Газы, входящие в состав воздуха для дыхания, оказывают влияние на организм человека в зависимости от величины их парциального (частичного) давления:
где Pг - парциальное давление газа» кгс/см², мм рт. ст
или кПа;
Pa - абсолютное давление воздуха, кгс/см², мм рт. ст. или кПа.
Пример 1.2. В атмосферном воздухе содержится по объему 78% азота. 21% кислорода и 0,03% углекислого газа. Определить парциальное давление этих газов на поверхности и на глубине 40 м. Давление атмосферного воздуха принять равным 1 кгс/см².
Решение: 1) абсолютное давление сжатого воздуха на глубине 40 м по (1.2)
2) парциальное давление азота по (1.3) на поверхности
на глубине 40 м
3) парциальное давление кислорода на поверхности
на глубине 40 м
4) парциальное давление углекислого газа на поверхности
на глубине 40 м
Следовательно, парциальное давление газов, входящих в состав воздуха для дыхания, на глубине 40 м увеличилось в 5 раз.
Пример 1.3. По данным примера 1.2 определить, какое процентное содержание газов должно быть на глубине 40 м, чтобы их парциальное давление соответствовало нормальным условиям на поверхности.
Решение: 1) содержание азота в воздухе на глубине 40 м, соответствующее парциальному давлению на поверхности, по (1.3)
2) содержание кислорода при тех же условиях
3) содержание углекислого газа при тех же условиях
Следовательно, физиологическое действие на организм газов, входящих в состав воздуха для дыхания, на глубине 40 м будет таким же, как на поверхности, при условии, если их процентное содержание понизится в 5 раз.
Азот воздуха начинает оказывать токсическое действие практически при парциальном давлении 5,5 кгс/см² (550 кПа). Так как в атмосферном воздухе содержится примерно 78% азота, указанному парциальному давлению азота согласно (1.3) соответствует абсолютное давление воздуха 7 кгс/см² (глубина погружения - 60 м). На этой глубине у пловца появляется возбуждение, снижаются трудоспособность и внимательность, затрудняется ориентировка, иногда наблюдается головокружение. На больших глубинах (80... 100 м) часто развиваются зрительные и слуховые галлюцинации. Практически на глубинах 80... 90 м пловец становится нетрудоспособным, и спуск на эти глубины при дыхании воздухом возможен только на короткое время.
Кислород в больших концентрациях даже в условиях атмосферного давления действует на организм отравляюще. Так, при парциальном давлении кислорода 1 кгс/см² (дыхание чистым кислородом в атмосферных условиях) уже после 72-часового дыхания в легких развиваются воспалительные явления. При парциальном давлении кислорода более 3 кгс/см² через 15...30 мин возникают судороги и человек теряет сознание. Факторы, предрасполагающие к возникновению кислородного отравления: содержание во вдыхаемом воздухе примеси углекислого газа, напряженная физическая работа, переохлаждение или перегревание.
При малом парциальном давлении кислорода во вдыхаемом воздухе (ниже 0,16 кгс/см²) кровь, протекая через легкие, насыщается кислородом не полностью, что приводит к снижению работоспособности, а в случаях острого кислородного голодания - к потере сознания.
Углекислый газ. Поддержание нормального содержания углекислого газа в организме регулируется центральной нервной системой, которая очень чувствительна к его концентрации. Повышенное содержание углекислого газа в организме приводит к отравлению, пониженное - к снижению частоты дыхания и его остановке (апноэ). В нормальных условиях парциальное давление углекислого газа в атмосферном воздухе составляет 0,0003 кгс/см² (~30 Па). Если парциальное давление углекислого газа во вдыхаемом воздухе повысится более 0,03 кгс/см² (-3 кПа), организм уже не справится с выведением этого газа путем усиленного дыхания и кровообращения и могут наступить тяжелые расстройства.
Следует иметь в виду, что согласно (1.3) парциальному давлению 0,03 кгс/см² на поверхности соответствует концентрация углекислого газа 3%, а на глубине 40 м (абсолютное давление 5 кгс/см²) - 0,6%. Повышенное содержание углекислого газа во вдыхаемом воздухе усиливает токсическое действие азота, которое уже может проявиться на глубине 45 м. Вот почему необходимо строго следить за содержанием углекислого газа во вдыхаемом воздухе.
Насыщение организма газами. Пребывание под повышенным давлением влечет за собой насыщение организма газами, которые растворяются в тканях и органах. При атмосферном давлении на поверхности в организме человека массой 70 кг растворено около 1 л азота. С повышением давления способность тканей организма растворять газы увеличивается пропорционально абсолютному давлению воздуха. Так, на глубине 10 м (абсолютное Давление воздуха для дыхания 2 кгс/см²) в организме уже может быть растворено 2 л азота, на глубине 20 м (3 кгс/см²)-3 л азота и т. д.
Степень насыщения организма газами зависит от их парциального давления, времени пребывания под давлением, а также от скорости кровотока и легочной вентиляции.
При физической работе частота и глубина дыхания, а также скорость кровотока увеличиваются, поэтому насыщение организма газами находится в прямой зависимости от интенсивности физической нагрузки пловца-подводника. При одинаковой физической нагрузке скорость кровотока и легочная вентиляция у тренированного человека возрастают в меньшей степени, чем у нетренированного, и насыщение организма газами будет различным. Поэтому необходимо обращать внимание на повышение уровня физической тренированности, устойчивое функциональное состояние сердечно-сосудистой и дыхательной систем.
Снижение давления (декомпрессия) вызывает рассыщение организма от индифферентного газа (азота). Избыток растворенного газа при этом попадает из тканей в кровяное русло и током крови выносится в легкие, откуда путем диффузии удаляется в окружающую среду. При слишком быстром всплытии растворенный в тканях газ образует пузырьки различной величины. Током крови они могут разноситься по всему телу и вызывать закупорку кровеносных сосудов, что приводит к декомпрессионной (кессонной) болезни.
