентиляция лёгких и улучшается кровоснабжение всего организма, в том числе — мозга.
Но это — узкоспециальная точка зрения. На какое время нужно стимулировать дыхательный центр вводя в лёгкие избыток СО2? На время реанимации, то есть 20-30 мин. Даже если на всё время длительной операции — это всё равно 5-6 часов. При концентрации СО2 свыше 1000 ppm даже кратковременное вдыхание воздуха приводит к проблемам. Тем более, проблемы создаёт длительное, в течение всей жизни, воздействие немного повышенных концентраций углекислого газа. Человек, как биологический вид, формировался в условиях, когда концентрация СО2 в воздухе никогда не превышала 310 ppm но и не снижалась меньше чем до 180 ppm, как было установлено на основе исследований пузырьков воздуха, замораживавшихся во льдах Антарктиды на протяжении более чем 400 тысяч лет.
Межправительственная группа экспертов, действующая при ООН, предложила четыре сценария дальнейшего повышения концентрации СО2 в атмосфере Земли в зависимости от дальнейших действий мирового социума. По самому оптимистичному сценарию, концентрация СО2 в атмосфере Земли достигнет 450 ppm к 2060 г. и снизится до 421 ppm к 2100 г. Наиболее пессимистичный прогноз предполагает повышение содержания диоксида углерода до 936 ppm в 2100 г., после чего рост концентрации СО2 в атмосфере продолжится с прежней скоростью. Однако, в связи с тем, что изменениям глобального климата сейчас уделяется первостепенное внимание, остаётся недооценённой проблема прямого и непосредственного влияния увеличения содержания углекислого газа в атмосфере на здоровье.
Популяционные медицинские исследования населения США, показали рост количества бикарбонатов в сыворотке крови с 23,7 ммоль/л в 2000 г. до 25,2 ммоль/л в 2012 г., что свидетельствует о компенсации лёгких форм массового ацидоза. Кроме ранее установленного факта, что компенсация ацидоза приводит к полиорганному поражению организма человека, вызываемому отложениями кальцинатов, в последнее время были выявлены и другие долгосрочные последствия воздействия на здоровье повышенного содержания углекислого газа. В исследованиях учёных приводятся данные, что даже небольшое, по сравнению с порогом острого воздействия (1000 ppm), повышение концентрации СО2 во вдыхаемом воздухе при длительном влиянии на людей способно вызывать эндокринные нарушения функции щитовидной железы, связанные со снижением содержания свободного кальция в крови, что влечёт за собой патологии внутриутробного развития плода, приводящие к выкидышам при беременности и рождению мёртвых детей.
Эти нарушения здоровья могут негативно отражаться на всей популяции Homo sapiens, так что дальнейший рост концентрации СО2 в атмосфере Земли способен поставить под вопрос выживания человечества в будущем. В результате описанных выше проблем, по данным специалиста по климатизации зданий П. Оле Фангера, уже сейчас ежедневно около 5 тысяч человек умирает от плохого качества воздуха.
Ткаченко Ю.Л., Москва.
Гошка Л.Л., Сыктывкар.
Англоязычная версия этой статьи размещена по адресу: https://k100.space/a-man-and-carbon-dioxide