Дыхание — это основа жизни. Но насколько хорошо вы знаете воздух, которым дышите? Мэттью Уорд Агиус вытаскивает невидимые частицы-убийцы из воздуха. Эта статья была впервые опубликована в журнале Cosmos Print Magazine в сентябре 2024 года.
Закройте глаза и сделайте глубокий вдох. Всего пятая часть воздуха в лёгких — это живительный кислород. Остальное — примерно четыре пятых — азот, инертный газ, который попадает в наши лёгкие и просто ждёт, пока мы его выдохнем. Плюс 0,9% аргона, инертного газа, используемого в люминесцентных лампах.
Тем не менее, нет двух одинаковых вдохов воздуха. Именно оставшиеся 0,1% придают воздуху отличительные особенности. Вместе с этими основными газами присутствуют крошечные следы неона, углекислого газа, водяного пара и водорода.
Эта газовая смесь в основном одинакова в любой точке планеты. Но откройте окно машины, когда едете по оживлённой дороге в час пик? Воздух, скорее всего, будет заметно загрязнён по сравнению с воздухом, который вы вдыхаете, катаясь на велосипеде по тихой просёлочной дороге.
Воздух тоже живой! Он полон бактерий, грибковых спор и пыльцы, которые — к лучшему или к худшему — попадают в дыхательные пути гораздо более крупных и сложных организмов, таких как мы. Есть также вирусы, которые активируются, как только находят себе хозяина.
Эти биологические материалы придают воздуху смертоносные свойства. Плохие микробы могут вызывать болезни, пыльца и пыль могут вызывать аллергию. Для некоторых это временное неудобство, для других — убийца.
Это не единственный способ, которым воздух может убивать, поэтому учёные-медики по всему миру бьют тревогу.
Что такое твёрдые частицы?
Твёрдые частицы — это микроскопический твёрдый материал. Сокращённо PM (particulate matter) вместе с размером материала в микрометрах (PM10, PM2.5 или PM0.1). Они могут быть сделаны из чего угодно.
PM — это универсальный термин, потому что классифицировать каждую уникальную частицу плавающего твёрдого вещества практически невозможно. Крошечные частицы пыли и пыльцы — оба классифицируются как PM — наиболее известны тем, что обостряют аллергию, вызывают острые симптомы в лёгких и, при длительном воздействии, приводят к хроническим сердечно-сосудистым или респираторным заболеваниям.
Также существует множество химических превращений, которые превращают газообразные загрязнители в PM. Потенциально опасные загрязнители включают диоксид серы, оксиды азота и другие продукты естественного и антропогенного сжигания.
Загрязнение воздуха
Мартин Клифт, токсиколог-ингаляционист из Университета Суонси, Великобритания.
Долгое время невидимое влияние PM и загрязнения воздуха в целом постепенно раскрывается. Факт остаётся фактом: 99% населения мира живёт в условиях загрязнения воздуха, которое превышает пределы, установленные Всемирной организацией здравоохранения.
«С каждым вдохом вы вдыхаете около миллиона частиц, и мы знаем благодаря компьютерному моделированию, что по меньшей мере 50% из них попадают в нижние части наших лёгких», — говорит Мартин Клифт, токсиколог-ингаляционист из Университета Суонси, Великобритания.
В то время как половина этих частиц может достичь крайних тканей лёгких, другая половина будет заблокирована в носовом проходе. В носу они будут очищены слизью, транспортируемой вверх и вдали от лёгких, или при хорошем чихании.
Для частиц, которые остаются в лёгких, иммунная система организма попытается их уничтожить. «Человеческое тело здорово в этом отношении», — говорит Клифт. «Но некоторые из них останутся и будут просто находиться там с течением времени».
Воздействие твёрдых частиц
В ноябре 2023 года исследование, опубликованное в журнале Science, показало силу твёрдых частиц. Оно показало, что у 460 000 американцев были смерти, связанные с воздействием PM2.5 от угольных электростанций в период с 1999 по 2020 год, после анализа записей Medicare США.
Исследование, проведённое в Австралии в марте этого года, оценило воздействие PM2.5 в глобальном масштабе. Под руководством Юминг Гуо, биостатистика из Университета Монаш, было установлено, что около миллиона смертей в год в мире связано с кратковременным воздействием PM2.5.
«Многие из этих газов, которыми мы дышим, также могут проникать в лёгкие и попадать в кровоток», — говорит Джейсон Ковачич, кардиолог и исполнительный директор Института кардиологических исследований Виктора Чанга в Сиднее.