Газы, образовавшиеся в кишечнике пловца-подводника в период пребывания его под давлением, при всплытии расширяются, что может привести к болям в области живота (метеоризму). Поэтому всплывать с глубины на поверхность нужно медленно, а в случае длительного пребывания на глубине - с остановками в соответствии с таблицами декомпрессии (приложение 11.8).
Значение дыхания
Дыхание - жизненно необходимый процесс постоянного обмена газами между организмом и окружающей его внешней средой. В процессе дыхания человек поглощает из окружающей среды кислород и выделяет углекислый газ.
Почти все сложные реакции превращения веществ в организме идут с обязательным участием кислорода. Без кислорода невозможен обмен веществ, и для сохранения жизни необходимо постоянное поступление кислорода. В клетках и тканях в результате обмена веществ образуется углекислый газ, который должен быть удален из организма. Накопление значительного количества углекислого газа внутри организма опасно. Углекислый газ выносится кровью к органам дыхания и выдыхается. Кислород, поступающий в органы дыхания при вдохе, диффундирует в кровь и кровью доставляется к органам и тканям.
В организме человека и животных нет запасов кислорода, и поэтому непрерывное поступление его в организм является жизненной необходимостью. Если человек в необходимых случаях может прожить без пищи более месяца, без воды до 10 дней, то при отсутствии кислорода необратимые изменения наступают уже через 5-7 мин.
Состав вдыхаемого, выдыхаемого и альвеолярного воздуха
Производя попеременно вдох и выдох, человек вентилирует легкие, поддерживая в легочных пузырьках (альвеолах) относительно постоянный газовый состав. Человек дышит атмосферным воздухом с большим содержанием кислорода (20,9%) и низким содержанием углекислого газа (0,03%), а выдыхает воздух, в котором кислорода 16,3%, углекислого газа 4% (табл. 8).
Состав альвеолярного воздуха значительно отличается от состава атмосферного, вдыхаемого воздуха. В нем меньше кислорода (14,2%) и большое количество углекислого газа (5,2%).
Азот и инертные газы, входящие в состав воздуха, в дыхании участия не принимают, и их содержание во вдыхаемом, выдыхаемом и альвеолярном воздухе практически одинаково.
Почему в выдыхаемом воздухе кислорода содержится больше, чем в альвеолярном? Объясняется это тем, что при выдохе к альвеолярному воздуху примешивается воздух, который находится в органах дыхания, в воздухоносных путях.
Парциальное давление и напряжение газов
В легких кислород из альвеолярного воздуха переходит в кровь, а углекислый газ из крови поступает в легкие. Переход газов из воздуха в жидкость и из жидкости в воздух происходит за счет разницы парциального давления этих газов в воздухе и жидкости. Парциальным давлением называют часть общего давления, которая приходится на долю данного газа в газовой смеси. Чем выше процентное содержание газа в смеси, тем соответственно выше его парциальное давление. Атмосферный воздух, как известно, является смесью газов. Давление атмосферного воздуха 760 мм рт. ст. Парциальное давление кислорода в атмосферном воздухе составляет 20,94% от 760 мм, т. е. 159 мм; азота - 79,03% от 760 мм, т. е. около 600 мм; углекислого газа в атмосферном воздухе мало - 0,03%, поэтому и парциальное давление его составляет 0,03% от 760 мм - 0,2 мм рт. ст.
Для газов, растворенных в жидкости, употребляют термин "напряжение", соответствующий термину "парциальное давление", применяемому для свободных газов. Напряжение газов выражается в тех же единицах, что и давление (в мм рт. ст.). Если парциальное давление газа в окружающей среде выше, чем напряжение этого газа в жидкости, то газ растворяется в жидкости.
Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе 100-105 мм рт. ст., а в притекающей к легким крови напряжение кислорода в среднем 60 мм рт. ст., поэтому в легких кислород из альвеолярного воздуха переходит в кровь.
Движение газов происходит по законам диффузии, согласно которым газ распространяется из среды с высоким парциальным давлением в среду с меньшим давлением.
Газообмен в легких
Переход в легких кислорода из альвеолярного воздуха в кровь и поступление углекислого газа из крови в легкие подчиняются описанным выше закономерностям.
Благодаря работам великого русского физиолога Ивана Михайловича Сеченова стало возможно изучение газового состава крови и условий газообмена в легких и тканях.
Газообмен в легких совершается между альвеолярным воздухом и кровью путем диффузии. Альвеолы легких оплетены густой сетью капилляров. Стенки альвеол и капилляров очень тонкие, что способствует проникновению газов из легких в кровь и наоборот. Газообмен зависит от величины поверхности, через которую осуществляется диффузия газов, и разности парциального давления (напряжения) диффундирующих газов. При глубоком вдохе альвеолы растягиваются, и их поверхность достигает 100-105 м 2 . Так же велика и поверхность капилляров в легких. Есть, и достаточная, разница между парциальным давлением газов в альвеолярном воздухе и напряжением этих газов в венозной крови (табл. 9).
Из таблицы 9 следует, что разность между напряжением газов в венозной крови и их парциальным давлением в альвеолярном воздухе составляет для кислорода 110 - 40 = 70 мм рт. ст., а для углекислого газа 47 - 40 = 7 мм рт. ст.
Опытным путем удалось установить, что при разнице напряжения кислорода в 1 мм рт. ст. у взрослого человека, находящегося в покое, в кровь может поступить 25-60 мл кислорода в 1 мин. Человеку в покое нужно примерно 25-30 мл кислорода в 1 мин. Следовательно, разность давлений кислорода в 70 мм рт. ст, достаточна для обеспечения организма кислородом при разных условиях его деятельности: при физической работе, спортивных упражнениях и др.
Скорость диффузии углекислого газа из крови в 25 раз больше, чем кислорода, поэтому при разности давлений в 7 мм рт. ст., углекислый газ успевает выделиться из крови.
Перенос газов кровью
Кровь переносит кислород и углекислый газ. В крови, как и во всякой жидкости, газы могут находиться в двух состояниях: в физически растворенном и химически связанном. И кислород и углекислый газ в очень небольшом количестве растворяются в плазме крови. Большая часть кислорода и углекислого газа переносится в химически связанном виде.
