Что такое со2 в биологии

CO₂ и растения

Евгений Лысенко,
канд. биол. наук, ст. науч. сотр. Института физиологии растений им. К. А. Тимирязева РАН
«Троицкий вариант» №14(233), 18 июля 2017 года

В школе нас учат, что растения используют энергию солнечного света, чтобы из CO₂ и воды синтезировать глюкозу. В университете добавляют, что солнечный свет запускает одну фазу (так называемую световую), а синтез глюкозы из CO₂ и воды происходит в другой фазе (так называемой темновой). И это действительно разные фазы: один процесс протекает в мембранах, а другой в клеточном матриксе, в водной фазе. Гены хлоропластов в основном кодируют белки световой фазы фотосинтеза, прямого отношения к реакциям с CO₂ они не имеют, поэтому дальше мы о них говорить не будем. В хлоропластах цветковых растений лишь один ген (rbcL) кодирует фермент, который участвует в темновой фазе, в фиксации CO₂, в цикле Кальвина. Но это самый важный фермент — к органической молекуле (рибулозо-1,5-бисфосфату) и запускает весь цикл Кальвина. Фермент этот (рубиско, RuBisCO) работает крайне медленно, лимитирует работу всей системы фиксации CO₂, растения вынуждены нарабатывать его в огромных количествах. Отчего же так?

В приведенных автором цитатах из текста Юлии Латыниной первая — «чем больше CO₂ будет в воздухе, тем зеленее и сочнее будет наша планета» — действительно вызывает улыбку. Фотосинтез — очень эффективный процесс, и механизмы внутриклеточного концентрирования CO₂ работают надежно. Рост растений — для того, чтобы планета стала зеленее, — ограничивает не фотосинтез, а совсем другие факторы, в том числе хозяйственная деятельность человечества. А вот фраза «Никакого от него, CO₂, вреда, окромя пользы» выглядит весьма правдоподобно. Во всяком случае, если мы ограничимся воздействием этого газа на один (любой) вид растений. Как усиленное поглощение CO₂ влияет на конкуренцию между разными видами растений, может ли это приводить к вытеснению одних видов другими, к падению видового разнообразия — в этом я не разбираюсь. И с интересом познакомлюсь с примерами, если мне их покажут. Я слышал о таких примерах в области минерального (азотного) питания, но по отношению к CO₂ мне это пока кажется удивительным.

Поэтому задам вопрос. В статье Ирины Делюсиной содержится явный намек на то, что увеличение содержания CO₂ в воздухе будет вредно (токсично?) для растений. Прошу объяснить, как и в чем это будет выражаться. Конечно, в результате увеличения содержания CO₂ в воздухе может нарастать температура, может меняться климат, и уже это может наносить вред растениям. Как исследователь я как раз изучаю влияние повышения температуры на хлоропласты. Но это разные вопросы, и давайте не будем их смешивать.

P. S. Я не являюсь специалистом по темновой стадии фотосинтеза (циклу Кальвина и прочим процессам, связанным с фиксацией СО₂). Однако в российском «растеническом» научном сообществе осталось немного хороших исследователей световой фазы фотосинтеза и практически не осталось таковых для темновой фазы. Не модно. Поэтому я позволил себе изложить свое понимание этой ситуации и задать вопрос.

Источник

Что такое CO2

Что такое CO2

Что такое диоксид углерода

Диоксид углерода известен в основном в своем газообразном состоянии, т.е. в качестве углекислого газа с простой химической формулой CO2. В таком виде он существует в нормальных условиях – при атмосферном давлении и «обычных» температурах. Но при повышенном давлении, свыше 5 850 кПа (таково, например, давление на морской глубине около 600 м), этот газ превращается в жидкость. А при сильном охлаждении (минус 78,5°С) он кристаллизуется и становится так называемым сухим льдом, который широко используется в торговле для хранения замороженных продуктов в рефрижераторах.

Жидкая углекислота и сухой лед получаются и применяются в человеческой деятельности, но эти формы неустойчивы и легко распадаются.

А вот газообразный диоксид углерода распространен повсюду: он выделяется в процессе дыхания животных и растений и является важной составляющей частью химического состава атмосферы и океана.

