Влияние на организм пониженного парциального давления кислорода в воздухе и процессы приспособления. Парциальное давление кислорода в артериальной крови Парциальное давление со2 в крови

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.

1.8 Парциальное напряжение кислорода в крови

PaO2- парциональное напряжение кислорода в артериальной крови. Это напряжение физически распространённого кислорода в плазме артериальной крови под влиянием парциального давления, равного 100мм рт.ст.(PaO2 = 100мм рт.ст). В каждых 100 мл плазмы содержится 0,3 мл кислорода. Содержание О2 в артериальной крови у тренированных спортсменов в условиях покоя не отличается от содержания его у неспортсменов. При физической нагрузке в артериальной крови, притекающей к мышцам происходит ускоренный распад оксигемоглобина с выделением свободного О2, поэтому PaO2 увеличивается

PвO2 - парциальное напряжение кислорода в венозной крови. Это напряжение физически растворённого кислорода в плазме венозной крови, оттекающей от ткани (мышцы). Характеризует способность ткани к утилизации кислорода. В покое равно 40-50 мм рт.ст. При максимальной работе, из-за интенсивной утилизации О2 работающими мышцами, снижается до 10-20 мм рт. ст.

Разница между PaO2 и PвO2 есть величина АВР-О2- артериально-венозная разность по кислороду. Характеризует способность ткани к утилизации кислорода. АВР-О2 - разность между содержанием кислорода в артериальной крови, выбрасываемой в системные артерии из левого желудочка, и в венозной крови, притекающей к правому предсердию.

При развитии аэробной выносливости происходит выраженная саркоплазматическая гипертрофия скелетной мускулатуры, что приводит к снижению кислорода в венозной крови (РвО2), и соответствующему увеличению АВР-О2. Так если в покое РвО2 у мужчин и женщин составляет 30мм рт.ст, то после упражнения на выносливость у нетренированных мужчин РвО2=13мм рт.ст, у нетренированных женщин 14мм рт.ст. Соответственно у тренированных мужчин и женщин-10 и 11мм рт.ст. У женщин содержание гемоглобина, ОЦК и содержание кислорода в артериальной крови меньше, поэтому при равном содержании кислорода в венозной крови суммарная системная АВР-О2 у женщин меньше. В покое она равна 5,8мл О2 на 100мл крови, против 6,5 у мужчин. После выполнения упражнения у нетренированных женщин АВР-О2=11,1мл О2/100мл крови, против 14 у нетренированных мужчин. В результате тренировки АВР-О2 увеличивается как у женщин, так и у мужчин в результате снижения содержания кислорода в венозной крови (соответственно 12,8 и 15,5).

Согласно формуле Фика (ПО2(МПК)=СВ*АВР-О2), произведение СВ на АВР-О2 определяет максимальное потребление кислорода и является важным показателем аэробной выносливости. Спортсмены, тренирующие выносливость более эффективно реализуют свои кислородтранспортные возможности, так как используют больше кислорода, содержащегося в каждом миллилитре крови, чем нетренированные люди.

1.9 Влияние оздоровительной тренировки на гемодинамику организма

В результате оздоровительной тренировки повышаются функциональные возможности сердечно-сосудистой системы. Происходит экономизация работы сердца в состоянии покоя и повышение резервных возможностей аппарата кровообращения при мышечной деятельности. Один из важнейших эффектов физической тренировки - урежение ЧСС в покое (брадикардия) как проявление экономизации сердечной деятельности и более низкой потребности миокарда в кислороде. Увеличение продолжительности фазы диастолы (расслабления) обеспечивает больший кровоток и лучшее снабжение сердечной мышцы кислородом. У лиц с брадикардией случаи заболевания ишемической болезнью сердца (ИБС) выявлены значительно реже, чем у людей с частым пульсом. Считается, что увеличение ЧСС в покое на 15 уд/мин повышает риск внезапной смерти от инфаркта на 70 % .Такая же закономерность наблюдается и при мышечной деятельности.

При выполнении стандартной нагрузки на велоэргометре у тренированных мужчин объем коронарного кровотока почти в 2 раза меньше, чем у нетренированных (140 против 260 мл/мин на 100 г ткани миокарда), соответственно в 2 раза меньше и потребность миокарда в кислороде (20 против 40 мл/мин на 100г ткани). Таким образом, с ростом уровня тренированности потребность миокарда в кислороде снижается как в состоянии покоя, так и при субмаксимальных нагрузках, что свидетельствует об экономизации сердечной деятельности. По мере роста тренированности и снижения потребности миокарда в кислороде повышается уровень пороговой нагрузки, которую испытуемый может выполнить без угрозы ишемии миокарда и приступа стенокардии.

Наиболее выражено повышение резервных возможностей аппарата кровообращения при напряженной мышечной деятельности: увеличение максимальной ЧСС, СО и МОК, АВР-О2, снижение общего периферического сосудистого сопротивления, что облегчает механическую работу сердца и увеличивает его производительность. Адаптация периферического звена кровообращения сводится к увеличению мышечного кровотока при предельных нагрузках (максимально в 100 раз), артериовенозной разницы по кислороду, плотности капиллярного русла в работающих мышцах, росту концентрации миоглобина и повышению активности окислительных ферментов.

