Ион водорода — одно из самых активных химических веществ. Почти любая химическая реакция проходит быстрее или медленнее, в зависимости от концентрации ионов водорода. Организм, в котором протекают тысячи реакций, должен следить, чтобы концентрация ионов водорода в тканях поддерживалась на нужном уровне.

Что касается крови, то концентрация ионов водорода должна быть такой, чтобы среда оставалась слегка щелочной. В крови только один ион водорода приходится на каждые двести сорок миллиардов молекул воды, это всего одна четверть от того числа, которое должно присутствовать, чтобы кровь была нейтральной.

Это маленькое количество ионов надо сохранить. Если концентрация ионов водорода увеличивается на 35 % или падает на 25 % от исходного уровня, нарушаются химические механизмы регуляции постоянства внутренней среды, и тогда может наступить смерть. В ходе химических реакций постоянно образуются или утилизируются щелочные или кислотные по природе вещества. Они могут попадать в поток крови или выходить из него. В любом случае они изменяют концентрацию ионов водорода в ту или другую сторону, и эти колебания должны быть сведены к минимуму.

Химики представляют концентрацию ионов водорода в растворе величиной pH. Нейтральный уровень pH составляет 7,0. Меньшие значения pH указывают на кислый раствор — чем ниже pH, тем выше кислотность. Большие значения говорят о щелочном растворе. Поскольку pH — это обратный десятичный логарифм, то в растворе с pH, равным 6,0, концентрация ионов водорода в десять раз выше, чем в растворе с 7,0. pH, равный 5,0, свидетельствует о том, что концентрация ионов водорода в десять раз выше, чем при pH, равном 6,0. В растворе с уровнем pH 8,0 концентрация ионов водорода составляет всего одну десятую часть от присутствующих в растворе с pH 7,0. pH крови равен 7,4, он не должен опускаться ниже 7,32 и подниматься выше 7,46.

Одним из самых важных средств защиты от смертельно опасного изменения уровня pH является сочетание в крови углекислого газа, углекислоты и иона бикарбоната.

Предположим, что в процессе химических реакций в кровь попадает некоторое количество кислоты. Она является новым источником ионов водорода, поэтому их концентрация в крови возрастает, а уровень pH падает.

Но как только появляются эти дополнительные ионы водорода, некоторые из них соединяются с бикарбонатными ионами, образуя углекислоту, которая, в свою очередь, расщепляется на воду и углекислый газ, выводящийся через легкие. Таким образом, избыток ионов водорода не приводит к значительным изменениям уровня pH.

Допустим, что в кровь попадает некоторое количество щелочи — вещества, которое вступает в реакцию с ионами водорода и убирает их из раствора, снижая их концентрацию до опасно низкого значения.

Однако, чтобы этого не случилось, вновь на защиту встает углекислый газ, но на этот раз действия происходят в обратном порядке. Углекислота отдает ионы водорода, чтобы заместить потерянные, и переходит в бикарбонатные ионы. Чтобы восстановить содержание углекислоты в крови, углекислый газ, который до этого выходил из крови в легкие, задерживается в ней и, соединяясь с водой, образует угольную кислоту.

Таким образом, углекислый газ защищает кровь от нежелательных изменений уровня pH в крови. Бикарбонатный ион играет роль сухой губки, впитывающей ионы водорода, когда их слишком много. Углекислота действует как влажная губка, из которой можно выжать ионы водорода, когда их слишком мало. Они позволяют сохранить постоянный баланс pH.

Система, состоящая из углекислоты и бикарбонатных ионов, которая поддерживает pH на постоянном уровне, представляет собой пример того, что химики называют буферной системой, или просто буфером.