בניגוד לכוכבי הלכת החמים והקרים של מערכת השמש שלנו, לכדור הארץ יש תנאים המאפשרים חיים בצורה כלשהי. אחד התנאים העיקריים הוא הרכב האטמוספירה, המאפשר לכל היצורים החיים לנשום בחופשיות ומגן מפני הקרינה הקטלנית השולטת בחלל.
ממה עשויה האווירה
אטמוספירה של כדור הארץ מורכבת מגזים רבים. זה בעיקר חנקן, שתופס 77%. גז, שבלעדיו אין להעלות על הדעת חיים על פני כדור הארץ, תופס נפח קטן בהרבה, תכולת החמצן באוויר היא 21% מהנפח הכולל של האטמוספירה. 2% האחרונים הם תערובת של גזים שונים, כולל ארגון, פחמן דו חמצני, הליום, ניאון, קריפטון ואחרים.
אטמוספירת כדור הארץ מתנשאת לגובה של 8,000 ק"מ. אוויר לנשימה נמצא רק בשכבה התחתונה של האטמוספירה.הטרופוספירה, מגיעה לקטבים - 8 ק"מ, למעלה, ומעל קו המשווה - 16 ק"מ. ככל שגובה הגובה עולה, האוויר נהיה דליל יותר וככל שהחמצן מתרוקן יותר. כדי לשקול מהי תכולת החמצן באוויר בגבהים שונים, ניתן דוגמה. בשיא האוורסט (גובה 8848 מ'), האוויר מחזיק את הגז הזה פי 3 פחות ממעל פני הים. לכן, כובשי פסגות הרים גבוהות - מטפסים - יכולים לטפס לפסגה רק במסכות חמצן.
חמצן הוא התנאי העיקרי להישרדות על הפלנטה
בתחילת קיומו של כדור הארץ, לאוויר שהקיף אותו לא היה הגז הזה בהרכבו. זה היה די מתאים לחייהם של המולקולות הפשוטות ביותר - חד-תאיות שצפו באוקיינוס. הם לא היו צריכים חמצן. התהליך החל לפני כ-2 מיליון שנה, כאשר האורגניזמים החיים הראשונים, כתוצאה מתגובת הפוטוסינתזה, החלו לשחרר מנות קטנות של גז זה שהתקבלו כתוצאה מתגובות כימיות, תחילה לאוקיינוס, ולאחר מכן לאטמוספירה. החיים התפתחו על הפלנטה ולבשו מגוון צורות, שרובן לא שרדו עד ימינו. חלק מהאורגניזמים הסתגלו בסופו של דבר לחיים עם הגז החדש.
הם למדו איך להשתמש בכוח שלו בבטחה בתוך התא, שם הוא פעל כתחנת כוח, כדי להפיק אנרגיה ממזון. דרך זו של שימוש בחמצן נקראת נשימה, ואנחנו עושים אותה כל שנייה. הנשימה היא שאפשרה עודאורגניזמים ואנשים מורכבים. במשך מיליוני שנים, תכולת החמצן באוויר זינקה לרמתה הנוכחית של כ-21%. הצטברות גז זה באטמוספירה תרמה ליצירת שכבת האוזון בגובה של 8–30 ק מ מפני כדור הארץ. במקביל, כדור הארץ קיבל הגנה מפני ההשפעות המזיקות של קרניים אולטרה סגולות. האבולוציה הנוספת של צורות חיים במים וביבשה גדלה במהירות כתוצאה מהפוטוסינתזה מוגברת.
חיים אנאירוביים
למרות שחלק מהאורגניזמים הסתגלו לרמות העולה של הגז המשתחרר, רבות מצורות החיים הפשוטות ביותר שהיו קיימות על פני כדור הארץ נעלמו. אורגניזמים אחרים שרדו על ידי הסתתרות מחמצן. חלקם חיים היום בשורשי הקטניות, תוך שימוש בחנקן מהאוויר לבניית חומצות אמינו לצמחים. האורגניזם הקטלני בוטוליזם הוא עוד "פליט" מחמצן. הוא שורד בשקט בחבילות ואקום עם שימורים.