Защитную роль в профилактике сердечно-сосудистых заболеваний играет также повышение фибринолитической активности крови при оздоровительной тренировке (максимум в 6 раз) и снижение тонуса симпатической нервной системы. В результате снижается реакция на нейрогормоны в условиях эмоционального напряжения, т.е. повышается устойчивость организма к стрессорным воздействиям.

Помимо выраженного увеличения резервных возможностей организма под влиянием оздоровительной тренировки чрезвычайно важен также ее профилактический эффект. С ростом тренированности (по мере повышения уровня физической работоспособности) наблюдается отчетливое снижение всех основных факторов риска: содержания холестерина в крови, артериального давления и массы тела. Существуют примеры, когда по мере роста УФС содержание холестерина в крови снизилось с 280 до 210 мг, а триглицеридов со 168 до 150 мг%. В любом возрасте с помощью тренировки можно повысить аэробные возможности и уровень выносливости -показатели биологического возраста организма и его жизнеспособности. Например, у хорошо тренированных бегунов среднего возраста максимально возможная ЧСС примерно на 10 уд/мин больше, чем у неподготовленных. Такие физические упражнения, как ходьба, бег (по З ч. в неделю), уже через 10-12 недель приводят к увеличению МПК на 10-15%.

Таким образом, оздоровительный эффект занятий массовой физкультурой связан прежде всего с повышением аэробных возможностей организма, уровня общей выносливости и физической работоспособности. Повышение работоспособности сопровождается профилактическим эффектом в отношении факторов риска сердечно-сосудистых заболеваний: снижением веса тела и жировой массы, содержания холестерина и триглицеридов в крови, снижением артериального давления и частоты сердечных сокращений. Кроме того, регулярная физическая тренировка позволяет в значительной степени затормозить развитие возрастных изменений физиологических функций, а также дегенеративных изменений различных органов и систем (включая задержку и обратное развитие атеросклероза). Выполнение физических упражнений положительно влияет на все звенья двигательного аппарата, препятствуя развитию дегенеративных изменений, связанных с возрастом и гиподинамией. Повышается минерализация костной ткани и содержание кальция в организме, что препятствует развитию остеопороза. Увеличивается приток лимфы к суставным хрящам и межпозвонковым дискам, что является лучшим средством профилактики артроза и остеохондроза. Все эти данные свидетельствуют о неоценимом положительном влиянии занятий оздоровительной физической культурой на организм человека.

Заключение

В данной курсовой работе были рассмотрены основные гемодинамические характеристики и их изменение при выполнении физической нагрузки. Краткие выводы сведены в таблице 10.

Таблица10. Основные гемодинамические характеристики

В графе 3 дана краткая характеристика изученных величин и их предельные значения.

Степень изменения гемодинамических показателей при физической нагрузке зависит от исходных величин в состоянии покоя. Физическая нагрузка требует существенного повышения функций сердечно-сосудистой, дыхательной и кровеносной систем. От этого зависит обеспечение работающих мышц достаточным количеством кислорода и выведение из тканей углекислоты. Сердечно - сосудистая система обладает рядом механизмов, позволяющих доставлять на периферию возможно большее количество крови. Прежде всего это гемодинамические факторы: увеличение ЧСС, СВ, ОЦК, ускорение кровотока, изменение АД. Эти показатели различны у представителей различных видов спорта.(Согласно спортивной специализации спринтеры тренируют скорость, стайеры - выносливость, тяжелоатлеты - силу.)

Использование метода эхокардиографии в спортивной медицине позволило установит различие путей адаптации сердца в зависимости от направленности тренировочного процесса. У спортсменов, тренирующих выносливость адаптация сердца идёт преимущественно за счёт дилятации при небольшой гипертрофии, а у спортсменов, тренирующих силу - за счёт истинной гипертрофии миокарда и небольшой дилятации. При усиленной физической работе повышается сердечная деятельность. Сердце следует тренировать постепенно в соответствии с возрастом.

Очень важным является такой гемодинамический фактор, как изменение АД. Направленность тренировочного процесса влияет на АД. Физические нагрузки динамического характера способствуют его снижению, статистические нагрузки - подъёму. Причиной гипертонии могут стать физические и эмоциональные напряжения. Низкий уровень систолического давления в лёгочной артерии является показателем высокого состояния сердечно-сосудистой системы спортсменов тренирующихся на выносливость. Он характеризует потенциальную готовность организма, в частности гемодинамики, к большим и длительным физическим нагрузкам.

Физиологические изменения в организме, вызванные тренировкой выносливости, у женщин те же, что и у мужчин. Так, в кислородтранспортной системе увеличиваются максимальные показатели(ЛВмакс,СВмакс,СОмакс), концентрация лактата при максимальной работе, а ЧССмакс снижается в связи с усилением парасимпатических влияний. Всё это свидетельствует о повышении эффективности и экономичности, а также об увеличении резервных возможностей кислородтранспортной системы.

Состояние организма как в покое, так и при нагрузке зависит от многих причин: от внешних условий, специфики видов спорта (плавание, зимние виды и т.п.), наследственных факторов, пола, возраста и др.

Предел роста тренировочных эффектов у каждого человека генетически предопределён. Даже систематическая интенсивная физическая тренировка не может повысить функциональные возможности организма сверх предела, определяемого генотипом. ЧССпокоя, размеры сердца, толщина стенок левого желудочка, капилляризация миокарда, толщина стенок коронарных артерий находятся под влиянием наследственных факторов.