«Они циркулируют по телу, где могут оказывать целый ряд неблагоприятных эффектов. Существует множество различных вещей, о которых мы знаем, и, вероятно, есть эффекты, о которых мы даже не подозреваем», — говорит Ковачич.
Помимо бремени для здоровья, подсчёты показывают значительные финансовые последствия. ОЭСР оценивает глобальные затраты на преждевременную смерть и боль и страдания от болезней, связанных с загрязнением окружающей среды, в 3,2 триллиона долларов США в 2015 году и может вырасти до 18–25 триллионов долларов США к 2060 году. Европейская комиссия оценивает эти затраты в 1 триллион евро ежегодно.
«Это даже, вероятно, консервативные оценки», — говорит Ковачич, «потому что истинную, вездесущую природу затрат, связанных с загрязнением, трудно оценить».
Лаборатория лёгких
Исследовательская группа Клифта пытается восполнить важный пробел в практическом понимании того, что эпидемиологи и статистики видят в данных о здоровье.
Мы посещаем полку в лаборатории Клифта в Уэльсе. Здесь вы увидите «лёгкие в блюде»: культуры клеток лёгких человека, выращенные учёными из Университета Суонси. Они имитируют участки лёгких с LEGO-подобной модульной конструкцией.
Это не фрагменты лёгких человека, но они максимально приближены к настоящим. Конечно, подвергнуть живого человека воздействию камеры с диоксидом азота не пройдёт первый этический барьер. И, как утверждают исследователи из Суонси, модели на грызунах не могут адекватно имитировать функцию лёгких человека.
В одном эксперименте команда Клифта исследовала альвеолярную область лёгких, место, «где воздух встречается с кровью». Клетки имитируют бутоны цветной капусты на конце ветвей бронхиол лёгких. Некоторые из них предназначены для имитации групп восприимчивости, таких как люди с астмой.
Исследователи подвергают эти лёгкие в чашке воздействию различных сценариев с помощью аэрозольного аппарата.
«Мы можем имитировать профессиональное воздействие в складском помещении, например, но затем мы можем также имитировать обычное воздействие при прогулке по улицам Лондона», — говорит Клифт.
Исследователи из Суонси тщательно воспроизводят концентрации частиц, с которыми лёгкие могут столкнуться в реальном мире. Когда их модели подвергаются воздействию, они могут видеть, как эти эмулированные структуры реагируют.
«Мы знаем, что при воздействии на [культуры лёгких] всех этих различных загрязнителей, частиц или волокон система клеток имитирует то, что происходило бы в здоровых лёгких человека. Мы можем очень точно контролировать концентрацию [частиц], которая оседает, поэтому мы можем соотнести её с тем, с чем сталкиваются люди».
Предполагается, что воздействие этих лёгких в чашке на соответствующие аэрозольные воздействия может помочь разработать новые стандарты качества воздуха и политику, принятую в городах по всему миру.
Загрязнение и политика
Лидия Моравска, выдающийся профессор и директор Международной лаборатории качества воздуха и здоровья в Технологическом университете Квинсленда.
Почти каждый человек на планете сталкивается с некачественным воздухом, поэтому некоторые учёные считают политику быстрым путём к улучшению ситуации.
В авангарде усилий по информированию о рисках, связанных с загрязнением воздуха, находится физик Лидия Моравска, выдающийся профессор и директор Международной лаборатории качества воздуха и здоровья в Технологическом университете Квинсленда.
Моравска была признана одним из 100 самых влиятельных людей по версии журнала Time в 2021 году благодаря своим усилиям, направленным на то, чтобы показать, что SARS-CoV-2 (коронавирус, вызывающий COVID-19) распространяется аэрозолями, что повысило важность качества воздуха как проблемы здравоохранения в разгар пандемии.
После того как Всемирная организация здравоохранения прислушалась к её советам, вентиляция быстро стала модным словом для улучшения качества воздуха в помещениях. «Наша цель — чистый воздух в помещениях, и он должен включать защиту от всех рисков как изнутри, так и снаружи, а также учитывать другие аспекты, такие как тепловой комфорт», — говорит Моравска.
Чтобы подчеркнуть важность загрязнения как проблемы, она приводит простую метафору: «Представьте, что вы приходите в ресторан, и вам приносят стакан воды. Эта вода выглядит мутной, поэтому вы с отвращением смотрите на неё и выражаете своё мнение… вам быстро приносят чистый стакан воды. Но что, если вам предложат плохой воздух?» — спрашивает она.
