Οξυγόνο: εισπνοές-εκπνοές

Μικρό βιογραφικό για το στοιχείο οξυγόνο. Κάθε Κυριακή «Το Βήμα» μάς ξεναγεί και σε μιαν άλλη γωνιά του περιοδικού πίνακα.

Βίος και πολιτεία

Οποιος προσπαθήσει να παρουσιάσει όλα τα σχετικά με το οξυγόνο θα είναι αναγκασμένος να ξεκινήσει από μια χρονολογία τουλάχιστον 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια πριν και να περάσει από όλη την ιστορία της Γης και των κατοίκων της ως και σήμερα τουλάχιστον. Δεν είναι απλώς ένα στοιχείο που ενδιαφέρει μόνο τη Χημεία αλλά συνδέεται και με στιγμές της ανθρώπινης ιστορίας που μπορεί να φαίνεται σήμερα πως είχαν ακόμη και μυθιστορηματική εξέλιξη. Να είναι στοιχείο-πρωταγωνιστής σε απροσδόκητες σκηνές που γνωρίζουμε ότι σίγουρα έχουν εκτυλιχθεί, από τον 17ο αιώνα ως και τον 20ό, από τον Τάμεση ως το Γιβραλτάρ.

Αμέσως τώρα μπορούμε να στήσουμε ένα πολύ ενδιαφέρον «κινηματογραφικό» πλάνο με ιστορική σημασία: 1621, ο Ολλανδός Κορνέλιους Ντρέμπελ, πολυμήχανος κατασκευαστής διαφόρων αυτόματων μηχανημάτων και ψυγείων, που έχει βρει φιλοξενία στην αυλή του άγγλου βασιλιά Τζέιμς Α’, παρουσιάζει τη νέα του εφεύρεση: ένα υποβρύχιο! Μπροστά στον βασιλιά και σε χιλιάδες περίεργους επιχειρεί ο ίδιος μαζί με πλήρωμα 12 κωπηλατών και μερικούς επιβάτες να διανύσει κάτω από το νερό μια απόσταση 16 περίπου χιλιομέτρων μέσα σε μια ξύλινη κατασκευή. Η προσπάθεια είχε διάρκεια τριών ωρών και δεν ήταν απλά επιτυχημένη, ήταν ένα κατόρθωμα. Εχουμε βέβαια το θέαμα και τα πλάνα που μπορούμε να στήσουμε πιο πολύ με τη φαντασία μας, αλλά επιπλέον υπάρχει και ο ρεαλισμός ενός απτού αξιοθαύμαστου επιτεύγματος. Διότι όταν αργότερα το θέμα συζητήθηκε από ανθρώπους της επιστήμης, όπως ο γνωστός από τους νόμους των αερίων Ρόμπερτ Μπόιλ, αναφέρθηκε ότι σε κρίσιμες στιγμές ο Ντρέμπελ άνοιγε μια μυστηριώδη φιάλη για να φρεσκάρει τον αέρα που ανέπνεαν όσοι βρίσκονταν μέσα στο σκάφος, όπως έλεγαν οι αυτόπτες μάρτυρες. Για να εκτιμήσουμε το τι έγινε εκείνη την ημέρα θα πρέπει να γνωρίζουμε ότι τότε ακόμη οι άνθρωποι δεν γνώριζαν καν τι αποτελούσε στην πραγματικότητα τον ατμοσφαιρικό αέρα. Μερικοί πίστευαν ακόμη ότι ο αέρας ήταν ένα χημικό στοιχείο από μόνο του και δεν γνώριζαν τι ακριβώς ανέπνεαν. Ο Λεονάρντο ντα Βίντσι (1452-1519) είχε και αυτός προβληματιστεί σχετικά με τη σύνθεση του αέρα και είχε φθάσει στο συμπέρασμα πως κάτι είχε μέσα και όταν αυτό το κάτι τελείωνε, κανένας ζωντανός οργανισμός δεν μπορούσε να το αντέξει, ούτε καν η φλόγα ενός κεριού. Ο Ντρέμπελ πάντως, είτε γιατί γνώριζε κάποια πράγματα που είχαν ανακαλύψει οι αλχημιστές είτε γιατί και ο ίδιος ήταν άνθρωπος που έψαχνε, μπορούσε θερμαίνοντας νιτρικό κάλιο να παράγει οξυγόνο.