Необходимо иметь в виду, что занятия физическими упражнениями способствуют укреплению здоровья, совершенствованию биологических механизмов защитно-приспособительных реакций, повышению неспецифической устойчивости к различным вредным влияниям окружающей среды, только при обязательном условии, что степень физической нагрузки на этих занятиях оптимальна для данного конкретного человека. Только оптимальная степень физической нагрузки, соответствующая возможностям человека, её выполняющего, обеспечивает укрепление здоровья, физическое совершенствование, предупреждает возникновение ряда заболеваний и способствует увеличению продолжительности жизни. Физическая нагрузка меньше оптимальной не даёт нужного эффекта, выше оптимальной становится чрезмерной, а чрезмерная нагрузка вместо оздоровительного эффекта может стать причиной возникновения различных заболеваний и даже внезапной смерти от перенапряжения сердца.Спортивные достижения должны расти вследствие повышения здоровья.

Следует особо сказать о влиянии оздоровительной физической культуры на стареющий организм. Физическая культура является основным средством, задерживающим возрастное ухудшение физических качеств и снижение адаптационных способностей организма в целом и сердечнососудистой системы в частности. Изменения в системе кровообращения, снижение производительности сердца влекут за собой выраженное уменьшение максимальных аэробных возможностей организма, снижение уровня физической работоспособности и выносливости. Скорость возрастного снижения МПК в период от 20 до 65 лет у нетренированных мужчин составляет в среднем 0,5 мл/мин/кг, у женщин - 0,3 мл/мин/кг за год. В период от 20 до 70 лет максимальная аэробная производительность снижается почти в 2 раза - с 45 до 25 мл/кг (или на 10 % за десятилетие). Адекватная физическая тренировка, занятия оздоровительной физической культурой способны в значительной степени приостановить возрастные изменения различных функций. Особенно полезны физический труд, физкультура и спорт на свежем воздухе, а особенно вредными для сердечно- сосудистой системы являются курение и злоупотребление спиртными напитками.

В вышеизложенном материале прослежены закономерности изменения основных гемодинамических характеристик организма. Одновременное повышение уровня состояния здоровья и функционального состояния человека невозможно без активного, широкого и всестороннего использования средств физкультуры и спорта.

Литература

1.А.С.Залманов. Тайная мудрость человеческого организма (Глубинная медицина).- М.: Наука, 1966.- 165с.

2.Спортивная медицина (Руководство для врачей)/под редакцией А.В.Чоговадзе, Л.А.Бутченко.-М.:Медицина,1984.-384с.

3.Спортивная физиология: Учеб.для ин-тов физ.кутьт./Под ред. Я.М.Коца.-М.:Физкультура и спорт,1986.-240с.

4.Дембо А.Г.Врачебный контроль в спорте.-М.:Медицина.1988.-288с.

5.А.М.Цузмер, О.Л.Петришина. Человек. Анатомия. Физиология. Гигиена.-М.: Просвещение, 1971.-255с.

6.В.И. Дубровский, Реабилитация в спорте. – М.: Физкультура и спорт, 1991. – 208 с.

7. Мельниченко Е.В.Методические указания к теоретическому изучению курса «Спортивная физиология» .Симферополь.2003г.

8.Грабовская Е.Ю. Малыгина В.И. Мельниченко Е.В. Методические указания к теоретическому изучению курса «Физиология мышечной деятельности.» Симферополь.2003г

9.Дембо А.Г.Актуальные проблемы современной спортивной медицины.-М.:Физкультура и спорт,1980.-295с.

10.Былеева Л.В. и др. Подвижные игры. Учеб.пособие для ин-тов физической культуры. М.:Физкультура и спорт,1974.-208с.

А.С.Залманов. Тайная мудрость человеческого организма (Глубинная медицина).- Москва: Наука, 1966.- C32.

Спортивная медицина (Руководство для врачей)/под редакцией А.В.Чоговадзе, Л.А.Бутченко.-М.:Медицина,1984.-С83.

Спортивная медицина (Руководство для врачей)/под редакцией А.В.Чоговадзе, Л.А.Бутченко.-М.:Медицина,1984.-С76.

Спортивная физиология: Учеб.для ин-тов физ.кутьт./Под ред. Я.М.Коца.-М.:Физкультура и спорт,1986.-С.87.

Спортивная физиология: Учеб.для ин-тов физ.кутьт./Под ред. Я.М.Коца.-М.:Физкультура и спорт,1986.-С.29

Дембо А.Г.Врачебный контроль в спорте.-М.:Медицина.1988.-С137.

Спортивная физиология: Учеб.для ин-тов физ.кутьт./Под ред. Я.М.Коца.-М.:Физкультура и спорт,1986.-С.202

Спортивная медицина (Руководство для врачей)/под редакцией А.В.Чоговадзе, Л.А.Бутченко.-М.:Медицина,1984.-С97.

...) и относительную (при значительной дилятации левого желудочка с расширением аортального отверстия) недостаточность аортального клапана. Этиология 1) РЛ; 2) ИЗ; 3) сифилитический аортит; 4) диффузные заболевания соединительной ткани; 5) атеросклероз аорты; 6) травмы; 7) врожденный порок. Патогенез и изменения гемодинамики. Основной патологический процесс приводит к сморщиванию (ревматизм, ...

Литературных данных по изучаемому вопросу; 2) оценить морфофункциональные показатели у участников групп различной тренированной направленности на начальном этапе; 3) определить влияние аэробных и анаэробных физических упражнений на морфофункциональные возможности занимающихся; 4) провести сравнительный анализ показателей исследуемый у участников групп в динамике тренировочного процесса. 2.2 ...

