Легкие под водой

Для того чтобы разобраться в технических проблемах водолазного дела, необходимо знать в общих чертах строение легких и взаимосвязь дыхательной и сердечно-сосудистой систем. Легкие являются тем органом, где происходит обогащение крови кислородом и очищение ее от двуокиси углерода. Этот газообмен осуществляется в альвеолах, крошечных воздушных мешочках диаметром около 0,2 мм, оплетаемых легочными капиллярами.

Газ вводится в легкие и выводится из них благодаря работе двух групп мышц. Первичным двигателем респираторной системы является диафрагма — мышца, отделяющая брюшную полость от грудной. При вдохе средняя часть диафрагмы сокращается, увеличивая объем грудной клетки. Одновременно под действием мышц грудной клетки слегка расходятся ребра, что также увеличивает объем грудной клетки.

В результате увеличения объема снижается давление в дыхательных путях и в альвеолах и в легкие через нос и рот устремляется свежий атмосферный воздух. Выдох — это пассивный процесс: происходит расслабление диафрагмы и мышц грудной клетки, объем последней сокращается и воздух исторгается из легких. На начальной стадии выдоха из дыхательных путей выходит обычно газ, не достигший альвеол. В конце выдоха, из альвеол выходит газ с высоким содержанием двуокиси углерода и малым процентом кислорода.

Эластичность грудной клетки является регулирующим фактором при свободном погружении человека на глубину. Когда ныряльщик уходит под воду, он закрывает свои дыхательные пути и его легкие подвергаются воздействию повышенного давления и сжатию. Наличие диафрагмы и мышц грудной клетки позволяет легким сжиматься, поэтому давление внутри легких всегда уравнивается с давлением окружающей человека воды,-До тех пор пока предел эластичности не превышен, разность внешнего и внутреннего давлений отсутствует и ныряльщик не испытывает неприятных ощущений.

Мышцы грудной клетки не в состоянии исторгнуть весь воздух из легких. У тренированного ныряльщика с нормальными физиологическими данными объем воздуха, который остается в дыхательных путях после форсированного выдоха, составляет примерно 20% объема легких. Обследования опытных ныряльщиков показывают, что с помощью соответствующих упражнений можно добиться увеличения объема легких. Остаточный же объем воздуха в легких у ныряльщиков почти такой же, как и у неныряльщиков.

У взрослого человека при нормальной активности происходит от 10 до 14 дыхательных циклов в минуту. Дыхательная система может функционировать и при значительно большей частоте циклов, хотя случаи дыхания с предельной частотой очень и очень редки. Дыхательный объем (количество воздуха, поступающее в дыхательную систему и выходящее из нее) одного цикла составляет примерно 7 л; дыхательная система способна развивать максимальную «производительность» до 200 л/мин, хотя даже при больших физических перегрузках ее «производительность» редко превышает 100 л/мин. В альвеолы попадает примерно одна треть общего объема вдыхаемого воздуха.

Диффузия. Гипервентиляция. Диффузия газа из альвеол в легочные капилляры через пористые пленочные стенки происходит аналогично диффузии газа над открытым сосудом с жидкостью. Соприкасаясь с поверхностью жидкости, газ растворяется в последней пропорционально давлению газа и в соответствии с физическими свойствами этой жидкости. Если в жидкость попадает и выходит из нее одновременно одинаковое количество газовых молекул, то принято считать, что система находится в состоянии равновесия. Чем выше давление газа, тем больше его молекул бомбардирует жидкость и растворяется в ней. На границу раздела дыхательной и кровеносной систем, проходящую в альвеолах, кровь поступает с малым количеством растворенных в ней молекул кислорода и высоким содержанием молекул двуокиси углерода. Газовая смесь, находящаяся по другую сторону пористой пленки, имеет иную концентрацию указанных газов,^ в результате чего происходит газообмен, восстанавливающий состояние равновесия.

Несколько лет назад д-р Сук Ки Хонг совместно с д-м Германом Раном провел любопытное исследование газообмена у ны-рялыциц ама. Согласно опубликованным данным, альвеолярный газ у нырялыциц, находящихся на суше в состоянии покоя, имеет следующий состав: 14,3% кислорода, 5,2% двуокиси углерода и 80,5% азота. После проведения гипервентиляции1 состав альвеолярного газа изменился следующим образом: 16,7% кислорода, 4% двуокиси углерода и 79,3% азота.