מהי רמת החמצן האופטימלית לכל החיים
תינוקות שנולדו בטרם עת, שריאותיהם עדיין לא נפתחות לגמרי לנשימה, נופלים לחממות מיוחדות. בהם תכולת החמצן באוויר גבוהה יותר בנפח, ובמקום 21% הרגילים נקבעת כאן רמתו של 30-40%. פעוטות עם בעיות נשימה קשות מוקפים באוויר עם רמות חמצן של 100% למניעת פגיעה במוחו של הילד. הימצאות בנסיבות כאלה משפרת את משטר החמצן של רקמות הנמצאות במצב של היפוקסיה, ומנרמלת את הפונקציות החיוניות שלהן. אבליותר מדי ממנו באוויר מסוכן בדיוק כמו מעט מדי. יותר מדי חמצן בדם של ילד עלול לפגוע בכלי הדם בעיניים ולגרום לאובדן ראייה. זה מראה את הדואליות של תכונות הגז. עלינו לנשום אותו כדי לחיות, אבל העודף שלו יכול לפעמים להפוך לרעל לגוף.
תהליך חמצון
כאשר חמצן מתחבר עם מימן או פחמן, מתרחשת תגובה הנקראת חמצון. תהליך זה גורם להתפרקות המולקולות האורגניות שהן בסיס החיים. בגוף האדם, החמצון מתרחש באופן הבא. תאי דם אדומים אוספים חמצן מהריאות ונושאים אותו בכל הגוף. יש תהליך של הרס של מולקולות המזון שאנו אוכלים. תהליך זה משחרר אנרגיה, מים ופחמן דו חמצני. זה האחרון מופרש על ידי תאי הדם בחזרה לריאות, ואנחנו נושפים אותו לאוויר. אדם עלול להיחנק אם נמנע ממנו לנשום במשך יותר מ-5 דקות.
נשימה
שקול את תכולת החמצן באוויר הנשאף. אוויר אטמוספרי שנכנס לריאות מבחוץ בשאיפה נקרא שאיפה, והאוויר היוצא דרך מערכת הנשימה בנשיפה נקרא נשיפה.
זו תערובת של אוויר שמילאה את המכתשים במה שנמצא בדרכי הנשימה. ההרכב הכימי של האוויר שאדם בריא שואף ונושף בתנאים טבעיים הוא מעשימשתנה ומתבטא במספרים כמו זה.
תוכן גז (ב-%)
| - | Oxygen | פחמן דו-חמצני | חנקן וגזים אחרים |
| אוויר בשאיפה | 20, 94 | 0, 03 | 79, 03 |
| אוויר נשוף | 16, 3 | 4, 0 | 79, 7 |
| אוויר אלוואולרי | 14, 2 | 5, 2 | 80, 6 |
חמצן הוא המרכיב העיקרי באוויר לכל החיים. השינויים בכמות הגז הזה באטמוספירה הם קטנים. אם הים מכיל עד 20.99% חמצן באוויר, הרי שגם באוויר המזוהם מאוד של ערי תעשייה, רמתו אינה יורדת מתחת ל-20.5%. שינויים כאלה אינם חושפים השפעות על גוף האדם. הפרעות פיזיולוגיות מופיעות כאשר אחוז החמצן באוויר יורד ל-16-17%. יחד עם זאת, קיים מחסור ברור בחמצן, המוביל לירידה חדה בפעילות החיונית, ועם תכולת חמצן של 7-8% באוויר, ייתכן מוות.