Электрокардиографическую методику в основном для выявления физиологических и патологических изменений в сердце, в то время как работ, где использовали бы показатели ЭКГ для определения тренированности и влияние физических нагрузок на изменение частоты сердечных сокращений и артериального давления, мы не нашли».12 Проведенный анализ ЭКГ показал, что в покое изучаемые величины у гимнастов 15-16 лет...

Хотелось бы обобщить информацию о принципах дайвинга в части газов для дыхания в формате keynotes, т.е. когда понимание нескольких принципов избавляет от необходимости запоминания множества фактов.

Итак, для дыхания под водой необходим газ. Как наиболее простой вариант — запас воздуха , представляющий собой смесь кислорода (∼21%), азота (∼78%) и других газов (∼1%).

Главным фактором является давление окружающей среды. Из всех возможных единиц измерения давления мы будем использовать «абсолютную техническую атмосферу» или АТА. Давление на поверхности составляет ∼1 АТА, каждые 10 метров погружения в воду добавляют к нему ∼1 АТА.

Для дальнейшего разбора важным является понимание, что такое парциальное давление , т.е. давление отдельно взятого компонента газовой смеси. Общее давление газовой смеси является суммой парциальных давлений её компонентов. Парциальное давление и растворение газов в жидкостях описываются законами Дальтона и имеют самое прямое отношение к дайвингу, ибо человек на большую часть состоит из жидкости. Хотя парциальное давление пропорционально молярному соотношению газов в смеси, для воздуха можно считать парциальное давление по объемной или весовой концентрации, погрешность составит менее 10% .

При погружении давление воздействует на нас всеобъемлюще. Регулятор поддерживает давление воздуха в системе дыхания, примерно равное давлению окружающей среды, меньшее ровно на столько, на сколько необходимы для «вдыхания». Так, на глубине в 10 метров вдыхаемый из баллона воздух имеет давление около 2 АТА. Аналогичное абсолютное давление будет наблюдаться во всем нашем организме. Таким образом, парциальное давление кислорода на этой глубине составит ∼0,42 АТА, азота ∼1,56 АТА

Воздействие давления на организм заключается в следующих ключевых факторах.

1. Механическое воздействие на органы и системы

Его мы рассматривать подробно не будем, вкратце — человеческий организм имеет ряд заполненных воздухом полостей и резкое изменение давления в любую сторону вызывает нагрузку на ткани, мембраны и органы вплоть до механических повреждений — баротравм .

2. Насыщение тканей газами

При погружении (увеличении давления) парциальное давление газов в дыхательном тракте — выше чем в тканях. Таким образом газы насыщают кровь, а через кровоток насыщаются все ткани организма. Скорость насыщения различна для разных тканей и характеризуется «периодом полунасыщения», т.е. временем, в течение которого при постоянном давлении газа разница парциальных давлений газа и тканей уменьшается вдвое. Обратный процесс называют «рассыщением», он происходит при всплытии (уменьшении давления). В этом случае парциальное давление газов в тканях выше, чем давление в газа в легких, идет обратный процесс — газ из крови выделяется в легких, кровь с уже меньшим парциальным давлением циркулирует по организму, из тканей газы переходят в кровь и снова по кругу. Газ всегда движется от большего парциального давления к меньшему.

Принципиально важно, что разные газы имеют разную скорость насыщения/рассыщения, обусловленную их физическими свойствами.

Растворимость газов в жидкостях тем больше, чем выше давление. В случае, если количество растворенного газа больше предела растворимости при данном давлении — происходит выделение газа, в том числе концентрация в виде пузырьков. Мы это наблюдаем каждый раз, как вскрываем бутылку газированной воды. Так как скорость выведения газа (рассыщения тканей) ограничена физическими законами и газовым обменом через кровь, слишком быстрое падение давления (быстрое всплытие) может привести к образованию пузырьков газа непосредственно в тканях, сосудах и полостях организма, нарушая его работу вплоть до летального исхода. Если давление падает медленно, то организм успевает вывести «лишний» газ за счет разницы парциальных давлений.

Для расчетов этих процессов используются математические модели тканей организма, наиболее популярной является модель Альберта Бюльмана , которая учитывает 16 видов тканей (компартментов) со временем полунасыщения/полурассыщения от 4 до 635 минут.

Наибольшую опасность представляет инертный газ, имеющий максимально большое абсолютное давление, чаще всего это — азот, который составляет основу воздуха и не участвует в метаболизме. По этой причине основные расчеты в массовом дайвинге проводятся по азоту, т.к. воздействие кислорода в плане насыщения на порядки меньше, при этом оперируют понятием «азотная нагрузка», т.е. остаточное количество растворенного в тканях азота.

Таким образом, насыщение тканей зависит от состава газовой смеси, давления и продолжительности его воздействия. Для начальных уровней дайвинга практикуются ограничения по глубине, продолжительности погружения и минимальному времени между погружениями, заведомо не допускающие ни при каких условиях насыщения тканей до опасных уровней, т.е. бездекомпрессионные погружения , и даже в этом случае принято выполнять «остановки безопасности » .

