Ноя 24

Дыхательный аппарат человека

Человек является жителем Земли и не приспособлен для жизни за ее пределами. В течение многих миллионов лет организм приспосабливался к окружающей его среде.

Для того чтобы понять, какое действие оказывают на человека факторы высотного и космического полета, рассмотрим устройство дыхательного аппарата.

Дыхательный аппарат человека представляет собой сложную систему органов, осуществляющих газообмен (главным образом кислорода и углекислоты) между организмом человека и окружающим его воздухом.

Органы дыхания человека состоят из дыхательных путей и легких.

Легкие представляют собой множество мельчайших легочных альвеол (диаметром около 0,2 мм), густо оплетенных кровеносными сосудами – капиллярами. Поверхность легочных альвеол около 100 м2. Общее количество воздуха, проходящего через легкие в единицу времени, называют легочной вентиляцией. Легочная вентиляция измеряется в л/мин и в состоянии покоя она равна 6–7 л/мин. При физической работе легочная вентиляция значительно увеличивается – до 60–80 л/мин (Е. М. Беркович. Энергетический обмен в норме и патологии. М., «Медицина», 1964.).

Обмен газов происходит не между газами крови и атмосферным воздухом непосредственно, а между газами крови и альвеолярным воздухом, который по составу значительно отличается от атмосферного.

Таблица 1

Средние данные об изменении состава, давления и объема газов в процессе дыхания человека [7]

Воздух О2 СО2 N2 Водяные пары
давление,

мм рт. ст.

объем, % давление,

мм рт. ст.

объем, % давление,

мм рт. ст.

объем, % давление,

мм рт. ст.

объем, %
Вдыхаемый 159 20,95 20 0,03 594,8 78,22 6 0,8
Выдыхаемый 119 16,70 27 3,80 596 77,1 18 2,4
Альвеолярный 100 14,00 40 5,60 573 74,2 47 6,2

Переход кислорода из альвеолярного воздуха в кровь, а углекислого газа в противоположном направлении объясняется законом диффузии. Согласно этому закону газ всегда переходит из того пространства, где его давление больше, в то пространство, где оно меньше.

Известно, что процентное содержание газов в атмосферном воздухе начиная от уровня моря до больших высот остается примерно одинаковым. Однако для дыхания важно не процентное содержание кислорода в воздухе, а его парциальное давление.

Парциальное давление кислорода в воздухе на различных высотах уменьшается пропорционально уменьшению общего атмосферного давления и может быть вычислено по закону Дальтона:

где

pO2 – парциальное давление O2 в мм рт. ст;

ɛO2 – содержание О2 в воздухе в % по объему;

Вн – атмосферное давление на заданной высоте.

Подставляя в формулу числовые значения, получим, что парциальное давление кислорода на уровне моря

На высоте 5000 м оно будет

Из приведенной формулы видно, что парциальное давление кислорода в атмосфере с подъемом на высоту падает. Следовательно, оно падает и в альвеолярном воздухе. Однако это падение не будет пропорционально падению давления наружного воздуха. Это определяется наличием в альвеолярном воздухе, во-первых, углекислоты, выделяющейся из крови, и, во-вторых, водяных паров, насыщающих пространство легочных альвеол при температуре тела +37° С.

На Земле парциальное давление водяных паров в альвеолярном воздухе равно 47 мм. рт. ст., углекислого газа – 40 мм. рт. ст.

По мере подъема на высоту парциальное давление углекислого газа и водяных паров в альвеолярном воздухе почти не изменяется. Так как суммарное давление всех газов при этом падает, а давление газов (рСО2 аль + pН2Оаль) не изменяется, то парциальное давление кислорода падает значительно быстрее, чем оно падало бы, если бы в альвеолярном воздухе не было СО2 и паров воды.

Таблица 2

Парциальное давление кислорода на различных высотах [9]

Высота, м Барометрическое давление, мм рт. ст. Парциальное давление О2, мм рт. ст·
вдыхаемый воздух альвеолярный воздух
0 760 159 110
1000 674 141 90
2000 596 125 79
3000 526 110 69
4000 462 98 60
5000 405 85 52
6000 354 74 44
7000 308 64 38
8000 267 56 32

* Экспериментально определенные усредненные данные.

В табл. 2 приведено парциальное давление кислорода во вдыхаемом и альвеолярном воздухе на различных высотах.

На уровне Земли артериальная кровь почти на 100% насыщена кислородом. При подъеме на высоту до 2 км (pO2 = 125 мм рт. ст.) насыщение крови кислородом снижается незначительно, и никаких ощущаемых изменений в самочувствии человека не наблюдается. Эту зону условно называют индифферентной зоной, или зоной полной компенсации [9].

На высотах от 2 до 3 км насыщение крови кислородом снижается, усиливается деятельность сердца и легких, Организм рефлекторно компенсирует недостаток кислорода учащением дыхания и увеличением его глубины. Эта зона высот до 3 км (pO2 = 110 мм рт. ст.) называется зоной достаточной компенсации. Однако следует заметить, что продолжительные полеты (более 4–5 ч) на этой высоте уже сопровождаются заметным снижением работоспособности.