При свободном погружении нырялыциц на глубину 12 м объем легких сократился немногим более чем в два раза по сравнению с обычным, и, следовательно, плотность воздуха, заключенного в легких, увеличилась вдвое по сравнению с атмосферной. Повышенное давление привело к тому, что большее количество кислорода проходило через диффузионную перегородку для восстановления равновесия системы. Уровень содержания кислорода в легких сокращался примерно до 11,1%. Одновременно имело место нежелательное явление. Уровень содержания двуокиси углерода в легких также снижался с 4% до 3,2%: в результате повышенного давления двуокись углерода вместо того, чтобы переходить из крови в альвеолы, фактически переходила из альвеол в кровь.

При всплытии нырялыциц их легкие расширялись до нормального объема с сопутствующим падением внутреннего давления и плотности газа. Избыточная двуокись углерода в крови быстро высвобождалась и диффундировала в легкие. Уменьшение плотности кислорода оказалось чреватым более серьезными последствиями. В ходе указанных опытов было обнаружено, что содержание кислорода падает фактически до такого уровня, при котором переход кислорода из легких в кровь невозможен. Некоторые исследователи утверждают, что процесс при этом становится обратным, т. е. кислород высвобождается из крови и диффундирует в легкие. Были высказаны предположения, что такое обращение процесса может послужить причиной смертельных случаев, имеющих место при свободном нырянии на глубину. Для того чтобы исключить накопление опасных для человеческого организма последствий ряда последовательных погружений, необходимо после каждого свободного погружения принимать меры для восстановления нормальной работы дыхательно-кровеносной системы.

Закон парциальных давлений. Одним из наиболее важных параметров, характеризующих газы,’ является парциальное давление, которое мы будем неоднократно рассматривать при обсуждении физиологии подводного дела, способов погружения и подводного снаряжения. Закон парциальных давлений, несмотря на свое непонятное название,— самый простой из всех законов, относящихся к газам. Для аналогии приведем такой пример: группа разновесков, положенных на весы, оказывает на чашу весов давление независимо от наличия на ней других гирь. Если мы рассмотрим поведение газовых молекул в контейнере, то установим, что часть давления, которая создается одним типом молекул и называется парциальным давлением этого вида молекул, будет неизменной независимо от наличия в контейнере любых других газов.

Возвратимся к нашему примеру с жидкостью в открытом сосуде и газом. На этот раз газом будет смесь кислорода с азотом. Газовая смесь и жидкость достигли состояния равновесия. Если теперь в газовую смесь ввести дополнительное давление кислорода, то в жидкости растворится большее количество молекул кислорода. При этом давление, оказываемое на газ азотом, останется прежним.

Токсичность газов. Организм обладает пределом восприимчивости по отношению к газам, которые человек вдыхает. Даже кислород при высоком парциальном давлении становится токсичным для организма. Кроме критического предела парциального давления газа существует индивидуальная восприимчивость (толерантность) по отношению к газам. Токсичность концентрации газа является функцией этой восприимчивости, последняя же может меняться ежедневно в зависимости от длительности вдыхания данной газовой смеси, от физической нагрузки при этом и от окружающей человека среды.

Согласно правилу, применяемому в практике водолазного дела, водолаз не должен пользоваться дыхательной смесью, в которой парциальное давление кислорода первышает 2 атм. Когда человек дышит чистым кислородом на поверхности моря, парциальное давление кислорода составляет 1 атм; при вдыхании чистого кислорода на глубине 10 м парциальное давление кислорода увеличивается до 2 атм. Указанный предел можно безболезненно превышать в течение непродолжительных периодов времени, хотя статистически риск отравления кислородом очень велик.