«Продвинутые» дайверы используют дайв-компьютеры , которые динамически рассчитывают насыщение по моделям в зависимости от газа и давления, в том числе рассчитывают «компрессионный потолок» — глубину, всплытие выше которой потенциально опасно исходя из текущего насыщения. При сложных погружениях компьютеры дублируются, не говоря уже о том, что одиночные погружения как правило не практикуются.

3. Биохимическое воздействие газов

Наш организм максимально адаптирован к воздуху при атмосферном давлении. При увеличении давления газы, даже не участвующие в метаболизме воздействуют на организм самым разным образом, при этом воздействие зависит от парциального давления конкретного газа. Для каждого газа существуют свои пределы безопасности.

Кислород

Являясь ключевым участником нашего метаболизма, кислород — единственный газ, имеющий не только верхний, но и нижний предел безопасности.

Нормальное парциальное давление кислорода ∼0,21 АТА. Потребность в кислороде сильно зависит от состояния организма и физических нагрузок, теоретический минимально необходимый уровень для поддержания жизнедеятельности здорового организма в состоянии полного покоя оценивается в ∼0,08 АТА, практический — в ∼0,14 АТА. Снижение уровня кислорода от «номинального» в первую очередь сказывается на способности к физической активности и может вызвать гипоксию, или кислородное голодание .

В то же время высокое парциальное давление кислорода вызывает широкий спектр негативных последствий — кислородное отравление или гипероксию . Особую опасность при погружении имеет ее судорожная форма, выражающуюся в поражении нервной системы, судорогах, что влечет за собой риск утопления.

Для практических целей дайвинга принято считать пределом безопасности ∼1,4 АТА, пределом умеренного риска — ∼1,6 АТА. При давлении выше ∼2,4 АТА в течение длительного времени вероятность кислородного отравления стремиться к единице.

Таким образом, несложным делением предельного уровня кислорода 1,4 АТА на парциальное давление кислорода в смеси можно определить максимальное безопасное давление среды и установить, что абсолютно безопасно дышать чистым кислородом (100%, 1 АТА) можно на глубинах до ∼4 метров (!!!), сжатым воздухом (21%, 0,21 АТА) — до ∼57 метров, стандартным «нитрокс-32» с содержанием кислорода 32% (0,32 АТА) — до ∼34 метров. Аналогично можно посчитать пределы для умеренного риска.

Говорят, именно этому явлению обязан своим именем «нитрокс» , так как изначально это слово обозначало дыхательные газы с пониженным содержанием кислорода для работы на больших глубинах, «nitrogen enriched», и только потом оно стало расшифровываться как «nitrogen-oxigen» и обозначать смеси с повышенным содержанием кислорода.

Необходимо принимать во внимание, что повышенное парциальное давление кислорода в любом случае оказывает воздействие на нервную систему и легкие, причем это разные виды воздействия. Кроме того, воздействие имеет свойство накапливаться при серии погружений. Для учета воздействия на ЦНС используется понятие «кислородного лимита» как расчетной единицы, с помощью которой определяются безопасные лимиты для разового и суточного воздействия. Подробно с таблицами и расчетами можно ознакомиться .

Помимо этого, повышенное давление кислорода негативно воздействует на легкие, для учета этого явления используются «единицы кислородной выносливости», которые рассчитываются по специальным таблицам, соотносящим парциальное давление кислорода и количество «единиц в минуту». Для примера, 1.2 АТА дает нам 1.32 OTU в минуту. Признанный лимит безопасности составляет 1425 единиц в сутки.

Из вышесказанного в частности должно быть понятно, что для безопасного пребывания на больших глубинах требуется смесь с пониженным содержанием кислорода, которая непригодна для дыхания при меньшем давлении. Например, на глубине 100 метров (11 АТА) концентрация кислорода в смеси не должна превышать 12%, а на практике будет еще ниже. Дышать такой смесью на поверхности невозможно.

Азот

Азот не метаболизируется организмом и не имеет нижней границы. При повышенном давлении азот оказывает отравляющее воздействие на нервную систему, сходное с наркотическим или алкогольным опьянением, известное как «азотный наркоз «.

Механизмы воздействия точно не выяснены, границы воздействия сугубо индивидуальны, и зависят как от особенностей организма, так и от его состояния. Так, известно, что усиливает воздействие состояние усталости, похмелья, все виды угнетенного состояния организма типа простудных заболеваний и т.д.

Незначительные проявления в виде состояния, сравнимого с легким опьянением возможны на любых глубинах, действует эмпирическое «правило мартини», согласно которому воздействие азота сравнимо с бокалом сухого мартини натощак на каждые 10 метров глубины, что не представляет опасности и добавляет хорошего настроения. Накопленный при регулярных погружениях азот так же влияет на психику сродни легким наркотикам и алкоголю, чему автор сам свидетель и участник. Проявляется в ярких и «наркотических» снах, в частности, действует в пределах нескольких часов. И таки да, дайверы — немного наркоманы. Азотные.

Опасность представляют сильные проявления, которые характеризуются стремительным нарастанием вплоть до полной потери адекватности, ориентации в пространстве и времени, галлюцинаций, что может привести к гибели. Человек может запросто рвануть на глубину, потому что там клево или он там что-то якобы увидел, забыть, что он под водой и «вдохнуть полной грудью», выплюнув загубник и т.д. Само по себе воздействие азота не летально и даже не вредно, однако последствия в условиях погружения могут быть трагичны. Характерно, что при снижении давления эти проявления так же стремительно проходят, иногда достаточно подняться всего на 2..3 метра чтобы «резко протрезветь».