Ενάμιση αιώνα αργότερα ο σουηδός χημικός Καρλ Σέελε από το 1771, λίγο μετά ο άγγλος κληρικός και χημικός Τζεφ Πρίστλεϊ και τέλος ο γάλλος χημικός αλλά και εισπράκτορας φόρων του Δημοσίου Αντουάν Λαβουαζιέ αναγνωρίζονται ως οι άνθρωποι που πιστοποίησαν με επιστημονικά επιχειρήματα την ύπαρξη ενός νέου στοιχείου απαραίτητου για τη ζωή που ο Λαβουαζιέ ονόμασε οξυγόνο διότι είχε την εντύπωση πως ήταν απαραίτητο συστατικό για τις ενώσεις της κατηγορίας των οξέων (στην πραγματικότητα βρίσκεται σε πολλά ως βασικό συστατικό αλλά μπορεί μια ένωση να είναι οξύ χωρίς να περιέχει οξυγόνο, όπως συμβαίνει, για παράδειγμα, με το υδροχλώριο). Ο Λαβουαζιέ πάντως δεν έμεινε σε αυτό. Ηταν ο άνθρωπος που χρησιμοποιούσε με εκπληκτική ακρίβεια τις ζυγαριές της εποχής και χάρη σε αυτές κατόρθωσε να φθάσει σε ένα τεράστιας σημασίας συμπέρασμα: οι διάφορες καύσεις, με την εμφάνιση φλόγας, ήταν μια διαδικασία που δεν διέφερε από τη διαδικασία της αναπνοής. Το ίδιο σκηνικό: καύσιμη ύλη που περιέχει άνθρακα και υδρογόνα και με την αντίδραση (=κατανάλωση) οξυγόνου προκύπτει διοξείδιο του άνθρακα και νερό.

Οι στρατευμένοι κάτω από τη σημαία της Γαλλικής Επανάστασης βρήκαν τον Λαβουαζιέ να ασχολείται με τα πειράματά του αυτά, αλλά λόγω του δεύτερου επαγγέλματός του, της συλλογής φόρων και της αριστοκρατικής καταγωγής του, όχι μόνο συνελήφθη αλλά και εκτελέστηκε με συνοπτικές διαδικασίες το 1794.

Είχε προλάβει όμως να φανερώσει τον ρόλο του οξυγόνου στη ζωή των ανθρώπων.

Ατομικός αριθμός: 8

Ατομικό βάρος: 15.999

Σημείο τήξης: -218^oC

Σημείο ζέσης: -183^oC περίπου

Πυκνότητα: 1.43 g/λίτρο

Αριθμός ισοτόπων: 17

Είναι η ζωή μας. Χωρίς οξυγόνο ο εγκέφαλος μέσα σε λίγα λεπτά παύει να λειτουργεί ενώ από τον εγκέφαλο ελέγχεται ανεξάρτητα από τη δική μας βούληση η αναπνοή μας. Ωστόσο έχει διαπιστωθεί ότι και το πολύ οξυγόνο μπορεί να βλάψει έναν ζωντανό οργανισμό. Και αυτό έγινε κατανοητό από τις παρατηρήσεις στους αυτοδύτες, δηλαδή σε εκείνους που καταδύονται φέροντας δικό τους αναπνευστικό εξοπλισμό σε αντίθεση με τους παλαιούς δύτες που το σκάφανδρό τους συνδεόταν με σωλήνα παροχής αέρα από την επιφάνεια. Η αυτοκατάδυση που ονομάζεται και s.c.u.b.a. diving (Self Contained Underwater Breathing Apparatus) έδειξε ότι άνθρωποι που καταδύονταν σε βάθος μεγαλύτερο από τα 10 μέτρα και χρησιμοποιούσαν καθαρό οξυγόνο μπορούσαν και να εμφανίσουν σπασμούς όντας κάτω από το νερό, πράγμα πολύ επικίνδυνο. Αυτό βοήθησε τους Αγγλους να κερδίσουν μια υποβρύχια μάχη.

