Gazele din mediul înconjurător

Gama problemelor respiratorii care apar la animalele acvatice şi terestre poate fi înţeleasă mai bine prin studierea comparativă a compoziţiei şi a caracteristicilor fizice ale apei şi ale aerului. Aerul conţine de circa 20 de ori mai mult oxigen decât apa (saturată cu aer). Pentru a extrage o cantitate de oxigen echivalentă cu cea a unui animal care respiră la suprafaţă, un animal acvatic este nevoit să treacă prin suprafeţele organului său respirator un volum mult mai mare din mediul extern. Mai mult decât atât, rata de difuziune a oxigenului este mult mai redusă în apă decât în aer. Problema este complicată şi mai mult de densitatea sporită a apei (de 1000 de ori mai mare decât a aerului) şi de vâscozitatea acesteia (de 100 de ori mai mare decât a aerului), care impun o sarcină mult mai dificilă pentru aparatul respirator acvatic. Astfel, peştii cheltuiesc circa 20% din consumul lor total de oxigen pentru punerea în funcţionare a „pompei respiratorii”, spre deosebire de mamifere, inclusiv omul, care nu cheltuiesc pentru aceasta mai mult de 1-2 procente din consumul total de oxigen.

Conţinutul de dioxid de carbon a majorităţii apelor naturale este redus prin comparaţie cu aerul, adeseori aproape nul. Spre deosebire de oxigen, dioxidul de carbon este extrem de solubil în apă şi se difuzează rapid. Temperatura exercită un efect profund asupra solubilităţii gazelor în apă. O schimbare de la 50 la 350C reduce conţinutul de oxigen şi implicit al energiilor prana-ice din apa proaspătă cu aproape 50%. În acelaşi timp, creşterea temperaturii corporale produce o sporire a consumului de oxigen la animalele care nu au un sistem de regularizare a temperaturii (animalele cu sânge rece). Un peşte care este supus deopotrivă la o creştere a temperaturii apei şi a temperaturii corpului se găseşte sub impactul unui dublu handicap: pe de o parte, el este nevoit să pompeze mai multă apă prin bronhii pentru a extrage aceeaşi cantitate de oxigen ca la o temperatură mai joasă, iar pe de altă parte metabolismul său intensificat necesită mai mult oxigen.

Atmosfera Pământului se extinde pe o înălţime de mulţi kilometri şi este compusă dintr-un amestec de gaze care formează datorită atracţiei gravitaţionale un înveliş în jurul acestuia. Atmosfera exercită o presiune proporţională cu greutatea unei coloane de aer măsurată deasupra pământului, a cărei lungime atinge limita superioară a atmosferei; presiunea atmosferică la nivelul mării este suficientă în medie pentru a suporta o coloană de mercur cu o înălţime de 760 de milimetri (abreviată astfel: 760 mm Hg). Aerul uscat este compus în principal din azot şi gaze inerte (79,02%), oxigen (20,94%) şi dioxid de carbon (0,03%), fiecare aducându-şi o contribuţie proporţională la presiunea totală. Aceste procente sunt relativ constante până la aproximativ 80,5 kilometri altitudine. La nivelul mării şi la o presiune atmosferică de 760 milimetri coloană de mercur, presiunea parţială a azotului este de 79,02 procente din 760 milimetri coloană de mercur, adică de 600,55 milimetri coloană de mercur; cea a oxigenului este de 150,16 milimetri coloană de mercur; iar cea a dioxidului de carbon este de 0,20 milimetri coloană de mercur. Existenţa vaporilor de apă într-un amestec de gaze reduce presiunile parţiale ale celorlalte componente gazoase, dar nu modifică presiunea totală. Importanţa presiunii vaporilor de apă asupra compoziţiei gazului poate fi apreciată după faptul că la o temperatură identică cu temperatura corporală a oamenilor (370C), aerul atmosferic inhalat în plămâni devine saturat cu vapori de apă. La 370C, presiunea vaporilor de apă este de 47 milimetri coloană de mercur. Pentru a calcula presiunile parţiale ale gazelor respiratorii, această valoare trebuie scăzută din presiunea atmosferică. Astfel, pentru oxigen, 760 (presiunea atmosferică) – 47 = 713 milimetri coloană de mercur, iar 713 x 0,209 (procentul de oxigen din atmosferă) = 149 milimetri coloană de mercur; această valoare este cu circa 10 milimetri coloană de mercur mai mică decât presiunea parţială a oxigenului în aerul uscat aflat la o presiune totală de 760 milimetri coloană de mercur.

Presiunea atmosferică scade la marile altitudini, dar compoziţia atmosferei rămâne aceeaşi. Astfel, la 7.600 de metri altitudine, presiunea atmosferică este de 282 milimetri coloană de mercur, iar presiunea parţială a oxigenului este de circa 59 milimetri coloană de mercur. Oxigenul continuă să constituie numai 20,94% din totalul gazului prezent. Rarefierea aerului la marile altitudini limitează disponibilitatea oxigenului nu numai pentru fiinţele care respiră aer, dar şi pentru cele din mediul acvatic, deoarece cantitatea de gaz dizolvat în apă se reduce direct proporţional cu scăderea presiunii atmosferice. Spre exemplu, lacul Titicaca din Peru se află la o altitudine de 3.810 metri; la această altitudine (şi la 200C), un litru de apă conţine patru mililitri de oxigen în soluţie; la nivelul mării, aceeaşi cantitate de apă ar conţine 6,4 mililitri. Variaţiile caracteristicilor aerului şi apei ne fac să înţelegem numeroasele probleme cărora trebuie să le facă faţă sistemele respiratorii ale animalelor în procurarea unei cantităţi de oxigen suficiente pentru a putea întreţine viaţa.