Вероятность сильного проявления на глубинах, принятых для рекреационного дайвинга начального уровня (до 18 м, ∼2,2 АТА) оценивается как очень низкая. По имеющейся статистике случаи тяжелого отравления становятся довольно вероятны с 30 метров глубины (∼3,2 АТА), и далее вероятность растет по мере роста давления. В то же время люди с индивидуальной устойчивостью могут не испытывать проблем и на куда больших глубинах.

Единственным способом противодействия является постоянный самоконтроль и контроль напарника с немедленным уменьшением глубины в случае подозрения на азотное отравление. Использование «нитрокса» снижает вероятность азотного отравления, естественно, в пределах ограничений по глубинам, обусловленных кислородом.

Гелий и другие газы

В техническом и профессиональном дайвинге используют и другие газы, в частности, гелий. Известны примеры использования в глубинных смесях водорода, и даже неона. Эти газы отличаются высокой скорость насыщения/рассыщения, отравляющие эффекты гелия наблюдаются при давлении более 12 АТА и могут быть, как ни парадоксально, компенсированы азотом. Однако широкого применения они не имеют за счет высокой стоимости, поэтому столкнуться с ними дайверу средней руки фактически невозможно, а уж если читателя действительно интересуют такие вопросы — то ему уже надо использовать профессиональную литературу, а не этот скромный обзор.

При использовании любых смесей логика расчетов остается такой же, как описано выше, только используются специфические для каждого газа лимиты и параметры, а для глубоких технических погружений обычно используются несколько разных составов: для дыхания на пути вниз, работы внизу и поэтапного пути вверх с декомпрессией, составы этих газов оптимизируются исходя из описанной выше логики их движения в организме.

Практическое заключение

Понимание этих тезисов позволяет придать осмысленность многим даваемым на курсах ограничениям и правилам, что совершенно необходимо как для дальнейшего развития, так и для правильного их нарушения.

Нитрокс рекомендован к использованию при обычных погружениях, ибо он снижает азотную нагрузку на организм даже если Вы остаетесь полностью в пределах ограничений рекреационного дайвинга, это лучшее самочувствие, больше удовольствия, легче последствия. Однако, если Вы собираетесь нырять глубоко и часто — надо помнить не только о его преимуществах, но и о возможной кислородной интоксикации. Всегда лично проверяйте уровни кислорода и определяйте свои лимиты.

Азотное отравление — наиболее вероятная из проблем, с которыми можно столкнуться, всегда будьте внимательны к себе и партнеру.

Отдельно хотелось бы обратить внимание, что прочтение данного текста не означает, что читатель освоил полный набор информации для понимания работы с газами при сложных погружениях. Для практического применения этого совершенно недостаточно. Это только стартовая точка и базовое понимание, не более того.

В обычных условиях человек дышит обычным воздухом, имеющим относительно постоянный состав (табл. 1). В выдыхаемом воздухе всегда меньше кислорода и больше углекислого газа. Меньше всего кислорода и больше всего углекислого газа в альвеолярном воздухе. Различие в составе альвеолярного и выдыхаемого воздуха объясняется тем, что последний является смесью воздуха мертвого пространства и альвеолярного воздуха.

Альвеолярный воздух является внутренней газовой средой организма. От его состава зависит газовый состав артериальной крови. Регуляторные механизмы поддерживают постоянство состава альвеолярного воздуха. Состав альвеолярного воздуха при спокойном дыхании мало зависит от фаз вдоха и выдоха. Например, содержание углекислого газа в конце вдоха всего на 0,2-0,3% меньше, чем в конце выдоха, так как при каждом вдохе обновляется лишь 1/7 часть альвеолярного воздуха. Кроме того, протекает непрерывно, при вдохе и при выдохе, что способствует выравниванию состава альвеолярного воздуха. При глубоком дыхании зависимость состава альвеолярного воздуха от вдоха и выдоха увеличивается.

Таблица 1. Состав воздуха (в %)

Газообмен в легких осуществляется в результате диффузии кислорода из альвеолярного воздуха в кровь (около 500 л в сутки) и углекислого газа из крови в альвеолярный воздух (около 430 л в сутки). Диффузия происходит вследствие разности парциального давления этих газов в альвеолярном воздухе и их напряжений в крови.

Парциальное давление газа: понятие и формула

Парциальное давленые газа в газовой смеси пропорционально процентному содержанию газа и общему давлению смеси:

Для воздуха: Р атмосферное = 760 мм рт. ст.; С кислорода = 20,95%.

Оно зависит от природы газа. Всю газовую смесь атмосферного воздуха принимают за 100%, она обладает давлением 760 мм рт. ст., а часть газа (кислорода — 20,95%) принимают за х. Отсюда парциальное давление кислорода в смеси воздуха равно 159 мм рт. ст. При расчете парциального давления газов в альвеолярном воздухе необходимо учитывать, что он насыщен водяными парами, давление которых составляет 47 мм рт. ст. Следовательно, на долю газовой смеси, входящей в состав альвеолярного воздуха, приходится давление не 760 мм рт. ст., а 760 — 47 = 713 мм рт. ст. Это давление принимается за 100%. Отсюда легко вычислить, что парциальное давление кислорода, который содержится в альвеолярном воздухе в количестве 14,3%, будет равно 102 мм рт. ст.; соответственно, расчет парциального давления углекислого газа показывает, что оно равно 40 мм рт. ст.