Свойства углекислого газа

Углекислый газ CO2 не имеет цвета и запаха. В обычных условиях он не имеет и вкуса. Однако при вдыхании высоких концентраций диоксида углерода можно почувствовать во рту кисловатый привкус, вызванный тем, что углекислый газ растворяется на слизистых и в слюне, образуя слабый раствор угольной кислоты.

Кстати, именно способность диоксида углерода растворяться в воде используется для изготовления газированных вод. Пузырьки лимонада – тот самый углекислый газ. Первый аппарат для насыщения воды CO2 был изобретен еще в 1770 г., а уже в 1783 г. предприимчивый швейцарец Якоб Швепп начал промышленное производство газировки (торговая марка Schweppes существует до сих пор).

Углекислый газ тяжелее воздуха в 1,5 раза, поэтому имеет тенденцию «оседать» в его нижних слоях, если помещение плохо вентилируется. Известен эффект «собачьей пещеры», где CO2 выделяется прямо из земли и накапливается на высоте около полуметра. Взрослый человек, попадая в такую пещеру, на высоте своего роста не ощущает избытка углекислого газа, а вот собаки оказываются прямо в густом слое диоксида углерода и подвергаются отравлению.

CO2 не поддерживает горение, поэтому его используют в огнетушителях и системах пожаротушения. Фокус с тушением горящей свечки содержимым якобы пустого стакана (а на самом деле — углекислым газом) основан именно на этом свойстве диоксида углерода.

Углекислый газ в природе: естественные источники

Углекислый газ в природе образуется из различных источников:

Углекислый газ «хранится» в природе в виде углеродных соединений в полезных ископаемых: угле, нефти, торфе, известняке. Гигантские запасы CO2 содержатся в растворенном виде в мировом океане.

Выброс углекислого газа из открытого водоема может привести к лимнологической катастрофе, как это случалось, например, в 1984 и 1986 гг. в озерах Манун и Ньос в Камеруне. Оба озера образовались на месте вулканических кратеров – ныне они потухли, однако в глубине вулканическая магма все еще выделяет углекислый газ, который поднимается к водам озер и растворяется в них. В результате ряда климатических и геологических процессов концентрация углекислоты в водах превысила критическое значение. В атмосферу было выброшено огромное количество углекислого газа, который наподобие лавины спустился по горным склонам. Жертвами лимнологических катастроф на камерунских озерах стали около 1 800 человек.

Искусственные источники углекислого газа

Основными антропогенными источниками диоксида углерода являются:

Несмотря на то, что доля экологичного транспорта в мире растет, подавляющая часть населения планеты еще не скоро будет иметь возможность (или желание) перейти на новые автомобили.

Активное сведение лесов в промышленных целях также ведет к повышению концентрации углекислого газа СО2 в воздухе.

Углекислый газ в организме человека

CO2 – один из конечных продуктов метаболизма (расщепления глюкозы и жиров). Он выделяется в тканях и переносится при помощи гемоглобина к легким, через которые выдыхается. В выдыхаемом человеком воздухе около 4,5% диоксида углерода (45 000 ppm) – в 60-110 раз больше, чем во вдыхаемом.

Углекислый газ играет большую роль в регуляции кровоснабжения и дыхания. Повышение уровня CO2 в крови приводит к тому, что капилляры расширяются, пропуская большее количество крови, которое доставляет к тканям кислород и выводит углекислоту.

Дыхательная система тоже стимулируется повышением содержания углекислого газа, а не нехваткой кислорода, как может показаться. В действительности нехватка кислорода долго не ощущается организмом и вполне возможна ситуация, когда в разреженном воздухе человек потеряет сознание раньше, чем почувствует нехватку воздуха. Стимулирующее свойство CO2 используется в аппаратах искусственного дыхания: там углекислый газ подмешивается к кислороду, чтобы «запустить» дыхательную систему.

Углекислый газ и мы: чем опасен СO2

Углекислый газ необходим человеческому организму так же, как кислород. Но так же, как с кислородом, переизбыток углекислого газа вредит нашему самочувствию.