При дальнейшем подъеме содержание кислорода в крови продолжает падать и резервные механизмы организма уже не могут справиться с нарастающим снижением парциального давления кислорода. Высоту 4 км принято называть порогом нарушений.

Начиная с высоты 4 км (pO2 = 98 мм рт. ст.) и выше насыщение крови кислородом становится недостаточным из-за малого перепада между парциальным давлением кислорода в альвеолярном воздухе и кровью, вследствие чего наступает кислородное голодание – гипоксия.

Дыхание перестает быть равномерным, глубокие вдохи чередуются с поверхностными, дыхание становится прерывистым.

У нетренированного человека на высоте 6–7 км наступает почти полная утрата работоспособности и нередко потеря сознания, а на высоте 8 км возникают смертельно опасные условия.

Нормальные условия для дыхания человека на больших высотах обеспечиваются путем увеличения процентного содержания кислорода во вдыхаемом воздухе с таким расчетом, чтобы его парциальное давление в альвеолярном воздухе (рО2 аль) было не менее 105–110 мм рт. ст., т. е. для дыхания создаются условия, аналогичные земным (см. табл. 2).

На высоте 10 км (pO2 = 198 мм рт. ст.) для дыхания необходим чистый кислород (рис. 1):

pO2 = pСO2 альв + pН2О альв + pO2 альв
,

198 = 40 + 47 + 111

Высота 12–12,5 км является границей, выше которой даже дыхание чистым кислородом не может создать необходимое парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе и защитить организм от кислородного голодания.

Исследованиями установлено, что человек может находиться на больших высотах, если его снабжать кислородом под избыточным (повышенным) давлением.

Избыточное давление в легких 10–15 мм рт. ст. способны переносить несколько часов без предварительной тренировки все здоровые люди. При избыточном давлении в легких около 25 мм рт. ст., действующем в течение 10–15 мин, существенных расстройств дыхания и кровообращения не наблюдается. Организм после некоторой тренировки справляется с таким давлением вполне удовлетворительно. При дальнейшем повышении давления в легких дыхание быстро расстраивается, нарушается циркуляция крови и резко падает работоспособность.

Физиологическими исследованиями установлено, что при вдыхании чистого кислорода под избыточным давлением удовлетворительное снабжение организма человека кислородом возможно и при абсолютном давлении около 115 мм рт. ст. Однако работоспособность при таком давлении сохраняется недолго (в течение 10–15 мин). Следовательно, кислородный прибор с избыточным давлением 25 мм рт. ст. может применяться только до высоты 15 км (на которой абсолютное барометрическое давление составляет 90 мм рт. ст.).

Дыхание под избыточным давлением затруднено вследствие изменения характера вдоха и выдоха (вдох становится пассивным, а выдох активным) и повышения усилий, затрачиваемых на дыхание (большое сопротивление выдоху). Кроме того, дыхание под избыточным давлением приводит к повышению венозного давления крови и застою ее в венах. Венозная кровь с затруднениями поступает к сердцу.

рис/

Рис. 1. С подъемом на высоту процентное содержание кислорода во вдыхаемом воздухе должно повышаться.

На больших высотах возникла необходимость в создании компенсирующих устройств (жилетов и костюмов) оказывающих противодавление на грудную клетку или на всю поверхность тела.

Большое (влияние на самочувствие человека оказывает процентное содержание углекислого газа во вдыхаемом воздухе. При сравнительно небольших количествах углекислого газа возникает ощущение недостатка воздуха, при содержании его более 3% (при давлении 760 мм рт. ст.) – объективные изменения в дыхании, кровообращении; содержание его более 5% может вызвать отравление и потерю сознания. Допустимые концентрации углекислого газа во вдыхаемом воздухе в зависимости от времени приведены на рис. 2.

Рис. 2. Допустимая концентрация углекислого газа во вдыхаемом воздухе в зависимости от времени пребывания в данной среде.

При объемном содержании кислорода в атмосфере кабины более 50% создается пожароопасная газовая смесь, а при повышении его парциального давления более 420–500 мм рт. ст. дыхание в течение длительного периода времени может вызвать воспаление и отек легких.

В процессе дыхания только часть кислорода (около 4%) потребляется организмом. Остальной кислород выводится наружу вместе с продуктами дыхания.

Потребление кислорода в организме человека, так называемое истинное потребление кислорода, зависит от физической нагрузки и характеризуется данными табл. 3.

Таблица 3

Экспериментальные данные (средние) о легочной вентиляции, истинном количестве потребляемого кислорода и тепловыделении взрослого человека (вес 60–70 кгс, рост 170–180 см) [7]

Состояние человека Интенсивность внешней работы, кгс∙м/мин Легочная вентиляция, л/мин Истинное потребление кислорода, л/мин Теплопродукция, ккал/мин
Покой 5-6 0,25–0,3 1,25–1,5
Очень легкая работа 6–10 0,3–0,5 1,5–2,5
Легкая работа 10–16 0,5–0,8 2,5–4,0
Средняя работа 250–450 16–25 0,8–1,2 4,0–6,0
Легкая работа 450–800 25–40 1,2–2,0 6,0–10,0
Очень тяжелая работа 800–900 40–50 2,0–2,5 10,0–12,5
Чрезвычайно тяжелая работа 900–1250 50-60 2,5–3,0 12,5–15,0
Изнурительная работа более 1250 более 60 более 3,0 более 15,0

На высотах более 8000 м понижение давления воздуха обусловливает развитие так называемых декомпрессионных расстройств.