Парциальное давление кислорода и углекислого газа в альвеолярном воздухе является той силой, с которой молекулы этих газов стремятся проникнуть через альвеолярную мембрану в кровь.

Диффузия газов через барьер подчиняется закону Фика; так как толщина мембраны и площадь диффузии одинакова, диффузия зависит от диффузионного коэффициента и градиента давления:

Q газа — объем газа, проходящего через ткань в единицу времени; S - площадь ткани; DK-диффузионный коэффициент газа; (Р 1 , — Р 2) - градиент парциального давления газа; Т — толщина барьера ткани.

Если учесть, что в альвеолярной крови, притекающей к легким, парциальное напряжение кислорода составляет 40 мм рт. ст., а углекислого газа — 46-48 мм рт. ст., то градиент давления, определяющий диффузию газов в легких, будет составлять: для кислорода 102 — 40 = 62 мм рт. ст.; для углекислого газа 40 — 46(48) = минус 6 — минус 8 мм рт. ст. Поскольку диффузный коэффициент углекислого газа в 25 раз больше, чем у кислорода, то углекислый газ более активно уходит из капилляров в альвеолы, чем кислород в обратном направлении.

В крови газы находятся в растворенном (свободном) и химически связанном состоянии. В диффузии участвуют только молекулы растворенного газа. Количество газа, растворяющегося в жидкости, зависит:

• от состава жидкости;
• объема и давления газа в жидкости;
• температуры жидкости;
• природы исследуемого газа.

Чем выше давление данного газа и температура, тем больше газа растворяется в жидкости. При давлении 760 мм рт. ст. и температуре 38 °С в 1 мл крови растворяется 2,2% кислорода и 5,1 % углекислого газа.

Растворение газа в жидкости продолжается до наступления динамического равновесия между количеством растворяющихся и выходящих в газовую среду молекул газа. Сила, с которой молекулы растворенного газа стремятся выйти в газовую среду, называется напряжением газа в жидкости. Таким образом, в состоянии равновесия напряжение газа равно парциальному давлению газа в жидкости.

Если парциальное давление газа выше его напряжения, то газ будет растворяться. Если парциальное давление газа ниже его напряжения, то газ будет из раствора выходить в газовую среду.

Парциальное давление и напряжение кислорода и углекислого газа в легких приведены в табл. 2.

Таблица 2. Парциальное давление и напряжение кислорода и углекислого газа в легких (в мм рт. ст.)

Диффузия кислорода обеспечивается разностью парциальных давлений в альвеолах и крови, которая равна 62 мм рт. ст., а для углекислого газа — это всего лишь около 6 мм рт. ст. Времени протекания крови через капилляры малого круга (в среднем 0,7 с) достаточно для практически полного выравнивания парциального давления и напряжения газов: кислород растворяется в крови, а углекислый газ переходит в альвеолярный воздух. Переход углекислого газа в альвеолярный воздух при относительно небольшой разнице давлений объясняется высокой диффузионной способностью легких для этого газа.

Гипоксия ярче всего обнаруживается во время пребывания в разреженном пространстве, когда парциальное давление кислорода падает.

В эксперименте кислородное голодание может наступить при относительно нормальном атмосферном давлении, но пониженном содержании кислорода в окружающей атмосфере, например при пребывании животного в замкнутом пространстве с пониженным содержанием кислорода. Явления кислородного голодания можно наблюдать при восхождении на горы, подъеме в самолете на большую высоту - горная и высотная болезнь (рис. 116).

Первые признаки острой горной болезни нередко можно наблюдать уже на высоте 2500 - 3000 м. У большинства людей они проявляются при восхождении на 4000 м и выше. Парциальное давление кислорода в воздухе, равное (при атмосферном давлении 760 мм рт. ст.) 159 мм, падает на этой высоте (430 мм атмосферного давления) до 89 мм. При этом насыщение артериальной крови кислородом начинает снижаться. Симптомы гипоксии обычно появляются при насыщении артериальной крови кислородом около 85%, а смерть может наступить при снижении насыщения кислородом артериальной крови ниже 50%.

Восхождение на гору сопровождается характерными явлениями также из-за температурных условий, ветра и совершаемой при подъеме мышечной деятельности. Чем больше повышается обмен веществ вследствие мышечного напряжения или понижения температуры воздуха, тем скорее наступают признаки болезни.

Расстройства, возникающие при подъеме на высоту, развиваются тем сильнее, чем быстрее совершается подъем. Большое значение при этом имеет тренировка.

Кислородное голодание при подъеме в самолете на большую высоту отличается некоторыми особенностями. Подъем на гору совершается медленно и требует усиленной мышечной работы. Самолеты же могут достигать высоты в течение весьма незначительного времени. Пребывание летчика на высоте 5000 м при отсутствии достаточной тренировки сопровождается ощущениями головной боли, головокружения, тяжести в груди, сердцебиения, расширения газов в кишечнике, вследствие чего диафрагма оттесняется кверху, а дыхание еще больше затрудняется. Применение кислородных приборов устраняет многие из этих явлений (рис. 117).

Влияние на организм пониженного содержания кислорода в воздухе выражается в расстройствах функции нервной системы, дыхания и кровообращения.