Большая концентрация CO2 в воздухе приводит к интоксикации организма и вызывает состояние гиперкапнии. При гиперкапнии человек испытывает трудности с дыханием, тошноту, головную боль и может даже потерять сознание. Если содержание углекислого газа не снижается, то далее наступает черед гипоксии – кислородного голодания. Дело в том, что и углекислый газ, и кислород перемещаются по организму на одном и том же «транспорте» – гемоглобине. В норме они «путешествуют» вместе, прикрепляясь к разным местам молекулы гемоглобина. Однако повышенная концентрация углекислого газа в крови понижает способность кислорода связываться с гемоглобином. Количество кислорода в крови уменьшается и наступает гипоксия.

Такие нездоровые для организма последствия наступают при вдыхании воздуха с содержанием CO2 больше 5 000 ppm (таким может быть воздух в шахтах, например). Справедливости ради, в обычной жизни мы практически не сталкиваемся с таким воздухом. Однако и намного меньшая концентрация диоксида углерода отражается на здоровье не лучшим образом.

Согласно выводам некоторых исследований, уже 1 000 ppm CO2 вызывает у половины испытуемых утомление и головную боль. Духоту и дискомфорт многие люди начинают ощущать еще раньше. При дальнейшем повышении концентрации углекислого газа до 1 500 – 2 500 ppm критически снижается работоспособность, мозг «ленится» проявлять инициативу, обрабатывать информацию и принимать решения.

И если уровень 5 000 ppm почти невозможен в повседневной жизни, то 1 000 и даже 2 500 ppm легко могут быть частью реальности современного человека. Наш эксперимент в школе показал, что в редко проветриваемых школьных классах уровень CO2 значительную часть времени держится на отметке выше 1 500 ppm, а иногда подскакивает выше 2 000 ppm. Есть все основания предполагать, что во многих офисах и даже квартирах ситуация похожая.

Безопасным для самочувствия человека уровнем углекислого газа физиологи считают 800 ppm.

Еще одно исследование обнаружило связь между уровнем CO2 и окислительным стрессом: чем выше уровень диоксида углерода, тем больше мы страдаем от окислительного стресса, который разрушает клетки нашего организма.

Источник

CO2 в теплице и гроубоксе или преимущество использования CO2 для растений

Всем еще с уроков биологии известно, как происходят процессы дыхания у растений. Человеческий организм устроен иначе, поэтому мы и прекрасно сосуществуем на нашей планете, зависят друг от друга.

Углекислый газ – это диоксид углерода, который в химии представлен формулой CO2. Это газ без запаха и цвета, незначительный процент которого содержится в воздухе. Именно он является источником чистого углерода для растений, который лежит в основе всех их процессов жизнедеятельности. СО2 играет очень важную роль в процессе фотосинтеза, давая возможность растительному организму производить энергию, необходимую для роста и развития. Без углекислого газа растения попросту погибнут, как человек без кислорода.

Влияние углекислого газа на урожайность

Если растениевод при выращивании растений использует умеренное по мощности освещение растений, то он может не беспокоиться, что его питомцам не хватит углекислого газа, содержащегося в воздухе. СО2 при установке мощных источников света будет недостаточно, чтобы культуры могли полностью поглотить и использовать получаемую световую энергию.

Давая растениям дополнительное количество углекислого газа совместно с мощным освещением, садовод помогает им поглощать больше света, что положительно сказывается на проведении процесса фотосинтеза. В результате они начинают быстрее расти, формировать более пышные соцветия и сочные плоды, которые содержат в себе значительно большее количество вкусоароматических веществ. В результате растениевод получает урожай не только немного раньше, но и в значительно большем количестве. Соцветия и плоды вырастают более сочными и объемными, что говорит об улучшении их качества.

Еще одна положительная сторона использования СО2 в теплицах и гроубоксах – представители флоры становятся более устойчивыми к повышенным температурам и световым ожогам. Они могут отлично себя чувствовать при показателях термометра в 30-35 градусов.

Как повысить концентрацию СО2?