Основной переносчик кислорода - гемоглобин крови. 1 г гемоглобина связывает 1,34 мл кислорода. Гемоглобин обладает способностью вступать в соединение с кислородом, образуя оксигемоглобин. Чем выше парциальное давление кислорода, тем больше образуется оксигемоглобина. В альвеолярном воздухе парциальное давление кислорода 100-110 мм рт. ст. При таких условиях 97% гемоглобина крови связывается с кислородом. Кровь приносит к тканям кислород в виде оксигемоглобина. Здесь парциальное давление кислорода низкое, и оксигемоглобин - соединение непрочное - высвобождает кислород, который используется тканями. На связывание кислорода гемоглобином оказывает влияние и напряжение углекислого газа. Углекислый газ уменьшает способность гемоглобина связывать кислород и способствует диссоциации оксигемоглобина. Повышение температуры также уменьшает возможности связывания гемоглобином кислорода. Известно, что температура в тканях выше, чем в легких. Все эти условия помогают диссоциации оксигемоглобина, в результате чего кровь отдает высвободившийся из химического соединения кислород в тканевую жидкость.
Свойство гемоглобина связывать кислород имеет жизненно важное значение для организма. Иногда люди гибнут от недостатка кислорода в организме, окруженные самым чистым воздухом. Это может случиться с человеком, оказавшимся в условиях пониженного давления (на больших высотах), где в разреженной атмосфере очень низкое парциальное давление кислорода. 15 апреля 1875 г. воздушный шар "Зенит", на борту которого находились три воздухоплавателя, достиг высоты 8000 м. Когда шар приземлился, то в живых остался только один человек. Причиной гибели людей было резкое снижение парциального давления кислорода на большой высоте. На больших высотах (7-8 км) артериальная кровь по своему газовому составу приближается к венозной; все ткани тела начинают испытывать острый недостаток в кислороде, что и приводит к тяжелым последствиям. Подъем на высоту более 5000 м обычно требует пользования особыми кислородными приборами.
При специальной тренировке организм может приспосабливаться к пониженному содержанию кислорода в атмосферном воздухе. У тренированного человека углубляется дыхание, увеличивается количество эритроцитов в крови за счет усиленного образования их в кроветворных органах и поступления из депо крови. Кроме того, усиливаются сердечные сокращения, что приводит к увеличению минутного объема крови.
Для тренировки широко применяют барокамеры.
Углекислый газ переносится кровью в виде химических соединений - бикарбонатов натрия и калия. Связывание углекислого газа и отдача его кровью зависят от его напряжения в тканях и крови.
Кроме того, в переносе углекислого газа участвует гемоглобин крови. В капиллярах тканей гемоглобин вступает в химическое соединение с углекислым газом. В легких это соединение распадается с освобождением углекислого газа. Около 25-30% выделяемого в легких углекислого газа переносит гемоглобин.
Когда делала прическу мне советовали в салоне купить Ринфолтил, нашла у этих ребят. витамины.com.ua.
Даже людям далеким от альпинизма и дайвинга известно, что дышать в определенных условиях человеку становится сложно. Такое явления связано со сменой парциального давления кислорода в окружающей среде, как следствие, и в крови самого человека.
Горная болезнь
Когда житель равнинной местности приезжает в отпуск в горы, кажется, что воздух там особенно чист и надышаться им просто невозможно.
На самом деле подобные рефлекторные позывы к частому и глубокому дыханию вызываются гипоксией. Чтобы человек выровнял парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе, ему требуется вентилировать собственные легкие как можно лучше первое время. Конечно, пребывая в условиях гор несколько дней или недель организм начинает привыкать к новым условиям за счет корректировки работы внутренних органов. Так ситуацию спасают почки, которые начинают выделять гидрокарбонат для усиления вентиляции легких и увеличивают в крови количество эритроцитов, способных переносить большее количество кислорода.
Таким образом, у жителей горных местностей уровень гемоглобина всегда оказывается выше, чем у равнинных.
Острая форма
В зависимости от особенностей организма норма парциального давления кислорода может отличаться для каждого человека в определенном возрасте, состоянии здоровья или просто от способности к акклиматизации. Именно поэтому покорять вершины суждено не всем, ведь даже имея огромное желание, человек не способен полностью подчинить себе свой организм и заставить его работать по-другому.
Очень часто у неподготовленных альпинистов при скоростном подъеме могут развиваться различные симптомы гипоксии. На высоте менее 4,5 км они проявляются головными болями, тошнотой, усталостью и резкой сменой настроения, поскольку нехватка кислорода в крови сильно отражается на работе нервной системы. Если подобные симптомы проигнорировать, то в дальнейшем образуется отек мозга или легких, каждый из которых способен привести к смерти.
Таким образом, игнорировать изменение парциального давления кислорода в окружающей среде строго запрещено, ведь оно всегда влияет на работоспособность всего человеческого организма.
Погружение под воду
Когда водолаз погружается в условия, где атмосферное давление ниже привычного уровня, его организм также сталкивается со своеобразной акклиматизацией. Парциальное давление кислорода на уровне моря является средней величиной и с погружением также меняется, но особую опасность для человека в данном случае представляет азот. На поверхности земли в равнинной местности он не влияет на людей, но после каждых 10 метров погружения постепенно сжимается и провоцирует в организме водолаза различные степени наркоза. Первые признаки такого нарушения могут проявляться уже после 37 метров под водой, особенно если человек проводит на глубине длительное время.
Когда атмосферное давление превышает 8 атмосфер, а достигается этот показатель уже после 70 метров под водой, водолазы начинают чувствовать азотный наркоз. Явление это проявляется ощущением алкогольного опьянения, которое нарушает координацию и внимательность подводника.