Вслед за некоторым возбуждением наступают усталость, апатия, сонливость, тяжесть в голове, психические расстройства в виде раздражительности с последующей депрессией, некоторая потеря ориентировки, расстройства двигательной функции, нарушения высшей нервной деятельности. На средних высотах развивается ослабление внутреннего торможения в коре головного мозга, а на большей высоте - разлитое торможение. Развиваются также нарушения вегетативных функций в виде одышки, учащения деятельности сердца, изменения кровообращения и расстройства пищеварения.

При остро наступающем кислородном голодании нарушается дыхание . Оно становится поверхностным и частым, что является результатом возбуждения дыхательного центра. Иногда возникает своеобразное, прерывистое, так называемое периодическое дыхание (типа Чейн-Стокса). При этом заметно страдает легочная вентиляция. При постепенно наступающем кислородном голодании дыхание становится частым и глубоким, циркуляция воздуха в альвеолах заметно улучшается, но содержание углекислоты и напряжение ее в альвеолярном воздухе падают, т. е. развивается гипокапния, осложняющая течение гипоксии. Нарушение дыхания может вызвать потерю сознания.

Ускорение и усиление деятельности сердца возникают вследствие повышения функции его ускоряющих и усиливающих нервов, а также снижения функции блуждающих нервов. Поэтому учащение пульса при кислородном голодании является одним из показателей реакции нервной системы, регулирующей кровообращение.

На большой высоте возникает также ряд других расстройств кровообращения. Артериальное давление сначала повышается, но в дальнейшем начинает снижаться в соответствии с состоянием вазомоторных центров. При резком снижении содержания кислорода во вдыхаемом воздухе (до 7 - 6%) деятельность сердца заметно ослабевает, артериальное давление падает, а венозное повышается, развиваются цианоз, аритмия.

Иногда наблюдается также кровотечение из слизистых оболочек носа, рта, конъюнктивы, дыхательных путей, желудочно-кишечного тракта. Большое значение в возникновении такого кровотечения придается расширению поверхностных кровеносных сосудов и нарушению их проницаемости. Эти изменения отчасти происходят вследствие действия на капилляры токсических продуктов обмена.

Нарушение функции нервной системы от пребывания в разреженном пространстве проявляются также расстройствами желудочно-кишечного тракта обычно в виде отсутствия аппетита, торможения деятельности пищеварительных желез, поноса и рвоты.

При высотной гипоксии нарушается обмен веществ . Потребление кислорода вначале повышается, а затем при выраженном кислородном голодании падает, понижается специфически-динамическое действие белка, азотистый баланс становится отрицательным. Увеличивается остаточный азот в крови, накапливаются кетоновые тела, особенно ацетон, который выделяется с мочой.

Уменьшение содержания кислорода в воздухе до определенного предела мало отражается на образовании оксигемоглобина. Однако в дальнейшем при снижении содержания кислорода в воздухе до 12% насыщение крови кислородом становится около 75%, а при содержании в воздухе 6 - 7% кислорода составляет 50 - 35% нормального. Особенно снижается напряжение кислорода в капиллярной крови, что заметно отражается на диффузии его в ткань.

Усиление легочной вентиляции и повышение при гипоксии дыхательного объема легких обусловливают обеднение альвеолярного воздуха и крови углекислотой (гипокапния) и возникновение относительного алкалоза, вследствие чего возбудимость дыхательного центра временно может тормозиться, а деятельность сердца ослабляется. Поэтому вдыхание углекислоты на высотах, обусловливая повышение возбудимости дыхательного центра, способствует увеличению содержания кислорода в крови и тем самым улучшает состояние организма.

Однако продолжающееся при подъеме на высоту понижение парциального давления кислорода способствует дальнейшему развитию гипоксе- мии и гипоксии. Нарастают явления недостаточности окислительных процессов. Алкалоз снова сменяется ацидозом, который опять несколько ослабляется ввиду учащения ритма дыхания, понижения окислительных процессов и парциального давления углекислоты.

Заметно изменен при подъеме на высоту и теплообмен . Теплоотдача на большой высоте увеличивается главным образом за счет испарения воды поверхностью тела и через легкие. Теплопроизводство постепенно отстает от теплоотдачи, в результате чего температура тела, которая вначале несколько повышается, затем снижается.

Наступление признаков кислородного голодания во многом зависит от особенностей организма, состояния его нервной системы, легких, сердца и сосудов, определяющих способность организма переносить разреженную атмосферу.

Характер действия разреженного воздуха зависит также от скорости развития кислородного голодания. При остро возникающем кислородном голодании нарушение функции нервной системы выступает на первый план, тогда как при хроническом кислородном голодании ввиду постепенного развития компенсаторных процессов патологические явления со стороны нервной системы долгое время не обнаруживаются.

Здоровый человек в общем удовлетворительно справляется с понижением барометрического давления и парциального давления кислорода до известного предела и притом тем лучше, чем медленнее совершается восхождение и чем легче приспособляется организм. Предельным для человека может считаться снижение атмосферного давления до одной трети нормального, т. е. до 250 мм рт. ст., что соответствует высоте 8000 - 8500 м и содержанию кислорода в воздухе 4 - 5%.

Установлено, что во время пребывания на высотах наступает приспособление организма, или акклиматизация его, обеспечивающая компенсацию расстройств дыхания. У жителей горных местностей и у тренированных альпинистов горная болезнь может не развиваться при подъеме на высоту 4000 - 5000 м. Высокотренированные летчики могут совершать полет без кислородного аппарата на высоте 6000 - 7000 м и даже выше.