Jak dwutlenek węgla krąży w organizmie i co o tym mówią niewielkie czujniki

W organizmie człowieka CO₂ powstaje nieustannie jako produkt oddychania komórkowego – procesu, w którym komórki przekształcają składniki odżywcze w energię. Większość tego gazu trafia wraz z krwią do płuc i jest usuwana podczas wydechu. Zanim jednak opuści ciało, przechodzi istotny etap przemian chemicznych. W erytrocytach, pod wpływem anhydrazy węglanowej, CO₂ szybko przekształca się w jony wodorowe i wodorowęglany, które pełnią kluczową funkcję w utrzymaniu równowagi kwasowo-zasadowej krwi.

Dlatego poziom wodorowęglanów jest ściśle związany z ilością dwutlenku węgla w organizmie. Gdy gazu pojawia się więcej, uruchamiane są mechanizmy kompensacyjne – m.in. nerki zatrzymują większość wodorowęglanów, aby zapobiec zakwaszeniu krwi. W dłuższej perspektywie do regulacji mogą włączać się także kości. Zawierają duże ilości wapnia i fosforanów, które w razie potrzeby mogą być uwalniane do krwi i pomagać neutralizować nadmiar kwasu. Proces ten polega na częściowym uwalnianiu minerałów z tkanki kostnej i stanowi jeden z mechanizmów stabilizujących równowagę kwasowo-zasadową organizmu.

W ciągu ostatnich dwóch dekad stężenie CO₂ w atmosferze wzrosło z ok. 369 ppm do ponad 420 ppm. Aby sprawdzić, czy zmiana ta może mieć związek z fizjologią człowieka, naukowcy przeanalizowali dane z amerykańskiego programu badań zdrowotnych NHANES, obejmujące wyniki badań krwi ok. 7 tys. osób. Analiza wykazała, że w latach 1999–2020 średni poziom wodorowęglanów we krwi w populacji stopniowo rósł, podczas gdy średnie stężenia wapnia i fosforu wykazywały niewielki spadek. Autorzy badań podkreślają jednak, że obserwowana zbieżność tych trendów nie stanowi jeszcze dowodu bezpośredniego związku przyczynowego. Może ona jednak wskazywać na procesy fizjologiczne wymagające dalszych badań. Jeśli obserwowane tendencje się utrzymają, średni poziom wodorowęglanów we krwi może w drugiej połowie XXI w. zbliżyć się do górnej granicy uznawanej dziś za fizjologicznie prawidłową.

Zrozumienie, jak organizm radzi sobie z dwutlenkiem węgla, wymaga także nowych narzędzi pomiarowych. Tradycyjnie metabolizm człowieka bada się poprzez analizę gazów oddechowych. Specjalne urządzenia mierzą ilość zużywanego tlenu oraz ilość wydychanego CO₂, co pozwala obliczyć tempo przemiany materii. Metoda ta jest jednak niewygodna – wymaga szczelnej maski oddechowej i dużej aparatury laboratoryjnej.

Dlatego inżynierowie zaczęli szukać prostszych sposobów. Tak się składa, że ludzkie ciało może wydzielać dwutlenek węgla również przez skórę – jest to nadmiar pochodzący z metabolizmu komórkowego. Oczywiście ilości wydzielane w ten sposób są śladowe, ale niedawno opublikowane badanie wykazało, że istnieje silna liniowa korelacja między tym procesem a tempem metabolizmu oksydacyjnego całego ciała i ilością CO2 wydychanego z płuc. A to oznacza, że pomiar wydzielanego przez skórę dwutlenku węgla można wykorzystać z powodzeniem do oceny metabolizmu.

Zespół badaczy opracował w tym celu urządzenie wielkości kilku centymetrów sześciennych, które zakłada się na rękę tak, aby przylegało do ciała. Składa się ono z rezerwuaru, w którym gromadzi się wydzielany gaz oraz z płytki elektronicznej, która skanuje jego ilość i analizuje dane. Czujnik został przetestowany na 9 osobach. Mierzono im jednocześnie ilość CO2 wydzielanego przez skórę i wydychanego, tętno oraz tempo metabolizmu (za pomocą tradycyjnej maski oddechowej i kalorymetrii). Wyniki potwierdziły silną korelację, co może znacznie ułatwić przyszłe badania.