Το κυκλοφορικό σύστημα μεταφέρειοξυγόνο από το αναπνευστικό σύστημα και θρεπτικά στοιχεία από το πεπτικό σύστημα στους ιστούς του σώματος, ενώ παράλληλα βοηθά τον οργανισμό να αποβάλλει τοδιοξείδιο του άνθρακακαι τα άχρηστα στοιχεία. Ολα τα ζωντανά κύτταρα του ανθρώπινου σώματος χρησιμοποιούν οξυγόνο για να πάρουν ενέργεια από τα θρεπτικά στοιχεία που παίρνει ένας οργανισμός. Αλλοι ιστοί μπορούν να επιβιώσουν χωρίς οξυγόνο ακόμη και για αρκετές ώρες, άλλοι όμως πεθαίνουν πολύ σύντομα. Ο εγκέφαλος και το νευρικό σύστημαχρειάζονται διαρκώς πολύ οξυγόνο. Μόνον οι νευρικοί ιστοί καταναλώνουν περίπου το 1/5 του οξυγόνου που μεταφέρει το κυκλοφορικό σύστημα μέσω του αίματος.

Για να μεταφέρεται το οξυγόνο μέσα στο αίμα χρειάζεται μια πρωτεΐνη, η αιμοσφαιρίνη. Ομως η αιμοσφαιρίνη δεσμεύει το δηλητηριώδες για τον οργανισμό μονοξείδιο του άνθρακαπερίπου 200 φορές περισσότερο από ό,τι το οξυγόνο και χρειάζεται περίπου 8-12 ώρες για να το αποβάλει. Η αναπνοή ξεκινά όταν το σώμα μας ανιχνεύει αύξηση του διοξειδίου του άνθρακα και μείωση του οξυγόνου στο αίμα. Τότε συγκεκριμένα κέντρα στον εγκέφαλο παρέχουν ανακλαστικά την εντολή για αναπνοή. Είναι, λοιπόν, η παρουσία και το επίπεδο διοξειδίου του άνθρακα στο αίμα που ελέγχει την αναπνοή και όχι το οξυγόνο. Μόλις δοθεί η εντολή, ενεργοποιείται το διάφραγμα, ένας μεγάλος μυς, που αλλάζει τον όγκο των πνευμόνων και προκαλείται εισροή αέρα. Ο αέρας περνά στους πνεύμονες, εκεί όπου οι βρόγχοι διακλαδώνονται σε μικρότερους αεραγωγούς που ονομάζονται βρογχίολοι. Οι βρογχίολοι καταλήγουν στις κυψελίδες, μικρούς αεροθαλάμους που περιβάλλονται από πνευμονικά αρτηρίδια. Εκεί γίνεται η ανταλλαγή των αερίων μέσω του αίματος. Οσον αφορά τώρα τη διαδικασία της ανταλλαγής, το αναπνευστικό και το κυκλοφορικό σύστημα καταναλώνουν μόνο το 10% του οξυγόνου που εισπνέεται κατά την αναπνοή. Τούτο εξηγεί γιατί λειτουργεί η αναπνευστική αναζωογόνηση στόμα με στόμα. Ο αέρας που εκπνέουμε περιέχει ακόμη το 90% του οξυγόνου που εισπνεύσαμε, επαρκές δηλαδή για τη διαδικασία της ανάνηψης.

Οι μονάδες υποβρύχιων καταστροφών της Μεγάλης Βρετανίας κατάφεραν να υπερισχύσουν των γερμανικών σε υποβρύχιες μάχες γύρω από το Γιβραλτάρ διότι χρησιμοποιούσαν το μείγμα nitrox, δηλαδή άζωτο-οξυγόνο αλλά με αυξημένη περιεκτικότητα σε οξυγόνο, που κανονικά είναι μόνο το 20% του αέρα που εισπνέουμε. Ετσι, μπορούσαν να καταδύονται σε μεγαλύτερο βάθος και να παρασύρουν τους αντιπάλους τους, που καταλαμβάνονταν ξαφνικά από σπασμούς και εγκατέλειπαν.