Чтобы избежать последствий
В случае, когда парциальное давление кислорода и других газов в крови отклонено от нормы и водолаз начинает ощущать признаки интоксикации, очень важно осуществлять его подъем максимально медленно. Связано это с тем, что при резком изменении давления диффузия азота провоцирует возникновение в крови пузырьков с данным веществом. Простым языком, кровь как будто закипает, и человек начинает чувствовать сильную боль в суставах. В дальнейшем у него могут развиваться нарушения зрения, слуха и работы нервной системы, что называют кессонной болезнью. Чтобы избежать такого явления, водолаза следует поднимать очень медленно или заменять в его дыхательной смеси азот гелием. Данный газ менее растворим, имеет меньшую массу и плотность, поэтому затраты на уменьшаются.
Если же подобная ситуация произошла, то человека необходимо срочно помещать в обратно среду с высоким давлением и ждать постепенной декомпрессии, которая может продолжаться до нескольких дней.
Для того чтобы изменился газовый состав крови, не обязательного покорять вершины или спускаться на морское дно. Различные патологии сердечно-сосудистой, мочевыделительной и дыхательной систем также способны влиять на изменение давления газов в главной жидкости человеческого организма.
Для точного определения диагноза у пациентов берутся соответствующие анализы. Чаще всего врачей интересует парциальное давление кислорода и углекислого газа, поскольку они обеспечивают полноценное дыхание всех органов человека.
Давление в данном случае представляет собой процесс растворения газов, который показывает, насколько эффективно в организме работает кислород и соответствуют ли его показатели нормам.
Малейшие отклонения указывают на то, что у пациента имеются отклонения, влияющие на способность использовать поступающие в организм газы по максимуму.
Нормы давления
Норма парциального давления кислорода в крови понятие относительное, поскольку может варьироваться в зависимости от множества факторов. Чтобы правильно определить свой диагноз и получить лечение, с результатами анализов необходимо обращаться к специалисту, способному учесть все индивидуальные характеристики пациента. Конечно, существуют и эталонные нормы, которые принято считать идеальными для здорового взрослого человека. Так, в крови пациента без отклонений имеется:
- углекислый газ в количестве 44,5-52,5 %;
- его давление 35-45 мм рт. ст.;
- насыщение жидкости кислородом 95-100 %;
- О 2 в количестве 10,5-14,5 %;
- парциальное давление кислорода в крови 80-110 мм рт. ст.
Чтобы во время сдачи анализа результаты соответствовали действительности, необходимо учесть целый ряд факторов, способных повлиять на их корректность.
Причины отклонения от нормы, зависящие от пациента
Парциальное давление кислорода в артериальной крови может меняться очень быстро в зависимости от различных обстоятельств, поэтому, чтобы результат анализа был максимально точным, следует учитывать следующие особенности:
- норма давления всегда уменьшается с увеличением возраста пациента;
- при переохлаждении снижается давление кислорода и давление углекислого газа, а уровень рН увеличивается;
- при перегреве ситуация обратная;
- действительный показатель парциального давления газов будет виден только при заборе крови у пациента с температурой тела в пределах нормы (36,6-37 градусов).
Причины отклонения от нормы, зависящие от медработников
Кроме учета таких особенностей организма самого пациента, специалисты для корректности результатов также должны соблюдать определенные нормы. В первую очередь на парциальное давление кислорода влияет наличие пузырьков воздуха в шприце. Вообще, любой контакт анализа с окружающим воздухом способен изменить результаты. Также важно после забора крови аккуратно перемешать ее в емкости, чтобы эритроциты не оседали на дне пробирки, что также способно сказаться на результатах анализа, демонстрирующих уровень гемоглобина.
Очень важно придерживаться и норм времени, отведенных на проведение анализа. По правилам, все действия должны осуществляться в пределах четверти часа после забора, и если этого времени недостаточно, то емкость с кровью должна помещаться в ледяную воду. Только так можно остановить процесс потребления кислорода клетками крови.
Специалисты также должны своевременно калибровать анализатор и брать анализы только шприцами с сухим гепарином, который сбалансирован электролитически и не оказывает влияния на кислотность пробы.
Результаты анализов
Как уже понятно, парциальное давление кислорода в воздухе способно оказывать на организм человека заметное влияние, но уровень давления газов в крови может нарушаться и по другим причинам. Чтобы определить их правильно, расшифровку следует доверять только опытному специалисту, способному учесть все особенности каждого пациента.
На гипоксию в любом случае будет указывать снижение уровня давления кислорода. Изменение уровня рН крови, как и давления углекислого газа или изменение уровня бикарбонатов, может указывать на ацидоз или алкалоз.
Ацидоз представляет собой процесс закисления крови и характеризуется повышением давления углекислого газа, снижением уровня рН крови и бикарбонатов. В последнем случае диагноз будет озвучен как метаболический ацидоз.
Алкалоз представляет собой повышение щелочности крови. О нем будет свидетельствовать повышенное давление углекислого газа, увеличение числа бикарбонатов, а следовательно, и изменение уровня рН крови.
Заключение
На работоспособность организма влияет не только качественное питание и физические нагрузки. Каждый человек привыкает к определенным климатическим условиям жизни, в которых чувствует себя максимально комфортно. Их изменение провоцирует не только плохое самочувствие, но и полную смену определенных показателей крови. Чтобы определить по ним диагноз, следует тщательно подбирать специалиста и следить за соблюдением всех норм забора анализов.
Из Ливерпульской гавани всегда по четвергам Суда уходят в плавание к далеким берегам.
Редьярд Киплинг
2 декабря 1848 года, в пятницу, а совсем не в четверг (согласно утверждению Р. Киплинга), пароход Лондоидери отправился из Ливерпуля в Слиго с двумястами пассажиров, по большей части эмигрантов.