Доктор Эдвард X. Ланфьер вывел кривую кислородного предела для человека (рис. 6), с помощью которой легко определить границы безопасного погружения с использованием чистого кислорода в качестве дыхательного газа. Результаты более ранних экспериментов, проведенных в 1947 г. К. У. Дональдом для изучения изменения восприимчивости организма к кислороду, свидетельствуют о большом разбросе полученных данных (условия ряда последовательных экспериментов были одинаковыми). Эти эксперименты, проводимые на протяжении 90 дней, состояли в том, что один и тот же водолаз дышал чистым кислородом при давлении 3,12 атм (соответствующем глубине 21 м) до тех пор, пока не наступали симптомы кислородного отравления. В 20 отдельных экспериментах время пребывания водолаза в указанных условиях колебалось от 9 до 150 мин (рис. 7).

Непостоянство чувствительности организма одного и того же испытуемого к высокому парциальному давлению кислорода

Рис. 6. Предельные периоды времени, в течение которых человек может дышать 100%-ным кислородом. На заштрихованном участке указаны периоды, в течение которых человек на данной глубине может дышать кислородом без каких-либо вредных последствий для здоровья. На участке с двойной штриховкой показаны глубины и периоды времени, допускаемые лишь в особых случаях.

Рис. 7. Водолаз обладает различной восприимчивостью к кислороду при повышенном давлении среды. Время появления симптомов кислородного отравления (подергивание губ) в каждом из 20 экспериментов отмечено точкой.

(ВПДК) очевидно. Имеются данные, что даже при «безопасном» пределе в 2 атм длительное воздействие ВПДК вызывает существенные нарушения в легких. Другие эксперименты показывают, что при ВПДК от 0,5 до 1 ати жизненная емкость легких снижается.

До тех пор пока водолаз дышит обычным воздухом и кровообращение его обеспечивает постоянный приток кислорода в организм, проблемы низкого парциального давления кислорода, как правило, не возникает. Но при дыхании необычными газовыми смесями, компоненты которых смешиваются искусственно, механически, появляется вероятность того, что организм водолаза не получит достаточного количества кислорода, необходимого для жизнедеятельности. Нормальное парциальное давление кислорода составляет 0,2 атм, и организм может переносить лишь незначительные отклонения от этого значения. Дыхание газовой смесью с 15%-ным содержанием кислорода (парциальное давление 0,15 атм) вызывает у многих людей сонливость и утрату остроты мышления. При падении парциального давления до 0,10 атм (10% кислорода в смеси) происходит такое уменьшение содержания кислорода в крови, при котором нарушаются нормальные функции организма. Для обычных кратковременных подводных работ установлен предел парциального давления кислорода, равный 0,18 атм. Следовательно, независимо от глубины погружения значение парциального давления кислорода, которое считается в целом приемлемым для дыхательных смесей, находится в пределах между 0,18 и 1,8 атм. При проектировании подводного снаряжения эти пределы принимаются равными соответственно 0,20 и 1,4 атм.

Двуокись углерода, парциальное давление которой в легких составляет обычно 0,04 атм, вызывает исключительно сильные изменения в организме, если указанное давление повышается до 0,10 атм. Вначале она действует на регулирующие центры мозга, вызывая учащенное дыхание. У некоторых людей эти начальные реакции не отмечаются, и при постепенном повышении концентрации двуокиси углерода человек может ничего не ощущать даже при более высоких показателях парциального давления С02. При парциальном давлении двуокиси углерода 0,15 атм у человека начинаются судороги и наступает беспамятство. Основная причина высокого содержания СОг в организме — плохая вентиляция легких, хотя причинами могут оказаться также неисправность оборудования, неправильный режим погружения или плотность дыхательной смеси.

Плотность газа. При увеличении глубины погружения задержка организмом С02 ввиду нарушения нормального газообмена становится труднопреодолимым препятствием. Одна из главных причин задержки — увеличение плотности самого газа. На глубине 210 м плотность дыхательной смеси будет примерно в 22 раза выше ее плотности на поверхности океана, и для вдыхания и выдыхания такого плотного газа потребуется пропорционально больше затрат энергии. Кроме того, с увеличением плотности повышается турбулентность газовых молекул, в результате чего эффективность вентиляции легких и одновременного удаления из них двуокиси углерода значительно снижается.

Техника освоения морских глубин. Пер. с англ. Л., “Судостроение”
Дж.Кенни.

Опубликовано:
11.10.12


Категория -

     

© Ilovediving.ru