Scientia

O persoană normală poate rezista fără mâncare zeci de zile; chiar şi fără apă rezistă câteva zile. Fără oxigen, moare însă în câteva minute. Care sunt limitele organismului în funcţie de cantitatea de oxigen pe care o respiră? Ce se întâmplă pe munte? Dar în avion?

credit: http://www.patagonicas.com

Dacă am fi transportaţi dintr-o dată de la nivelul mării pe Everest, ne-am pierde cunoştinţa în câteva minute şi viaţa ne-ar fi în pericol. Din cauza frigului, dar mai ales din cauza trecerii bruşte la un mediu mult mai sărac în oxigen.

Oxigenul este fundamental pentru reacţiile chimice care au loc în interiorul celulelor din organism. Care sunt însă limitele organismului în funcţie de cantitatea de oxigen pe care o poate respira? Cum se comportă acesta la altitudini din ce în ce mai mari?

Ce se întâmplă când urcăm pe un munte sau când zburăm cu avionul? Vom vedea în articolul de faţă, pe scurt, cum variază cantitatea de oxigen în funcţie de altitudine, care sunt limitele organismului uman şi ce soluţii au fost adoptate pentru a se reuşi depăşirea acestor limite naturale.

Cucerirea Everestului fără oxigen

Cu cei 8848 metri ai săi, muntele Everest este cel mai înalt din lume. Dacă am fi transportaţi dintr-o dată de la nivelul mării pe Everest, ne-am pierde cunoştinţa în câteva minute şi viaţa ne-ar fi pusă în pericol. De ce una ca asta? Din cauza frigului, pe de o parte, dar şi mai important, din cauza lipsei oxigenului.

Everestul văzut din Kala Patthar, Nepal
credit: Wikimedia Commons

La înălţimea Everestului, cantitatea de oxigen din aer este de circa trei ori mai mică decât cea de la nivelul mării! Puţini sunt cei care, cu antrenament dar şi cu o bază biologică norocoasă, au reuşit să escaladeze Everestul fără oxigen. Primii care au făcut-o sunt Peter Habeler şi Reinhold Messner în 1978. Mulţi alţii şi-au pierdut viaţa în încercarea de a ajunge în vârf fără oxigen.

Avioanele însă zboară la înălţimi de circa 10.000 metri – cum de reuşesc? Ce se întâmplă în cabina unui avion?


Oxigenul – acest gaz fundamental pentru procesele biologice

Oxigenul are un rol determinant în procesele biologice din interiorul celulelor. A fost descoperit în secolul al 18-lea de către Carl Whilhelm Scheere şi Joseph Presley. Numele i-a fost dat în 1777 de către Lavoisier şi provine din limba greacă (oxys+genes: producătorul de acid, deoarece se credea că oxigenul are un rol fundamental în formarea acizilor). O persoană normală respiră cam de 20.000 de ori într-o zi! Iar într-o viaţă de sute de milioane de ori.

Aerul normal, cel pe care-l respirăm, conţine o cantitate de oxigen de circa 21% (deci cam a cincea parte), restul fiind compus din azot (marea parte) şi alte gaze. Cantitatea de oxigen pe care o putem respira depinde de altitudine şi este măsurată de presiunea atmosferică. Presiunea atmosferică este o măsură a greutăţii coloanei de aer pe unitatea de suprafaţă, măsurată la o anumită înălţime. Cu cât suntem mai sus în atmosferă, cu atât presiunea atmosferică este mai mică şi, implicit, cantitatea de oxigen scade.

Astfel, la o înălţime de circa 5.000 de metri, unde se situează cele mai înalte aşezări umane (munţii Himalaya şi Anzi) cantitatea de oxigen este de circa jumătate din cea pe care o respirăm la nivelul mării. Cei ce locuiesc acolo s-au adaptat acestor condiţii, spre deosebire de cei care merg în excursii şi de multe ori riscă accidente vasculare sau chiar pierderea vieţii.

Pe Everest, cantitatea de oxigen este de o treime faţă de cea la nivelul mării (nivel aproximativ), la cota de zbor a unui avion circa o pătrime, iar la cea a unui zbor cu Concorde (care actualmente nu mai este folosit) de circa 7 ori mai mică!

În graficul de mai jos avem valorile presiunii atmosferice, în galben, la diverse altitudini.

În figură, în partea stângă, cu galben, avem valorile presiunii atmosferice în  hPa (hectoPascal, adica 100 Pa, unde Pascalul, cu simbol Pa, este unitatea de măsură a presiunii, în Sistemul Internaţional de Unităţi de Măsură  (SI), definită ca presiunea creată de o forţă de 1 Newton aplicată pe o suprafaţă perpendiculară de 1 metru pătrat), iar în partea dreaptă altitudinea: în alb/negru în metri iar în verde în picioare (1 picior = 30.48 cm), unitatea folosită în Statele Unite ale Americii.

Limita naturală şi adaptare

În plămâni, există o cantitate de vapori de apă produsă de organism care este mai mult sau mai puţin constantă. Înălţimea la care presiunea atmosferică este egală cu cea a vaporilor de apă din plămâni (circa 50 torr) este de circa 19.000 metri.

Dacă se respiră oxigen pur se poate ajunge la o înălţime de circa 10.000 metri fără a periclita funcţiunile vitale ale organismului (evident, fără a efectua o activitate fizică deosebită). Se poate ajunge chiar şi la 12.000-13.000 metri, prin metoda unei unei respiraţii accelerate.

La altitudinea de circa 19.000 metri sângele fierbe la temperatura corpului şi din acest motiv pentru zboruri la această înălţime este nevoie de cabine presurizate speciale.


Ce se întâmplă în avioane

În avioane, cabina este presurizată şi menţinută la o presiune echivalentă cu cea pe care o găsim la cote de circa 1.500-2.400 metri. Deci, de fiecare dată când zburăm, este ca şi când am face o excursie la munte! Din acest motiv, cei care suferă cu inima sau au probleme respiratorii au nevoie de oxigen suplimentar chiar şi în timpul unui zbor normal. În cazul unei depresurizări a avionului este nevoie de măştile de oxigen în câteva secunde – deoarece altfel cantitatea  redusă de oxigen ar duce la pierderea cunoştinţei în câteva zeci de secunde.

Multe din avioanele militare nu au însă cabina presurizată (ar costa prea mult) – motiv pentru care piloţii acestor avioane folosesc măşti din care respiră un amestec (aer normal şi oxigen) care este modificat în funcţie de altitudine.

Am văzut în acest articol care sunt limitele organismului uman în funcţie de altitudine şi de cantitatea de oxigen disponibilă. Organismul uman are o capacitate de adaptare incredibilă - nu însă infinită. Citiţi şi acest articol, în care explorăm limitele organismului uman, de data această însă intrând în apă, spre adâncimi din ce în ce mai mari.

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi colaborator al Scientia.ro. Autoarea mulţumeşte pentru colaborare  dnei Diana Sirghi.