Во время плавания случилась буря и капитан велел всем пассажирам сойти с палубы. Общая каюта для пассажиров третьего класса имела длины 18 футов, ширины - 11, высоты 7. В этом тесном пространстве и скучились пассажиры; им было бы только очень тесно, если бы люки оставались открытыми; но капитан велел закрыть их, и по неизвестной причине велел затянуть наглухо клеенкой вход в каюту. Несчастные пассажиры таким образом должны были дышать все одним и тем же, не возобновляющимся воздухом. Это скоро сделалось невыносимым. Воспоследствовала страшная сцена насилия и безумия, при стонах умирающих и проклятиях более сильных: она прекратилась лишь после того, когда одному из пассажиров удалось силой вырваться на палубу и призвать лейтенанта, перед которым открылось страшное зрелище: семьдесят два из пассажиров уже умерли, и многие умирали; их члены были судорожно скорчены, и кровь выступала у них из глаз, из ноздрей и ушей. Спустя 152 года история повторилась и 19 июня 2000 г. в другом английском порту - Дувре таможенная служба обнаружила в кузове голландского грузовика в наглухо закрытом контейнере, предназначенном для перевозки помидоров, 58 трупов и двух живых нелегальных эмигрантов из страны.
Конечно, приведенные случаи являются вопиющими, из ряда вон выходящими. Однако та же причина обусловливает бледность людей выходящих из церкви, набитой народом; усталость после нескольких часов, проведенных в театре, в концертном зале, лекционной аудитории, во всякой дурно проветренной комнате. При этом чистый воздух приводит к исчезновению всех неблагопртгятных проявлений.
Древние не представляли себе эту причину; да и ученые шестнадцатого и семнадцатого столетий плохо в ней ориентировались. Толчком к ее расшифровке послужили труды Престлея, который открыл, что кислород, содержащийся в атмосферном воздухе, имеет свойство превращать венозную кровь в артериальную. Лавуазье довершил это открытие и основал химическую теорию дыхания. Гудвин (1788) приложил новые воззрения к асфиксии (удушению) и доказал рядом опытов, что когда атмосфера остается неизменной, неминуемо наступает смерть. Биша заключил из множества разительных опытов, что между дыханием, кровообращением и нервной деятельностью существует тесная связь; он показал, что прилив венозной крови к мозгу останавливает его деятельность и затем деятельность сердца. Легал- луа распространил эти наблюдения и на спинной мозг. Клод Бернар доказал, что венозная кровь не ядовита, хотя и лишена свойства поддерживать жизнь.
ГИПОКСИЯ (hypoxia; греч. hypo - под, ниже, мало + лат. oxygenium - кислород) или «кислородное голодание», «кислородная недостаточность» - типовой патологический процесс, который вызывают недостаточное поступление кислорода в ткани и клетки организма или нарушения его использования при биологическом окислении.
Наряду с гипоксией выделяют «аноксию» - т.е. полное отсутствие кислорода или полное прекращение окислительных процессов (реально такое состояние не встречается) и «гипоксемию» - пониженное напряжение и содержание кислорода в крови.
По причинам гипоксии она может быть экзогенной, обусловленной внешними факторами (это прежде всего недостаток кислорода во вдыхаемом воздухе - гипоксическая гипоксия, и наоборот, избыток кислорода во вдыхаемом воздухе- гипероксическая гипоксия) и эндогенной, обусловленной патологией организма.
Экзогенная гипоксическая гипоксия в свою очередь может быть нормобарической, т.е. развивающейся при нормальном барометрическом давлении, но сниженном парциальном давлении кислорода во вдыхаемом воздухе (например, при нахождении в замкнутых помещениях малого обьема, как это имело место в описанном выше случае, работах в шахтах, колодцах при неисправных системах кислородообеспечения, в кабинах летательных аппаратов, подводных лодках, в медицинской практике при неисправностях наркозо-дыхательной аппаратуры), и гипобарической, обусловленной общим снижением барометрического давления (при подъеме в горы - «горная болезнь» или в негерметизированных летательных аппаратах без индивидуальных кислородных систем - «высотная болезнь»).
Эндогенную же гипоксию можно подразделить на
Респираторную (вариант гипоксической гипоксии): затруднение поступления кислорода в организм, нарушение альвеолярной вен гиляции;
Гемическую как результат патологии переносчика кислорода - гемоглобина, приводящей к уменьшению кислородной емкости крови: а - дефицит гемоглобина при кровопотере, гемолизе эритроцитов, нарушении кроветворения, б - нарушение связывания 0 2 с гемоглобином (угарный газ или окись углерода СО имеет сродство к гемоглобину в 240 раз больше, чем кислород, и при отравлении этим газом он блокирует временное соединение кислорода с гемоглобином, образуя стойкое соединение- карбоксигемоглобин (при содержании СО в воздухе порядка 0,005 до 30% гемоглобина превращается в НЬСО, а при 0,1% СО образуется уже около 70% НЬСО, что для организма смертельно); при действии на гемоглобин сильных окислителей (нитратов, нитритов, окислов азота, производных анилина, бензола, некоторых инфекционных токсинов, лекарственных веществ: фенацитина, амидопирина, сульфаниламидов - метгемоглобинообразователей, превращающих двухвалентное железо гема в трехвалентную форму) образуется метгемоглобин; в- замена нормального гемоглобина на патологические формы - гемоглобинопатии; г - разведение крови - гемодилюции;
Циркуляторную: а - застойный тип - снижение минутного объема сердца, б - ишемический тип - нарушение микроциркуляции;
Тканевую (гистотоксическую - в результате нарушения утилизации кислорода тканями): блокада окислительных ферментов (а - специфическое связывание активных центров- цианистый калий; б- связывание функциональных групп белковой части молекулы - соли тяжелых металлов, алкилирующие агенты; г - конкурентное торможение - ингибирование сукцинатдегидрогеназы малоновой и другими дикарбоновыми кислотами), авитаминозы (группы «В»), дезинтеграция биологических мембран, гормональные расстройства;
Связанную с уменьшением проницаемости гематопаренхиматозных барьеров: ограничение диффузии 0 2 через капиллярную мембрану, ограничение диффузии 0 2 через межклеточные пространства, ограничение диффузии 0 2 через клеточную мембрану.
Смешанный тип гипоксии.
По распространенности гипоксии различают а) местную (часто при локальном нарушении гемодинамики) и б) общую.