Открытый грунт

Повысить уровень концентрации углекислого газа в воздухе в открытом грунте не так-то просто. Из-за свободного движения воздушных масс он быстро улетучивается с места высадки. Даже для незначительного поднятия процента его содержания садоводам потребуется большое количество газа и энергии, что станет попросту неоправданным. Его положительное влияние попросту сведется на нет. Однако есть все же один способ. Он подразумевает внесение в грунт органических удобрений, которые в процессе разложения выделяют углекислый газ. Это продолжается достаточно долго, что позволяет насытить приближенные к растениям слои воздуха СО2.

Закрытый грунт

В закрытом грунте дела обстоят совершенно иначе. Благодаря тому, что растения выращиваются в закрытом пространстве, повысить концентрацию углекислого газа в них достаточно просто. Сразу хотелось бы уточнить, что ценовая политика всех наиболее распространенных способов довольно широка, поэтому каждый гровер должен в первую очередь ориентироваться на свой кошелек. Также все будет зависеть от площади культивации и количества растущих культур.

Повысить уровень СО2 в теплице или гроубоксе можно следующими способами:

Представляет собой специальное устройство, которое образовывает СО2 путем сжигания пропана и этилового спирта. Контроль над его работой осуществляется с помощью автоматики, представленной датчиком измерения концентрации углекислого газа. С его помощью можно легко поддерживать необходимый уровень СО2 в закрытом пространстве. Генератор больше подходит для больших теплиц, поскольку требует существенных финансовых вложений, часть из которых пойдет на дополнительное обустройство самого помещения, ведь должны быть соблюдены все меры безопасности. Также стоит отметить, что генератор повышает уровень влажности и температуры в замкнутом пространстве. Поэтому лучше всего устанавливать его за пределами теплицы;

Это наиболее приемлемый способ насыщения теплиц и больших гроуромов СО2, однако цена на него все же является высокой для любительского садоводства. Только при солидных посевных площадях он полностью себя оправдывает. Садовод просто ставит баллон с газом в боксе или теплице, и откручивает кран, чтобы СО2 выходил наружу. Минус способа заключается в том, что без датчика концентрации углекислого газа гровер может легко перенасытить им замкнутое пространство, что отрицательно отразится на растительных культурах. Еще одни немаловажный фактор – баллон является взрывоопасным;

Больше подходит для насыщения углекислым газом небольших гроубоксов, поскольку в процессе вырабатывается малое количество СО2, которого хватит только для небольшого количества растений. В боксе размещаются специальные вещества, после чего активируется их процесс брожения, побочным продуктом которого является углекислый газ. Из недостатков ферментации стоит отметить тот факт, что растениевод должен уметь проводить и контролировать этот процесс. Также в брожения выделяется неприятный запах и это может привлечь насекомых;

Наиболее популярный среди гроверов способ, который не требует специальных знаний и умений. На рынке прогрессивного растениеводства востребован препарат СО2 Bottle. По сути – это обычная бутыль с сухим веществом органического происхождения внутри, которое при контакте с теплой водой начинает выделять углекислый газ. Большой плюс в том, что такого количества вполне достаточно для насыщения гроубокса. Препарат очень прост в использовании. После добавления воды садоводу нужно убрать специальный стикер, закрывающий выходное отверстие, и встряхнуть бутылку. Бутыль необходимо встряхивать один раз каждые два дня. Всего ее хватает на 3-4 недели, по окончанию ее можно легко наполнить новой порцией с помощью пакета для заправки СО2 Bottle. Данный способ обогащения гроубокса углекислым газом стал наиболее востребованным среди канадских и европейских гроверов благодаря своей простоте и дешевизне;

Обогатить воздух в теплице СО2 можно с помощью компостирования, однако этот метод приносит скорее больше хлопот, чем пользы. С самодельным компостом всегда трудно работать, а его результат неоднозначен – никогда не знаешь, сколько углекислого газа вырабатывается. Готовые СО2 бустеры можно приобрести на рынке, но они стоят недешево и вырабатывают слишком большое количество углекислого газа для домашней оранжереи. Также во время компостирования всегда возникает неприятный запах, а сам процесс является гигиеничным;

Представляет собой холодный твердый СО2, в процессе нагревания которого углекислый газ попадает в воздух. Он хорошо проявляет себя, если необходимо резко повысить концентрацию СО2 в закрытом помещении. При постоянном использовании является затратным и долгим способом, который также небезопасен для человека. Пополнять запасы льда придется каждый день, а уровень выделения углекислого газа довольно трудно контролировать.