Когда вы обедаете на свежем воздухе на оживлённой улице с интенсивным движением, хотите ли вы вдохнуть порцию твёрдых частиц вместе с этим?
Размахивая своим монитором углекислого газа, Моравска говорит, что эти простые устройства могут стать небольшим шагом к улучшению того, как люди думают о воздухе.
Помимо того, что углекислый газ является загрязнителем, его также можно рассматривать как прокси для оценки риска воздействия патогенов, передающихся по воздуху.
В марте Моравска возглавила публикацию «плана» по регулированию качества воздуха в помещениях в журнале Science. Группа Моравской подчёркивает, что большую часть времени воздух вдыхается в помещении.
Их предложение предусматривает, что власти установят новые пороговые значения для PM2.5 (15 микрограммов/кубический метр/час), углекислого газа (800 частей на миллион) и оксида углерода (35 миллиграммов/кубический метр/час).
Моравска говорит, что задача состоит в том, чтобы разработать действенные правила.
Для большинства улучшение качества воздуха не будет дешёвым решением. Страны, готовые взять на себя краткосрочные расходы, надеются на серьёзные изменения в короткие сроки.
Там, где такие меры являются дорогостоящими, можно использовать другие шаги для регулирования загрязнения в помещениях, такие как более умные методы вентиляции, фильтрация воздуха, очистка и дезинфекция.
«В целом, это не то, что должно быть оставлено на усмотрение отдельных лиц или даже управляющих зданиями», — говорит она. «Это должно быть предписано таким образом, чтобы было очень ясно, что делать, как это делать, и чтобы людям не приходилось беспокоиться о том, что в воздухе есть загрязнение».
Ещё предстоит пройти долгий путь, но политика защиты здоровья человека может помочь — или может быть поддержана — другой великой проблемой современности: изменением климата.
Двойные проблемы
Растущее атмосферное загрязнение в результате деятельности человека приводит к повышению глобальной температуры, а также является причиной загрязнения воздуха, о котором учёные беспокоятся.
На производство электроэнергии на основе ископаемого топлива и промышленные процессы приходится более половины мировых выбросов парниковых газов, при этом на секторы сельского хозяйства, лесного хозяйства и землепользования (22%) и транспорт (15%) приходится значительная доля выбросов углерода.
Диоксид азота и оксид углерода? Посмотрите на выхлопную трубу или внутреннюю печь. Диоксид серы? Сжигание ископаемого топлива для получения энергии и в промышленности. Аммиак? Удобрения и навоз сельскохозяйственных животных. Твёрдые частицы? Они поступают из всего вышеперечисленного, плюс, конечно, естественное сжигание биомассы в лесных пожарах, которые могут стать более частыми или интенсивными в некоторых частях мира по мере повышения температуры.
В журнале Journal of the American College of Cardiology Ковачич и его коллеги предупреждают об этих двойных проблемах. Проанализировав сотни исследований, охватывающих миллионы пациентов, они пришли к выводу, что риск долгосрочных сердечно-сосудистых проблем, таких как ишемическая болезнь сердца, смертность от нарушения кровообращения и инсульт, значительно возрастает из-за воздействия загрязнителей, причём последствия ощущаются от утробы матери до последнего дня жизни человека.
Некоторые исследования предполагают, что около пяти миллионов жизней можно было бы спасти каждый год, отказавшись от ископаемого топлива и перейдя на чистые источники энергии.
Джейсон Ковачич, кардиолог и исполнительный директор Института кардиологических исследований Виктора Чанга в Сиднее.
«Некоторые из вещей, которые мы должны сделать для борьбы с глобальным потеплением, — это то же самое, что мы должны сделать для улучшения здоровья сердечно-сосудистой системы», — говорит Ковачич.
В Австралии некоторые юрисдикции уже принимают меры по устранению источников загрязнения. Например, в Виктории запрещены газовые подключения для новых зданий. В прошлом году правительство Австралийской столичной территории объявило о новой политике по постепенному отказу от дровяных обогревателей в Канберре к 2045 году.
Рекомендации Ковачича выходят за рамки простого перехода на «зелёную» энергетику, хотя это и является его ключевой целью. Он также видит ценность в программах просвещения общественности и врачей для повышения осведомлённости о качестве воздуха.
«Вот почему мы провели [исследование], чтобы повысить осведомлённость и убедиться, что врачи, пациенты и политики осведомлены об этой проблеме».