Większość osób zdaje sobie sprawę z tego, że w procesie oddychania organizmów żywych, kluczową rolę odgrywa tlen. To właśnie ten pierwiastek jest nam niezbędny do życia. Jakie jednak znaczenie ma dla nas azot w powietrzu?
We Wszechświecie nie ma mowy o przypadkach. Każdy, nawet najbardziej śladowy pierwiastek w przestrzeni kosmicznej decyduje o tym, że na Ziemi istnieje życie w takiej formie, jaką znamy. W tym kontekście trudno jest wskazać na ten jeden najważniejszy, bez którego nie byłoby ludzi. Jest logiczne i oczywiste, że dla organizmów żywych najważniejszy jest tlen. Jeżeli jednak przyjrzymy się procentowemu składowi atmosfery ziemskiej, łatwo dojdziemy do wniosku, że to nie oxygenium, a azot (oznaczany literą N) występuje w przewadze. Dlaczego?
Azot w powietrzu: dlaczego jest głównym składnikiem atmosfery?
Na wstępie wypada wyjaśnić, że na Ziemi jest znacznie więcej tlenu niż azotu. Pierwszy z wymienionych pierwiastków występuje w stabilnych sieciach krystalicznych minerałów, które tworzą skorupę naszej planety. Nie istnieją natomiast minerały zawierające azot. W tym kontekście należy stwierdzić, że przewaga tlenu nad azotem jest 10 tysięcy razy większa. Jeżeli jednak weźmiemy pod uwagę wyłącznie skład ziemskiej atmosfery, stwierdzimy, że w powietrzu jest stosunkowo niewiele tlenu, za to dużo azotu.
O tym, że azot stanowi główny składnik ziemskiej atmosfery, zadecydowały pewne szczególne cechy tego pierwiastka, wśród których należy wymienić:
- stan lotny – w warunkach, jakie występowały w przeszłości i występują obecnie w atmosferze, azot nie zmienia stanu skupienia na ciekły;
- brak wpływu na skorupę ziemską – azot nie jest w stanie reagować chemicznie z głównymi składnikami tworzącymi powierzchnię naszej planety;
- duża masa cząsteczkowa – ze względu na znaczną masę cząsteczkową, azot nie jest w stanie (w warunkach panujących na Ziemi) ulecieć z górnych warstw atmosfery. Ta cecha sprawia też, że promieniowanie słoneczne nie doprowadza do fotodysocjacji jego cząstek.
Ten ogół cech zadecydował o tym, że azot zaczął odkładać się w atmosferze, podczas gdy gazy o mniejszej masie cząsteczkowej „uciekały” w przestrzeń kosmiczną. Dla przykładu, para wodna może ulec fotodysocjacji w górnych warstwach atmosfery, a mimo to mało jest w niej wodoru. Dlaczego?
Wynika to z faktu, że w procesie pochłaniania promieniowania słonecznego, który zachodzi w termosferze (w wysokich warstwach atmosfery), następuje znaczny wzrost temperatury mocno rozrzedzonego powietrza. Czyli w praktyce – energii kinetycznej jego cząsteczek cząsteczek. W warunkach tej samej temperatury, cząsteczki o dużej masie osiągają wyraźnie mniejszą prędkość niż cząsteczki charakteryzujące się niską masą. Te najmniejsze i najlżejsze mogą przekraczać próg tzw. prędkości ucieczki (minimalnej prędkości początkowej, pozwalającej na opuszczenie pola grawitacyjnego). Oznacza to, że przy zachowaniu odpowiedniego kierunku ruchu, mogą oddalić się w przestrzeń kosmiczną.
Azot charakteryzuje się dużą masą cząsteczkową i dzięki temu mógł swobodnie gromadzić się w atmosferze w czasie niemal całej historii geologicznej. Tym bardziej, że nie wywiera wpływu na składniki ziemskiej skorupy. Właśnie dlatego N stanowi główny składnik powietrza, którym oddychamy.
Azot w powietrzu: skąd się wziął?
Skąd właściwie wziął się azot w atmosferze naszej planety? Można powiedzieć, że stanowi produkt uboczny zmian, które na przestrzeni historii geologicznej zachodziły w jej składzie. Należy bowiem zdać sobie sprawę z faktu, że w ujęciu dziejowym, zawartość poszczególnych pierwiastków w powietrzu nie może być rozpatrywana jako wartość stała. Wiele milionów lat temu ziemska atmosfera była zupełnie inna niż współczesna.
Naukowcy są zdania, że pierwotna atmosfera ziemska składała się z dwutlenku węgla, amoniaku i pary wodnej. Pod wpływem działania strumienia fotonów, amoniak uległ rozpadowi na wodór i azot. Woda uległa kondensacji, natomiast pierwotne cyjanobakterie doprowadziły do rozkładu dwutlenku węgla na tlen i węgiel.