Какое количество СО2 подавать растениям и в какое время?

Сотни тысяч лет назад концентрация углекислого газа в атмосфере нашей планеты была намного больше, чем сегодня. Поскольку в процессе эволюции растения приспособились к данным условиям, они способны поглощать существенно больше СО2, чем его сегодня находится в воздухе. По заверениям ученых, они могут эффективно использовать до 1500 ppm газа. А поскольку в атмосфере его концентрация сегодня достигает всего лишь 400 ppm, то эффект от повышения его дозировки весьма ощутим. Растения смогут производить гораздо больше энергии в процессе фотосинтеза, что положительно отразится на их росте и производительности – это факт.

Однако стоит понимать, что в первую очередь на эффективность процесса фотосинтеза влияет именно мощность света. Дело в том, что при низкой концентрации СО2 растительные культуры способны перерабатывать не всю поступающую им световую энергию. Поэтому, если Вы решили повысить контракцию углекислого газа в теплице или гроубоксе, то непременно стоит позаботиться о мощном освещении.

Опытные гроверы советуют поддерживать концентрацию углекислого газа в закрытом грунте на уровне в 1200-1500 ррm. Такой показатель является наиболее оптимальным. Однако он актуален только при использовании ДНаТ или LED светильников мощностью не менее 600 Вт на площади культивации в 1 м2. При меньшей освещенности его следует снизить. Также растениеводу следует понимать, что в ночное время, когда растение отдыхает, оно не поглощает углекислый газ. Это значит, что при выключенном свете нужда в его поступлении отпадает. Всегда следует отключать «обогатитель» СО2 на ночь.

Профессионалы рекомендуют обогащать гроубокс СО2 в следующих случаях:

Такой режим поможет гроверу сэкономить ресурс преобразователя СО2 и не повлияет на эффективность использования.

Источник

Воздействие углекислого газа на организм человека, участие в процессах жизнедеятельности

Вступление

Из курса биологии (анатомии) школьной программы известно, что наш организм дышит кислородом (O₂). Однако на уроках не рассматривается вопрос о том, какое значение имеет углекислый газ в крови для нашего здоровья? Многие не знают, что CO₂ влияет на здоровье всех органов человека и регулирует биохимические процессы, протекающие в организме.

Дыхание

При изучении дыхания и образования диоксида углерода в теле человека иногда путают углекислый и угарный газы между собой. Угарный газ имеет химическую формулу CO и совершенно другие свойства.

Оксид углерода (CO), это ядовитое вещество, которое при попадании через легкие в кровь даже в минимальном количестве опасно для жизни и здоровья.

Дыхание происходит следующим образом — человек сначала выдыхает углекислоту, а потом вдыхает кислород:

Доказанным фактом считается то, что углекислота, это основатель дыхательных процессов, а не кислород, как считалось ранее. Двуокись углерода является необходимым газом для дыхания человека наравне с O₂.

При выдохе человек выдыхает не только CO₂, из легких уходит также избыточный O₂. Рефлекс дыхания разделяется в 2 этапа:

Нормальный здоровый человек дышит ровно и регулярно. Учащенное дыхание или с задержкой, если это не вызвано большими физическими или психологическими нагрузками, считается сигналом о серьезных заболеваниях организма.

Транспорт кровью и связь с кислородом.

Существует два круга кровообращения в организме: большой артериальный и малый венозный. По большому кругу транспортируется артериальная кровь, насыщенная кислородом. По малому кругу движется венозная кровь, насыщенная CO₂.

Раньше существовало мнение, что с выдохом углекислый газ в организме человека не остается. Однако как показывают исследования, в артериальной крови всегда присутствует определенное количество углекислоты. Концентрация ее небольшая, в пределах 6,0-7,0%, но если она превышает или наоборот, меньше этого количества, то для организма это плохо. Появляется либо переизбыток O₂ в крови (Гипероксия), либо его недостаток (Гипоксемия). Это происходит потому, что обмен этими газами взаимосвязан. Чтобы эритроцит мог поглотить молекулу кислорода и связать ее с гемоглобином, он должен удалить в атмосферу молекулу диоксида углерода.

