Дыхание при различных условиях

Дыхание при повышенном атмосферном давлении осуществляется, например, при погружении в воду, поскольку давление на организм через каждые 10 м погружения увеличивается на 1 атм. Например, на глубине 20 м оно равно 3 атм, на глубине 30 м – 4 атм и т.д. Чем глубже мы погружаемся, тем сильнее вода будет давить на нашу грудную клетку из-за чего объем ее и легких будет уменьшаться, а давление воздуха внутри альвеол – увеличиваться. В таких условиях инертный газ (азот) перестает быть таковым: его давление становится выше, чем напряжение в сосудах, и он начинает активно поступать в кровь, а из нее в ткани тела и чем дольше погружение, тем больше азота растворяется в тканях (растворение газов в крови называется сатурацией).

Количество азота в организме может увеличиться в несколько раз, причем более всего в органах, богатых жирами. Так как большое количество липидов содержится в нервной ткани, то более всего поражается нервная система. Сначала это проявляется в легком возбуждении, напоминающем эйфорию («глубинный восторг»). В дальнейшем отмечается явление наркоза и интоксикации. Для того чтобы избежать этих проявлений, в подводные устройства подают кислородно-гелиевую смесь (гелиокс). Гелий почти нерастворим в крови и нервной ткани и обладает в 7 раз меньшей плотностью, чем азот.

Таблица 6.

Нарушения, возникающие у нетренированных людей при погружении на различную глубину

Глубина погружения под воду, м	Нарушения
30-60	Эйфория
60-75	Беспричинный смех и первые признаки истерии, ослабление способности к концентрации внимания, ошибки при выполнении простых профессиональных и умственных задач
100	Депрессия и потеря четкого мышления, нарушение нервно-мышечной координации
115	Возможна потеря сознания

При повышенном давлении токсичен не только азот; избыток кислорода (гипероксия) только в начальных стадиях вызывает окислительный эффект.

При подъеме из воды необходимо соблюдать такую меру предосторожности, как медленный подъем, иначе возможно развитие кессонной болезни. При быстром подъеме физически растворенные в крови и тканях газы не успевают выделиться из организма и образуют пузырьки. Особенно опасно образование пузырьков азота, который закупоривает мелкие сосуды (газовая эмболия). В первую очередь страдает ЦНС вследствие нарушения ее кровоснабжения, при этом могут нарушаться слух, зрение, появляются боль в мышцах, рвота, головокружение, одышка, потеря сознания; в тяжелых случаях возникают параличи. Вот почему возвращать водолаза на поверхность следует очень медленно — проводить декомпрессию. Например, подъем с глубины 300м требует двухнедельной декомпрессии.

Говоря о дыхании, упоминают, как правило, только две составляющие атмосферного воздуха – кислород и углекислый газ, забывая о третьей – азоте. Впрочем, если вы не собираетесь заниматься дайвингом, вспоминать об азоте вам ни к чему. При нормальном атмосферном давлении азот, которого в окружающем воздухе целых 78 %, является инертным газом – его парциальное давление в воздухе и напряжение в крови равны.

Можно не придавать большого значения присутствию азота, если вы ныряете с задержкой дыхания (то есть без дыхательного аппарата) на глубину не более 10 м. Время погружения слишком мало, чтобы азот в крови успел достигнуть критической концентрации и оказал негативное влияние на организм.

Однако чем глубже вы собираетесь нырнуть, тем больше необходимость помнить о существовании этого газа, если вы хотите остаться в живых.

Разобраться в странностях этого коварного «невидимки» поможет физика. Вот где пригодятся школьные знания (хотя возможно, что эти вопросы не входили в школьный курс).

Итак, вы решили в полной мере насладиться морскими глубинами и, разумеется, используете для этого дыхательный аппарат. Первое, что должен помнить дайвер, - давление воды на тело с увеличением глубины возрастает. На глубине 10 м давление составляет две атмосферы. Через каждые 10 м погружения сила давления возрастает на одну атмосферу. Чем глубже вы опуститесь, тем сильнее вода будет давить на вашу грудную клетку, из-за чего объем ее и легких будет уменьшаться (до определенных пределов, конечно), а давление воздуха внутри альвеол – увеличиваться. Отсюда вытекает следующее: общее давление смеси газов равно сумме их парциальных давлений (закон Дальтона). Другими словами, если повысилось давление воздуха в легких, то увеличились и парциальные давления всех составляющих его газов. Это означает, что инертный азот перестает быть таковым: его давление стало выше, чем напряжение в сосудах, и он начинает активно поступать в кровь, а из нее – в ткани тела. Чем больше глубина и дольше погружение, тем больше азота растворяется в тканях. Внимание! Повышение концентрации азота у некоторых людей вызывает симптомы отравления (эйфорию и одновременно беспокойство). Это приводит к ошибкам в поведении, неспособности правильно ориентироваться и часто потере сознания. Никогда не погружайтесь в одиночку!