אווירה בתקופות שונות
הרכב האטמוספירה תמיד השפיע על האבולוציה. בזמנים גיאולוגיים שונים, עקב אסונות טבע, נצפו עליות או ירידות ברמת החמצן, והדבר גרם לשינוי בביו-סיסטם. לפני כ-300 מיליון שנים, תוכנו באטמוספירהעלה ל-35%, בעוד שהכוכב היה מיושב בחרקים בגודל עצום. ההכחדה הגדולה ביותר של יצורים חיים בהיסטוריה של כדור הארץ התרחשה לפני כ-250 מיליון שנה. במהלכו מתו יותר מ-90% מתושבי האוקיינוס ו-75% מתושבי הארץ. גרסה אחת של ההכחדה ההמונית אומרת שתכולת החמצן הנמוכה באוויר הייתה האשמה. כמות הגז הזה ירדה ל-12% והוא נמצא באטמוספרה התחתונה עד לגובה של 5300 מטר. בעידן שלנו, תכולת החמצן באוויר האטמוספרי מגיעה ל-20.9%, שזה נמוך ב-0.7% מלפני 800 אלף שנה. נתונים אלה מאושרים על ידי מדענים מאוניברסיטת פרינסטון שבחנו דגימות של הקרח של גרינלנד ושל האוקיינוס האטלנטי שנוצרו באותה תקופה. המים הקפואים הצילו את בועות האוויר, ועובדה זו עוזרת לחשב את רמת החמצן באטמוספירה.
למה הרמה שלו באוויר מצייתת
קליטה פעילה שלו מהאטמוספרה עלולה להיגרם מתנועת קרחונים. כשהם מתרחקים, הם חושפים אזורים עצומים של שכבות אורגניות הצורכות חמצן. סיבה נוספת עשויה להיות התקררות מי האוקיינוסים: החיידקים שלו סופגים חמצן בצורה פעילה יותר בטמפרטורות נמוכות. החוקרים טוענים כי לקפיצת המדרגה התעשייתית ואיתה שריפת כמות דלק אדירה אין השפעה מיוחדת. האוקיינוסים בעולם מתקררים כבר 15 מיליון שנה, וכמות החומר החיוני באטמוספירה ירדה ללא קשר להשפעה של האדם. סביר להניח שכמה תהליכים טבעיים מתרחשים על פני כדור הארץ, המובילים לעובדה שצריכת החמצןהופך גבוה מהייצור שלו.
השפעה אנושית על הרכב האווירה
בואו נדבר על ההשפעה האנושית על הרכב האוויר. הרמה שיש לנו היום היא אידיאלית עבור יצורים חיים, תכולת החמצן באוויר היא 21%. האיזון שלו ושל גזים אחרים נקבע על פי מחזור החיים בטבע: בעלי חיים נושפים פחמן דו חמצני, צמחים משתמשים בו ומשחררים חמצן.
אבל אין ערובה שרמה זו תמיד תהיה קבועה. כמות הפחמן הדו חמצני המשתחררת לאטמוספירה הולכת וגדלה. זה נובע מהשימוש בדלק על ידי האנושות. וזה, כידוע, נוצר ממאובנים ממקור אורגני ופחמן דו חמצני נכנס לאוויר. בינתיים, הצמחים הגדולים ביותר על הפלנטה שלנו, עצים, נהרסים בקצב הולך וגובר. קילומטרים של יער נעלמים תוך דקה. המשמעות היא שחלק מהחמצן באוויר יורד בהדרגה ומדענים כבר משמיעים אזעקה. האטמוספרה של כדור הארץ אינה מזווה בלתי מוגבל וחמצן אינו נכנס אליה מבחוץ. זה פותח כל הזמן יחד עם התפתחות כדור הארץ. יש לזכור כל הזמן שגז זה מופק על ידי צמחייה בתהליך הפוטוסינתזה עקב צריכת פחמן דו חמצני. וכל הפחתה משמעותית בצמחייה בצורה של כריתת יערות מפחיתה בהכרח את חדירת החמצן לאטמוספירה, ובכך מפרה את שיווי המשקל שלה.