По скорости развития: а) молниеносную (развивается до тяжелой и даже смертельной степени в течение нескольких секунд, б) острую (в течение нескольким минут или десятков минут, в) подострую (несколько часов или десятков часов), г) хроническую (длится неделями, месяцами, годами).
По степени тяжести: а) легкая, б) умеренная, в) тяжелая, г) критическая (смертельная).
В патогенезе гипоксии можно выделить несколько основополагающих механизмов: развитие энергетического дефицита, нарушение обновления белковых структур, нарушение структуры мембран клеточных и органоид- ных, активация протеолиза, развитие ацидоза.
Метаболические нарушения ранее всего развиваются в энергетическом и углеводном обмене, в результате чего уменьшается в клетках содержание ΛΤΦ при одновременном возрастании продуктов его гидролиза - АДФ и АМФ. Кроме того, в цитоплазме накапливается НАД Н 2 (Из-
быток «собственного» внутримитохондриального НАД*Н? , формирующийся при выключении дыхательной цепи, гормозит работу челночных механизмов и цитоплазматический НАДН 2 теряет возможность передавать гидрид-ионы в дыхательную цепь митохондрий). В цитоплазме НАД-Н 2 может окисляться, восстанавливая пируват до лактата, а именно этот процесс инициируется при недостатке кислорода. Следствием его является избыточное образование в тканях молочной кислоты. Увеличение содержания АДФ как следствие недостаточности аэробного окисления активирует гликолиз, что также ведет к увеличению в тканях количества молочной кислоты. Недостаточность окислительных процессов приводит и нарушению других видов обмена: липидного, белкового, электролитного, обмена нейромедиаторов.
Вместе с тем развитие ацидоза влечет за собой гипервентиляцию легких, формирование гипокапнии и как следствие - газовый алкалоз.
Основную роль в развитии необратимых повреждений клетки при гипоксии на основании данных электронной микроскопии приписывают изменениям клеточных и митохондриальной мембран, причем, вероятно, именно мембраны митохондрий страдают в первую очередь.
Блокирование энергозависимых механизмов поддержания ионного баланса и нарушение проницаемости клеточных мембран в условиях недостаточного синтеза АТФ изменяет концентрацию К\ Na + и Са 2+ , при этом митохондрии теряют способность накапливать ионы Са~ + и в цитоплазме его концентрация возрастает. Непоглощенный митохондриями и находящийся в цитоплазме Са~ + в свою очередь является активатором деструктивных процессов в мембранах митохондрий, действующим опосредованно через стимуляцию фермента фосфолипазы А 3 , которая катализирует гидролиз митохондриальных фосфолипидов.
Метаболические сдвиги в клетках и тканях имеют следствием нарушения функций органов и систем организма.
Нервная система. Прежде всего страдают сложные аналитико-синтетические процессы. Нередко первоначально наблюдаются своеобразная эйфория, потеря способности адекватно оценивать обстановку. При нарастании гипоксии развиваются грубые нарушения ВНД вплоть до утраты способности к простому счету, помрачения и полной потери сознания. Уже на ранних этапах наблюдаются расстройства координации вначале сложных (не может вдернуть нитку в иголку), а затем и простейших движений, а затем отмечается адинамия.
Сердечно-сосудистая система. При нарастающей гипоксии выявляются тахикардия, ослабление сократительной способности сердца, аритмия вплоть до фибрилляции предсердий и желудочков. Артериальное давление после первоначального подъема прогрессивно падает вплоть до развития коллапса. Выражены и расстройства микроциркуляции.
Дыхательная система. Стадия активации дыхания сменяется диспноэ- тическими явлениями с различными нарушениями ритма и амплитуды дыхательных движений (дыхание Чейна-Сгокса, Куссмауля). После нередко на-
ступающей кратковременной остановки появляется терминальное (агональное) дыхание в виде редких глубоких судорожных «вздохов», постепенно ослабевающих вплоть до полного прекращения. В конечном счете, смерть наступает от паралича дыхательного центра.
Механизмы адаптации организма к гипоксии можно разделить, во-первых, на механизмы пассивной, а во-вторых, активной адаптации. По длительности эффекта их можно подразделить на срочные (экстренные) и долговременные.
Под пассивной адаптацией обычно подразумевают ограничение подвижности организма, а значит снижение потребности организма в кислороде.
Активная адаптация включает в себя реакции четырех порядков:
Реакции I порядка - реакции, направленные на улучшение доставки кислорода к клеткам: увеличение альвеолярной вентиляции за счет учащения и углубления дыхательных движений - тахипноэ (одышка), а также мобилизации резервных альвеол, тахикардия, увеличение легочного кровотока, уменьшение радиуса тканевого цилиндра, увеличение массы циркулирующей крови за счет ее выхода из депо, централизация кровообращения, активация эритропоэза, изменение скорости отдачи 0 2 гемоглобином.
Реакции II порядка - реакции на тканевом, клеточном и субклеточном уровнях, направленные на увеличение способности клеток утилизировать кислород: активация работы дыхательных ферментов, активация биогенеза митохондрий (при гипоксии функция отдельной митохондрии падает на 20%, что компенсируется возрастанием их количества в клетке), снижение критического уровня р0 2 (т.е. уровня, ниже которого скорость дыхания зависит от количества кислорода в клетке).
Реакции III порядка - изменение типа обмена в клетке: увеличивается доля гликолиза в энергетическом обеспечении клетки (гликолиз уступает дыханию в 13-18 раз).
Реакции IV порядка - повышение резистентности ткани к гипоксии за счет мощности энергосистем, активации гликолиза и снижения критического уровня р0 2 .
Долговременная адаптация характеризуется стойким увеличением диффузионной поверхности легочных альвеол, более совершенной корреляцией вентиляции и кровотока, компенсаторной гипертрофией миокарда, увеличением содержания гемоглобина в крови, активацией эритропоэза, а также увеличением количества митохондрий на единицу массы клетки.