Однако даже если погружение прошло успешно, ни в коем случае не следует расслабляться. Впереди – подъем на поверхность. Окружающее давление снижается. Теперь напряжение азота выше, чем его давление в альвеолах. Внимание! Подниматься следует медленно, чтобы газ из крови успевал выделяться в легкие и затем выдыхаться, то есть его концентрация в организме должна понижаться постепенно. Скорость всплытия должна быть 9-10 м/мин. Примерно с такой скоростью поднимаются пузырьки воздуха, которые могут послужить ориентиром. Не стоит пытаться их обогнать. Что произойдет, если это правило не выполняется и подъем происходит быстро? Тело словно превращается в бутылку с газированной водой, которую поспешили открыть, - кровь и ткани буквально вскипают пузырьками газа. Последствием неправильного всплытия является декомпрессионная (кессонная) болезнь. Легкая форма сопровождается зудом кожи от закупорки вен воздухом, более тяжелая – болями в животе, тошнотой, рвотой и т. д. Возможен и смертельный исход – при массивном поражении сосудов сердца и головного мозга.

Никогда не пытайтесь подражать киногероям! Если в фильме вы видите, как подводник, вынырнув из морских глубин, скидывает дыхательный аппарат и сразу летит в самолете на другой конец планеты спасать мир. Не верьте (вы ведь изучаете физиологию в отличие от нихJ). Это только трюк. В жизни агент 007 после такого подвига сразу отправился бы лечиться от декомпрессии в специальную барокамеру. Быстрый подъем над землей после длительного погружения так же опасен, как быстрый подъем с морской глубины на поверхность.

Дыхание при пониженном давлении. В таких условиях человек находится при подъеме на высоту или в барокамере, в которой создано разрежение воздуха. Следствием уменьшения парциального давления кислорода во вдыхаемом и альвеолярном воздухе является гипоксия - недостаток кислорода в тканях. Развивается при подъеме на высоту свыше 2 км над уровнем моря. До этой высоты содержание оксигемоглобина в крови, благодаря особой форме кривой его диссоциации, снижается незначительно (на 3%) (рис. 29).

На высоте 2,5-3,5 км развиваются следующие срочные адаптационные реакции:

1. Увеличение вентиляции легких, обусловленное тем, что уменьшение напряжения кислорода в крови становится достаточным для стимуляции периферических хеморецепторов. Это улучшает снабжение тканей кислородом. Однако усиление дыхания имеет и отрицательные последствия:

а) увеличивает расход кислорода на работу дыхательных мышц;

б) приводит к снижению парциального давления углекислого газа в альвеолярной газовой смеси и в крови (гипокапния) и к выпадению его стимулирующего влияния на дыхательный центр;

в) гипокапния вызывает спазм сосудов головного мозга, что еще больше ухудшает снабжение последнего кислородом.

2. Стимуляция эритропоэза, приводящая к увеличению числа эритроцитов в крови.

3.Повышение содержания гемоглобина в эритроцитах, вызывающее возрастание кислородной емкости крови.

4.Увеличение содержания 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ) в эритроцитах, что сдвигает кривую диссоциации оксигемоглобина вправо (рис. 30), т.е. уменьшает сродство гемоглобина к кислороду и улучшает отдачу последнего тканям. (2,3-ДФГ – промежуточный продукт гликолиза, осуществляемого в цитоплазме эритроцитов – связывается с кислородом и понижает его сродство к кислороду).

5.Учащение сердечных сокращений и повышение артериального давления.

На высоте 4-5 км указанные механизмы не могут компенсировать недостаток кислорода, поэтому развивается высотная (горная) болезнь. Ее признаками являются: слабость, тошнота, цианоз, брадикардия, гипотензия, головные боли, уменьшение глубины дыхания, нарушения со стороны психики (эйфория, расстройства координации и др.).

На высоте свыше 7 км наступают опасные для жизни нарушения дыхания и кровообращения. Особенно чувствительны к недостатку кислорода клетки мозга, в которых окислительные процессы протекают наиболее интенсивно.

Устойчивость к гипоксии характеризуется большими индивидуальными различиями.

Устойчивость к гипоксии может быть повышена в процессе тренировок короткими гипоксическими сеансами в барокамере. Адаптация к гипоксии повышает устойчивость организма не только к этому фактору, но и ко многим другим, т.е. обладает «перекрестным» защитным эффектом. Вследствие этого она имеет значительный спектр лечебных и профилактических эффектов и широко используется в клинике.