В первые годы развития авиации, когда высота полетов была незначительной, декомпрессионных расстройств не наблюдалось. С ними столкнулись только тогда, когда потолок полетов превысил 8 км.

Декомпрессионные расстройства обусловливаются расширением свободных газов в полостях тела (желудочно-кишечном тракте, легких и др.), переходом газов, находящихся в растворенном состоянии (в тканях, крови), в газообразное, закипанием жидкостей организма при значительном снижении атмосферного давления. Соответственно принято различать следующие основные группы декомпрессионных расстройств: высотный метеоризм, высотные боли, высотная эмфизема.

Высотный метеоризм заключается в том, что имеющийся обычно у человека в желудке и кишечнике газ по мере подъема на высоту расширяется и увеличивается в объеме. В результате происходит подъем диафрагмы, уменьшается жизненная емкость легких, изменяется положение сердца. При проведении испытательных подъемов в барокамере у людей на высоте 10–12 км в отдельных случаях наблюдались явления высотного метеоризма – от легких болей в области живота до общего тяжелого состояния, заканчивающегося обмороком.

Высотные боли локализируются преимущественно в крупных суставах конечностей, среди которых чаще поражаются коленный и плечевой суставы. Интенсивность болевых ощущений может быть весьма различной – от легких, едва заметных, до сильнейших, нетерпимых болей. Однако эти боли проявляются не всегда при подъемах. При одинаковых условиях они могут быть у одних людей и отсутствовать у других. Такого рода боли развиваются до жесточайших приступов, которые могут вынудить летчика прекратить полет.

Факт появления у человека таких расстройств, которые, как правило, следуют при переходе от более высокого давления к более низкому, известен уже давно. Однако причина этих расстройств была неясна, и по этому поводу высказывались различные предположения.

В настоящее время всеобщее признание нашла кессонная теория,, согласно которой заболевание вызывается переходом азота из растворенного состояния в тканях организма в газообразное при значительном падении барометрического давления во внешней среде. Боли возникают в результате механического давления пузырьков газа на нервные окончания или в результате закупорки мелких кровеносных сосудов пузырьками газа, образующимися в крови.

Декомпрессионные расстройства в большинстве случаев наступают примерно через 15–20 мин после подъема на высоту более 7–8 км и только в единичных случаях в первые минуты после подъема. Для предупреждения декомпрессионных расстройств в авиации применяется десатурация организма от азота путем вдыхания чистого кислорода перед полетом в течение 40–60 мин. Сущность десатурации заключается в том, что при дыхании чистым кислородом парциальное давление азота в альвеолярном воздухе быстро уменьшается.

Высотная эмфизема характеризуется местным вздутием мягких тканей.

Согласно законам физики всякая жидкость закипает, когда упругость пара данной жидкости превышает внешнее давление. Теоретически следует ожидать, что такое явление должно произойти с кровью при температуре тела +37° С, если атмосферное давление снизится до 47 мм рт. ст., что приблизительно соответствует высоте 19 км.

Кипение жидкостей в тканях вызывает увеличение объема тела. На высоте 20 нм отдельные подкожные вздутия (эмфизема) возникают внезапно. Если подняться в скафандре без перчаток до указанной выше высоты, то через 10–15 мин пальцы рук увеличиваются в объеме и работа кистью руки становится невозможной. После спуска ниже 17 км подкожные вздутия исчезают.

Внезапное падение атмосферного давления в кабине приводит к столь же внезапному повышению перепада давления в легких. В момент декомпрессии вследствие внезапного расширения воздуха в легких возникает ощущение как бы удара в грудь. Местные изменения при взрывной декомпрессии проявляются в виде кровоизлияний в стенках кишечника, желудка и легких.

Исследования показали, что изменение перепада давления на 385 мм рт. ст. за 0,4 с человек переносит обычно без каких-либо последствий. Действие перепада давления может усугубляться, если человек пользуется маской, которая препятствует выдоху. При наличии скафандра, под оболочкой которого поддерживается давление около 308 мм рт. ст. (высота в скафандре 7 км), мгновенная разгерметизация герметической кабины на любой высоте переносится человеком без заметных последствий.

Похожие статьи:

  1. Профилактические мероприятия Основными и наиболее эффективными средствами предупреждения явлений, связанных с кислородным...
  2. Высотные полеты и кислородное голодание Высотные полеты являются одним из наиболее сложных видов деятельности летного...
  3. Давление кислорода парциальное Механизм развития кислородной недостаточности. Согласно закону Дальтона, давление в газовой...

автор admin \\ теги: , , , ,



Написать ответ

Вы должны войти чтобы комментировать.