ГОРНАЯ БОЛЕЗНЬ представляет собой вариант экзогенной гипобарической гипоксической гипоксии. Давно известно, что подъем на большую высоту вызывает болезненное состояние, типичными симптомами которого являются тошнота, рвота, желудочно-кишечные расстройства, физическая и умственная депрессия. Индивидуальная устойчивость к кислородному голоданию имеет широкий диапазон колебаний, на что обращали внимание многие исследователи при изучении горной болезни. Некоторые люди страдают от горной болезни уже на относительно небольших высотах (2130-
2400 м над уровнем моря), в то время как другие бывают сравнительно устойчивы и к большим высотам. Указывалось, что подъем на 3050 м может вызывать у некоторых людей симптомы горной болезни, в то время как другие могут достичь высоты 4270 м без каких бы то ни было проявлений горной болезни. Однако на высоту 5790 м очень немногие люди могут подняться без проявления заметных симптомов горной болезни.
Ряд авторов наряду с горной болезнью выделяют еще и высотную болезнь, возникающую при быстрых (за несколько минут) подъемах на большие высоты, которая часто протекает без каких-либо неприятных ощущений - субъективно бессимптомно. И в этом ее коварство. Она возникает при полетах на больших высотах без применения кислорода.
Систематические опыты по расшифровке патогенеза горной (высотной) болезни были выполнены Полем Бэром, который пришел к заключению, что понижение давления окружающей животное атмосферы действует лишь постольку, поскольку при этом уменьшается напряжение находящегося в этой атмосфере кислорода, т.е. наблюдаемые изменения в организме животного при разряжении атмосферы оказываются во всех отношениях совершенно тождественными с теми, что наблюдаются при уменьшении количества кислорода во вдыхаемом воздухе. Отмечается параллелизм между тем и другим состоянием не только качественный, но и количественный, если только в основание сравнения положить не процентное содержание кислорода во вдыхаемой смеси, а лишь исключительно напряжение в ней этого газа. Так, уменьшение количества кислорода в воздухе, когда его напряжение со 160 мм рт. ст. понижается до 80 мм рт. ст., может быть вполне сравнимо с разряжением воздуха вдвое, когда давление понизится с 760 мм рт. ст. (нормальное атмосферное давление) до 380 мм рт. ст.
Paul Bert помещал животное (мышь, крысу) под стеклянный колокол и откачивал из него воздух. При понижении давления воздуха на 1/3 (при падении давления до 500 мм рт. ст. или при понижении напряжения кислорода приблизительно до 105 мм рт. ст.) не отмечалось со стороны животного никаких ненормальных явлений; при понижении давления на 1/2 (при давлении в 380 мм рт. ст., т.е. при напряжении кислорода около 80 мм рт. ст.), у животных наблюдались лишь несколько апатичное состояние и стремление сохранить неподвижное состояние; наконец при дальнейшем понижении давления развивались все явления, связанные с недостатком кислорода. Наступление смерти наблюдалось обычно при понижении напряжения кислорода до 20-30 мм рт. ст.
В другом варианте опытов Paul Bert помещал животное уже в атмосферу чистого кислорода и затем разряжал ее. Как и следовало ожидать а priori, разряжение можно было доводить до гораздо более значительных степеней, чем воздуха. Так, первые признаки влияния разряжения в виде некоторого учащения дыхания появляются при давлении 80 мм рт. ст. - в случае воздуха 380 мм рт. ст. Таким образом, для получения в разряженном кислороде тех же явлений, что и в воздухе, степень разряжения кислорода должна быть в 5 раз больше, чем степень разряжения атмосферного
воздуха. Принимая во внимание, что атмосферный воздух содержит в своем составе по объему 1/5 часть кислорода, т.е. на долю кислорода приходится лишь пятая часть общего давления, ясно видно, что наблюдаемые явления зависят только от напряжения кислорода, а не от величины давления окружающей атмосферы.
На развитие горной болезни существенно влияет и двигательная активность, что было блестяще доказано Regnard’oM (1884) при помощи следующего демонстративного опыта. Под стеклянный колокол помещались две морские свинки - одной предоставлялась полная свобода поведения, а другая находилась в «беличьем» колесе, приводившемся в движение электромотором, в результате чего животное вынуждено было постоянно бежать. Пока воздух в колоколе оставался под обычным атмосферным давлением, бег свинки проходил вполне беспрепятственно, и она, по-видимому, не испытывала никакой особенной усталости. Если давление доводили до половины атмосферного или несколько ниже, то свинка, не побуждаемая к движению, оставалась неподвижной, не проявляя ни в чем никаких признаков страдания, в то время как находившееся внутри «беличьего» колеса животное обнаруживало явные затруднения в беге, постоянно спотыкалось и, наконец, в изнеможении падало на спину и оставалось без всяких активных движений, позволяя увлекать себя и бросать с места на место вращающимся стенкам клетки. Таким образом, то же самое понижение давления, которое переносится еще очень легко животным, находящимся в состоянии полного покоя, оказывается уже гибельным для животного, принужденного производить усиленные мышечные движения.
Лечение горной болезни: патогенетическое - спуск с горы, дача кислорода или карбогена, дача кислых продуктов; симптоматическое- воздействие на симптомы заболевания.
Профилактика - оксигенопрофилактика, кислые продукты и возбуждающие средства.
Повышенное поступление кислорода в организм получило название ГИПЕРОКСИИ. В отличие от гипоксии гипероксия всегда носит экзогенный характер. Она может быть получена: а) при росте содержания кислорода во вдыхаемой газовой смеси, б) увеличении давления (барометрического, атмосферного) смеси газов. В отличие от гипоксии гипероксия в значительной степени в природных условиях не встречается и животный организм не мог приспособиться к ней в процессе эволюции. Однако все же адаптация к гипероксии существует и в большинстве случаев проявляется уменьшением легочной вентиляции, уменьшением кровообращения (урежение пульса), уменьшении количества гемоглобина и эритроцитов (пример: кессонная анемия). Человек может достаточно длительный период дышать смесью газов с повышенным содержанием кислорода. Первые полеты американских астронавтов осуществлялись на аппаратах, в кабинах которых создавалась атмосфера с избыточным содержанием кислорода.