Длительное воздействие пониженного атмосферного давления в горах вызывает акклиматизацию к недостатку кислорода, обеспечивающую более экономичные приспособительные реакции:

1. Развитие гипоксической «глухоты» - значительное ослабление реакции дыхания на снижение парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе.

2. Повышение содержания в эритроцитах гемоглобина F, обладающего значительно большим по сравнению с гемоглобином А сродством к кислороду.

3. Снижение уровня 2,3-дифосфоглицерата в эритроцитах. Однако у коренных жителей Гималаев - шерпов, живущих на высоте 4 км и уровнем моря, ожидаемый уровень гемоглобина составляет 190 г/л крови, а реальный — 168 г/л. Содержание 2,3-дифосфоглицерата в эритроцитах ниже нормы. Это определяет сдвиг кривой дисоциации оксигемоглобина влево. Следовательно, для организма на больших высотах важнее не облегчить отдачу кислорода тканям, а достичь лучшего насыщения крови кислородом в легких.

4. Повышение плотности кровеносных капилляров в тканях, увеличение их длины и извилистости.

5. Мобилизация внутриклеточных локальных механизмов, например, белков теплового шока и антиоксидантных ферментов, повышающих устойчивость клеток к гипоксии.

6. Увеличение содержания миоглобина в скелетных мышцах и миокарде, а также количества митохондрий и их энергетической эффективности.

Ошибка Владимира Высоцкого.

Если парень в горах - не ах,

Если сразу раскис и - вниз,

Шаг ступил на ледник и - сник,

Оступился - и в крик,-

Значит, рядом с тобой - чужой,

Ты его не брани - гони:

Вверх таких не берут, и тут

Про таких не поют.

Нет, не изучал Владимир Высоцкий физиологию! Иначе он не стал бы в своей песне утверждать, что в горы способен подняться человек только сильной воли. Воля – это то, что при кислородной недостаточности выходит из-под контроля сознания в первую очередь и полагаться на того, кто «на вершине стоял хмельной», тоже не следовало бы…

Горная, или высотная болезнь – особый случай гипоксии в условиях высокогорья.

Чем выше горы, тем ниже атмосферное давление. Вместе с ним понижается и парциальное давление кислорода в окружающем воздухе. Это приводит к уменьшению содержания кислорода в артериальной крови, и, как следствие, снабжение кислородом всего организма ухудшается, притом что потребность в кислороде не изменяется. Чтобы компенсировать недостаток кислорода, развивается гипервентиляция, которая уменьшает содержание углекислого газа в крови, что еще более тормозит насыщение кислородом тканей.

Теоретически на некой заоблачной высоте возможно достигнуть такого понижения атмосферного давления, когда напряжение кислорода в крови окажется выше парциального давления в воздухе и кислород вместо того, чтобы проникать в кровь, начнет активно ее покидать. Однако это только теория, на практике человек намного раньше потеряет сознание от гипоксии и без оказания срочной помощи погибнет. Даже для тренированных людей восхождение на вершины сопряжено с риском для жизни. Чтобы свести вероятность трагического финала к минимуму, в снаряжении альпиниста всегда должен быть кислородный баллон. Тем не менее, в истории покорения Эвереста есть исключения: например, итальянец Рейнгольд Месснер в 1980 году совершил одиночное восхождение без кислородного баллона. Это стало возможным благодаря индивидуальным особенностям организма альпиниста и, разумеется, серьезной подготовке.

Признаки горной болезни у нетренированных людей начинают развиваться уже на высоте более 2 тыс. м. Сначала это выражается только в быстрой утомляемости и умственной заторможенности.

Выше – больше: высота 4 тыс. м – предел безопасности. За этим порогом критически ослабевает способность к принятию решений. Развиваются основные признаки горной болезни, которые можно неверно оценить как проявление слабости характера: человек становится слабовольным, его сознание затуманивается, появляются сонливость, одышка, головокружение, рвота, пропадает аппетит и развивается апатия. Кислородная недостаточность развивается даже в состоянии покоя, и потерять сознание можно еще до появления явных сигналов опасности, например во сне. У некоторых людей на высоте более 3 тыс. м горная болезнь напоминает алкогольное отравление. Вместо всех перечисленных симптомов у них появляется безудержная эйфория, совершенно исчезает чувство опасности, а поведение становится непредсказуемым. «Опьяненные высотой» -

это про них.