При физических нагрузках обменные процессы в клетках ускоряются, чтобы вывести большее количество углекислоты, человеку необходимо чаще и глубже дышать. Процесс происходит рефлекторно. В таких случаях опасно находится в помещении с высокой концентрацией CO₂, так как вместе с O₂ человек вдыхает двуокись углерода. Это приводит к повышению ее концентрации в крови, а дальше к приступам удушья. Появляются головокружение, тошнота, вялость, учащается сердцебиение и дыхание (Гиперкапния).

Изучая процессы дыхания и газообмена в организме человека, ученые пришли к выводу, что опасен для здоровья не столько недостаток кислорода, сколько избыток диоксида углерода в воздухе.

Газ CO₂ не является сильнодействующим отравляющим веществом, но так как гемоглобин занятый углекислым газом не принимает кислород, то происходит эффект удушения, вплоть до летального исхода.

Высокая концентрация этого вещества в крови приводит к гибели эритроцитов и воспалению стенок кровеносных сосудов. Так происходит если наличие углекислого газа в воздухе более 3 %. При таком уровне человек чувствует себя слабым, его тянет на сон. При концентрации 5% проявляется удушающий эффект, головные боли, головокружение.

Желудочно-кишечный тракт

Углекислый газ в организм попадает не только при дыхании, но и вместе с пищей. Углерод содержится практически во всех органических веществах, наибольшая концентрация содержится в продуктах растительного происхождения. Больше всего его образуется при расщеплении легкоусвояемых углеводов.

Углекислота влияет на химический состав жидкости в теле человека, хотя и не так значительно, но при сильном понижении или превышении может оказывать губительное воздействие. В организме почти все процессы жизнедеятельности клеток происходят при определенном уровне кислотно-щелочного баланса, который скорее близок к нейтральной воде, чем к кислоте. Наличие повышенной концентрации CO₂ в употребляемых продуктах сильно меняет состав жидкости в теле человека. Это также влияет на протекание биохимических процессов. Происходит нарушение обмена веществ, гибель клеток или неправильный процесс их деления, что очень опасно.

Поэтому продукты, содержащие CO₂ в свободном состоянии (газировка) во многих странах запрещены к продаже.

Наибольший вред они наносят организму:

Во многих западных странах принят закон, в соответствии с которым наличие углекислого газа в продуктах не должно превышать 0,4%. Исключение дается только простой минеральной воде с газом, но только в том случае, если она содержит незначительное количество диоксида углерода. Но и это допустимо только по разрешению или рекомендации врача, особенно при болезнях желудка.

Красота и здоровье

Однако CO₂ имеет и положительно действие на организм человека. Так диоксид углерода является очень мощным обеззараживающим средством. Его используют в медицине и косметологии. Применяют углекислый газ совместно с другими компонентами, наружно, а также производят инъекции (Карбокси-терапия). Крем или гель, содержащий углекислоту, хорошо обеззараживает и очищает кожу, а непосредственное введение его во внутренние ткани тела помогает бороться с целлюлитом.

Вдыхание воздуха с высоким содержанием углекислоты в определенных пределах или задержка дыхания также приводят к омоложению и задержке процесса старения на клеточном уровне. Увеличенное содержание CO₂ в артериальной крови способствует расширению сосудов и как следствие наилучшему и полному снабжению клеток организма кислородом.

Заключение

Очень жаль, что система образования в наших странах не уделяет столь важного внимания для пересмотра учебников в школах и институтах. Полученные знания об углекислоте необходимо доводить со школьной скамьи до учащихся образовательных учреждений. Знания многих процессов, протекающих в организме с участием диоксида углерода, могли бы научить нас правильному питанию и ведению здорового образа жизни. Продление жизни нашего организма тесно связано с наличием углекислого газа в нем, поэтому применяя на практике полученные знания, мы бы могли обеспечить себе здоровую и долгую жизнь.

Источник