При вдыхании кислорода под повышенным давлением развивается ГИ- ПЕРОКСИЧЕСКАЯ ГИПОКСИЯ, на которой следует остановиться особо.
Без кислорода жизнь невозможна, но сам он способен оказывать токсический эффект, сравнимый со стрихнином.
При гипероксической гипоксии высокое напряжение кислорода в тканях ведет к окислительной деструкции (разрушению) митохондриальных структур, инактивации многих энзимов (ферментов), особенно содержащих в своем составе сульфгидрильные группы. Имеет место образование свободных кислородных радикалов, нарушающих образование ДНК и тем самым извращающих синтез белка. Следствием системной ферментной недостаточности является падение в мозге содержанияу-аминобутирата - главного т ор- мозного медиатора серого вещества, что и обусловливает судорожный синдром кортикального генеза.
Токсический эффект кислорода может проявиться при длительном дыхании смесью газов с парциальным давлением кислорода 200 мм рт. ст. При парциальных давлениях менее 736 мм рт. ст. гистотоксический эффект выражен преимущественно со стороны легких и проявляется либо в воспалительном процессе (высокое парциальное давление кислорода в альвеолах, артериальной крови и тканях является патогенным раздражителем, приводящим к рефлекторному спазму микрососудов легких и нарушению микроциркуляции и как результат повреждению клеток, что предрасполагает к воспалению), либо в диффузном микроателектазировании легких из-за разрушения свободнорадикальным окислением системы сурфактанта. Выраженный ателектаз легкого отмечается у летчиков, начинающих дышать кислородом задолго до набора высоты, при которой требуется дополнительная дача газа.
При 2500 мм рт. ст. кислородом насыщена не только артериальная и венозная кровь, в силу чего последняя не способна удалять из тканей С0 2 .
Дыхание же газовой смесью, парциальное давление кислорода в которой выше, чем 4416 мм рт. ст., приводит к тонико-клоническим судорогам и потере сознания в течение нескольких минут.
Организм приспосабливается к избытку кислорода, включая на первых парах те же механизмы, что и при гипоксии, но с противоположной направленностью (урежение дыхания и его глубины, урежение пульса, уменьшение массы циркулирующей крови, количества эритроцитов), но при развитии гипероксической гипоксии адаптация идет как и при других видах гипоксий.
ОСТРОЕ ОТРАВЛЕНИЕ КИСЛОРОДОМ клинически протекает в три стадии:
I стадия - учащение дыхания и сердцебиения, повышение артериального давления, расширение зрачков, усиление активности с отдельными подергиваниями мышц.
Если над жидкостью находится смесь газов, то каждый газ растворяется в ней соответственно его парциальному давлении, в смеси, т. е. тому давлению, которое приходится на его долю. Парциальное давление любого газа в газовой смеси можно вычислить, зная общее давление газовой смеси и ее процентный состав. Так, при атмосферном давлении воздуха 700 мм рт.ст. парциальное давление кислорода составляет примерно 21% от 760 мм, т. е. 159 мм, азота - 79% от 700 мм, т. е. 601 мм.
При расчете парциального давления газов в альвеолярном воздухе следует учесть, что он насыщен водяными парами, парциальное давление которых при температуре тела равно 47 мм рт. ст. Поэтому на долю остальных газов (азота, кислорода, углекислого газа) приходится уже не 700 мм, а 700-47 - 713 мм. При содержании кислорода в альвеолярном воздухе, равном 14,3%, парциальное давление его будет равно только 102 мм; при содержании углекислого газа, равном 5,6%, парциальное давление его равно 40 мм.
Если жидкость, насыщенная газом при определенном парциальном давлении придет в соприкосновение с тем же газом, но имеющим меньшее давление, то часть газа выйдет из раствора и количество растворенного газа уменьшится. Если же давление газа будет выше, тогда в жидкости растворится большее количество газа.
Растворение газов зависит от парциального давления, т. е. давления именно данного газа, а не общего давления газовой смеси. Поэтому, например, кислород, растворенный в жидкости, будет выходить в атмосферу азота так же, как и в пустоту, даже в том случае, когда азот находится под очень большим давлением.
При соприкосновении жидкости с газовом смесью определенного состава количество газа, поступившего в жидкость или вышедшего из нее, зависит не только от соотношения давлений газа в жидкости и в газовой смеси, но и от их объемов. Если большой объем жидкости соприкасается с большим объемом газовой смеси, давление которой резко отличается от давления газов в жидкости, то из последней могут выйти или могут войти в нее большие количества газа. Напротив, если достаточно большой объем жидкости соприкасается с газовым пузырьком малого объема, то из жидкости выйдет или войдет в нее очень небольшое количество газа в газовый состав жидкости практически не изменится.
Для газов, растворенных в жидкости, употребляется термин «напряжение », соответствующий термину «парциальное давление» для свободных газов. Напряжение выражается в тех же единицах, что и давление, т.е.в атмосферах или в миллиметрах ртутного или водяного столба. Если напряжение газа равно 1,00 мм рт. ст., то это означает, что растворенная в жидкости газ находится в равновесии со свободным газом, находящихся под давлением 100 мм.
Если напряжение растворенного газа не равно парциальному давлению свободного газа, то равновесие нарушается. Оно восстанавливается, когда эти две величины снова станут равны друг другу. Например, если напряжение кислорода в жидкости замкнутого сосуда равно 100 мм, а давление кислорода в воздухе этого сосуда 150 мм, то кислород будет входить а жидкость.
При этом напряжение кислорода в жидкости будет уволичиваться, а его давление вне жидкости уменьшаться, пока не установится новое динамическое равновесие и обе эти величины не сравняются, получив какое-то новое значение между 150 и 100 мм. Как изменится в данном оучае давление и напряжение, зависит от относительных объемов газа и жидкости.