Высота 7 тыс. м – это критическая зона. Нетренированному человеку достигнуть такой высоты без кислородного баллона невозможно. Стремительно нарастающая гипоксия приводит к потере сознания, судорогам и смерти из-за необратимых изменений в центральной нервной системе. Особый случай – альпинисты. Специальная тренировка дает им возможность некоторое время находиться на высоте более 8 тыс. м без кислородного аппарата, но таких успехов можно достичь только в случае полной акклиматизации, на которую потребуется от нескольких месяцев до нескольких лет. Однако даже при хорошей подготовке не следует надеяться на выносливость организма – склоны высочайшей вершины мира стали последним приютом для многих смельчаков со всего света.

Все вышесказанное касается равнинных жителей, решивших покорить «крыши мира». В то же время многочисленные народы живут высоко в горах в течение многих столетий. Самые высокогорные поселения людей находятся в Андах на высоте приблизительно 5,3 тыс. м. Некоторые действующие шахты расположены еще выше — 6,2 тыс. м. Местные жители прекрасно обходятся без кислородных баллонов. Ничего странного или противоречивого в этом нет. Наш организм – очень подвижная и изменчивая система. Даже жители равнин (пусть не все) способны акклиматизироваться к условиям высокогорья, а среди коренных горных народов веками происходил естественный отбор, в результате которого в их организме закрепились наиболее выгодные для жизни в горах физиологические изменения. Например, в их крови значительно больше эритроцитов –6,44 млн шт. в 1 мкл против наших 4,5 -5 млн, а содержание гемоглобина составляет 201 г в 1 л, тогда как у людей, живущих на уровне моря, - всего 140-150 г.

Кроме того, у коренных жителей высокогорья грудная клетка гораздо шире и бочкообразнее, соответственно больше и объем легких. Сами они при этом не особенно рослые, поэтому у них более высокие показатели отношения объема легких к размерам тела. Сердце у них тоже крупнее, чем у жителей равнин, и оно эффективнее перекачивает кровь; сеть капиллров в легких и тканях гуще, что облегчает процесс усвоения и доставки кислорода. Этими анатомическими собенностями объясняется почему работоспособность у горцев выше, чем у низинных жителей.

Карлос Монхе еще в 1925 г. первым заметил, что у некоторых людей, проживающих всю жизнь в горах, возникают симптомы, сходные с признаками острой горной болезни. Они жаловались на головную боль, головокружение, хроническую усталость, в некоторых случаях доходило до сердечной недостаточности или инсультов. Даже в нынешние времена у некоторых коренных жителей ла-Паса (3500 м над уровнем моря) встречается цианоз (посинение губ и ногтей), а также утолщение концевых фаланг пальцев, характерное для болезни Монхе. Происходит это из-за застоя эритроцитов в капиллярах, которое приводит к замедлению скорости тока крови, а значит, и доставки кислорода к тканям.

Физическая нагрузка стимулирует дыхание, что обеспечивает возрастающие потребности организма в кислороде. При быстрой ходьбе, например, человек потребляет 2 – 2,5 л О₂, а при напряженной физической работе – до 4 л/мин (в покое – 250 мл/мин). При этом возникает кислородный долг – накапливаются недоокисленные продукты (молочная кислота). В случае умеренной физической нагрузки кислородный долг составляет 3-4 л, а при форсированной нагрузке он может достигать 10-20 л. Факторы, ведущие к увеличению вентиляции легких, разнообразны.

Во-п е р в ы х, дыхание усиливается в результате увеличения импульсации от двигательных центров и от коры большого мозга, которая проводится к мускулатуре, в том числе и к дыхательной, посредством активации дыхательных нейронов, что, собственно, и ведет к усилению дыхания. Важно отметить, что нервные влияния, стимулирующие дыхание, опережают изменения газового состава крови.

Во-вторых, дыхание стимулируется импульсами от проприорецепторов работающих мышц. Это подтверждается, например, результатом опыта с пассивными движениями конечности, когда потребление кислорода мышцами не увеличивается, как и выделение С0₂. Однако вентиляция легких возрастает.

В-т р е т ь и х, дыхание стимулируется изменением химизма крови и температуры тела (в первую очередь, работающих мышц). Увеличение Рсо₂ и уменьшение Ро₂, а также закисление среды усиливают вентиляцию легких. Закисление среды возрастает в основном за счет накопления молочной кислоты. Повышение температуры интенсивно работающих мышц увеличивает скорость диссоциации оксигемоглобина, как и увеличение образования СО₂, что повышает коэффициент использования О₂ в мышцах с 30-40 до 50-60 %. Однако изменения газового состава крови при мышечной работе крайне малы, так как при этом усиливается вентиляция легких вследствие активации первых двух механизмов.

Увеличению доставки О₂ к работающим мышцам и удалению СО₂ способствуют выход крови из депо и согласованное увеличение кровообращения в организме, особенно интенсивно — в работающем органе.