Część azotu pochodzi też z odległych rejonów Układu Słonecznego. Najnowsze badania udowadniają jednak, że pierwiastek ten „przywędrował” także wraz z żelaznymi meteorytami z zewnętrznej części dysku protoplanetarnego.
Proporcje azotu i tlenu w powietrzu pozostawały prawie niezmienne niemal przez połowę historii geologicznej. Należy jednak zaznaczyć, że od pewnego czasu można zaobserwować niewielki spadek zawartości tlenu w stosunku do zawartości azotu w atmosferze. Zwiększa się za to koncentracja dwutlenku węgla. Dlaczego? Ta zmiana jest rezultatem działalności człowieka na Ziemi. W następstwie eksploatacji paliw kopalnych, zachodzi proces utleniania węgla usuniętego z atmosfery i sprowadzonego do postaci organicznej materii, tworzącej skorupę ziemską. W uproszczeniu, spalając paliwa, zwracamy do atmosfery pierwiastki, które zniknęły z niej na przestrzeni dziejów.
Czy azot jest niezbędny do życia?
Skoro azot jest głównym składnikiem ziemskiej atmosfery, zasadne wydaje się być postawienie pytania – czy bez azotu mogłoby rozwinąć się życie na naszej planecie? Cóż, odpowiedź nie jest tak jednoznaczna, jak mogłoby się wydawać.
Eksperci są zdania, że inny skład atmosfery ziemskiej, w której nie byłoby azotu, może, ale nie musi być przeszkodą dla rozwoju życia. Pewne jest natomiast, że nie byłoby to życie, jakie znamy.
Należy zdać sobie sprawę z faktu, że azot jest niezwykle ważnym składnikiem białek, czyli podstawowego budulca wszystkich złożonych organizmów. Gdyby nie było azotu, nie byłoby białka, a to najprawdopodobniej uniemożliwiłoby rozwój organizmów złożonych. Najprawdopodobniej, bo nauka nie jest w stanie odpowiedzieć na wszystkie pytania. Należy jednak domniemywać, że bez azotu w powietrzu na Ziemi nigdy nie pojawiłby się człowiek.
Co jednak mogłoby się stać, gdyby azotu w powietrzu zabrakło teraz, gdy życie na Ziemi jest już rozwinięte? Człowiek nie potrzebuje do życia powietrza, a tlenu. Oznacza to, że oddychanie samym tlenem jest jak najbardziej możliwe. Tak właśnie oddychają nurkowie, himalaiści i astronauci – czystym lub prawie czystym tlenem. Trzeba jednak podkreślić, że czysty tlen o ciśnieniu wyższym niż atmosferyczne jest trujący i oddychanie nim przez dłuższy czas może spowodować nieodwracalne uszkodzenie mózgu. Żeby do płuc mogło dostać się tyle samo czystego tlenu, co przy oddychaniu powietrzem składającym się z azotu, tlenu i gazów śladowych, konieczne jest pięciokrotne zmniejszenie ciśnienia.
Z czego składa się powietrze wdychane i wydychane?
Czym właściwie jest powietrze, które tworzy ziemską atmosferę? To mieszanka gazów i aerozoli, która w 78 procentach składa się z azotu i w 21 procentach z tlenu. 1 procent składu powietrza stanowi argon. W powietrzu zawarte są także gazy śladowe, ale ich obecność jest mierzona nie w procentach, a w cząsteczkach na milion. Należą do nich.
- dwutlenek węgla,
- neon,
- hel,
- metan,
- krypton,
- wodór,
- ksenon.
Oprócz tego, w powietrzu obecne są różnego rodzaju pyły i zarodniki roślin.
Trzeba podkreślić, że w kontekście procentowej zawartości poszczególnych gazów, skład powietrza wydychanego znacząco różni się od składu powietrza, które wdychamy. Wdychamy mieszaninę gazów, która zawiera:
- 78 proc. azotu,
- 21 proc. tlenu,
- 1 proc. innych gazów,
- 0,04 proc. dwutlenku węgla.
W wydychanym powietrzu znajduje się:
- 78 proc. azotu,
- 17 proc. tlenu,
- 4 proc. dwutlenku węgla,
- 1 proc. innych gazów.
Niestety, powietrze nie składa się wyłącznie z gazów, które powinny znaleźć się w jego składzie. Nie brakuje w nim też substancji patologicznych, czyli takich, które nie powinny wchodzić w jego skład. Te zanieczyszczenia są rezultatem działalności człowieka. Do związków, o których mowa, należą:
- dwutlenek azotu,
- dwutlenek siarki,
- tlenek węgla,
- benzen,
- ozon,
- pyły: PM2,5 i PM10.
Każda z tych substancji nie pozostaje bez wpływu na życie na naszej planecie. Ich obecność doprowadza do uszkodzenia tkanek, nie tylko układu oddechowego, ale także krwionośnego i nerwowego. W sprzyjających warunkach substancje patologiczne mogą utrzymywać się w powietrzu przez długi czas.