Особенности дыхания под водой даже кратковременное. Органы дыхания Предел переносимых высот
При подъеме в горы из-за падения атмосферного давления снижается парциальное давление кислорода в альвеолярном пространстве. Когда это давление становится ниже 50 мм рт. ст. (5 км высоты), неадаптированному человеку необходимо дышать газовой смесью, в которой повышено содержание кислорода. На высоте 9 км парциальное давление в альвеолярном воздухе падает до 30 мм рт. ст., и практически выдержать такое состояние невозможно. Поэтому используется вдыхание 100% кислорода. В этом случае при данном барометрическом давлении парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе составляет 140 мм рт. ст., что создает большие возможности для газообмена. На высоте 12 км при вдыхании обычного воздуха альвеолярное давление равно 16 мм рт. ст. (смерть), при вдыхании чистого кислорода - всего лишь 60 мм рт. ст., т. е. дышать еще можно, но уже опасно. В этом случае можно подавать чистый кислород под давлением и обеспечить дыхание при подъеме на высоту 18 км. Дальнейший подъем возможен только в скафандрах .
Дыхание под водой на больших глубинах
При опускании под воду растет атмосферное давление. Например, на глубине 10 м давление равно 2 атмосферам, на глубине 20 м - 3 атмосферам, и т. д. В этом случае парциальное давление газов в альвеолярном воздухе соответственно возрастает в 2 и 3 раза.
Это грозит высоким растворением кислорода. Но избыток его не менее вреден для организма, чем недостаток. Поэтому один из путей уменьшения этой опасности - использование газовой смеси, в которой процентное содержание кислорода уменьшено. Например, на глубине 40 м дают смесь, содержащую 5% кислорода, на глубине 100 м - 2%.
Второй проблемой является влияние азота. Когда парциальное давление азота возрастает, то это приводит к повышенному растворению азота в крови и вызывает наркотическое состояние. Поэтому, начиная с глубины 60 м, азотно-кислородная смесь заменяется гелиокислородной смесью. Гелий менее токсичен. Он начинает оказывать наркотический эффект лишь на глубине 200-300 м. Сейчас проводятся исследования по использованию водородно-кислородных смесей для работы на глубинах до 2 км, т. к. водород очень легкий газ.
Третья проблема водолазных работ - это декомпрессия. Если быстро подниматься с глубины, то растворенные в крови газы вскипают и вызывают газовую эмболию - закупорку сосудов. Поэтому требуется постепенная декомпрессия. Например, подъем с глубины 300 м требует 2-х недельной декомпрессии .
Херсонская областная федерация подводной деятельности и спортаПодготовка подводных стрелков
Занятие по теме
Подводная физиология и медицина
Подводная физиология и медицина.
1. Подводная физиология.
1.1 Механическое воздействие давления воды на человека.
1.2 Особенности зрения и слуха под водой, реакция вестибулярного аппарата.
1.3 Особенности пищеварения под водой.
1.4 Система дыхания человека, регуляция дыхания, газообмен.
1.5 Система кровообращения, состав крови, участие в газообмене.
1.6 Теплообмен в организме.
^ 2. Подводная медицина.
2.1 Гипервентиляция, кислородное голодание у ныряльщиков, причины возникновения, профилактика. Апноэ.
2.2 Баротравмы. Баротравма уха, придаточных пазух. Причины, первая помощь, профилактика. Присасывающее действие маски.
2.3 Перегревание и солнечный ожог. Причины, первая помощь, профилактика.
2.4 Переохлаждение, холодовой шок. Причины возникновения, профилактика, первая помощь. Судороги, борьба с ними.
2.5 Утопление в пресной и морской воде, первая помощь, профилактика.
Приёмы оживления утонувшего. Искусственная вентиляция лёгких, непрямой массаж сердца.
2.6 Особенности кровотечения под водой. Виды кровотечений, способы их остановки, первая помощь.
2.7 Поражение водными животными, первая помощь, профилактика.
^ 1. Подводная физиология.
Водная среда существенно отличается от воздушной по своим физическим свойствам. Организм человека вынужден приспосабливаться к ней, преодолевая значительные трудности, связанные с непривычными условиями и перегрузками. К основным свойствам воды, которые определяют условия пребывания человека под водой, относятся ее большая плотность, практическая несжимаемость, большая теплоемкость и теплопроводность, значительная проводимость звука и сильное поглощение света.
Возвращаемся к особенностям водной среды и их воздействию на жизнь, здоровье и душевное спокойствие аквалангиста. Значительная плотность воды, в особенности морской, создает необычную среду, в которой человек может почувствовать, что такое невесомость. Объект, находящийся в воде, значительно легче, чем на суше, а потеря его веса равна весу жидкости, которую он вытеснил. Если последний больше, чем вес тела, объект плавает на поверхности воды; если меньше - тонет; если же их вес одинаков, объект находится во взвешенном состоянии, т.е. в состоянии нейтральной плавучести. Таким образом, на пловца действуют сила тяжести, зависящая от массы тела, и сила плавучести, зависящая от его объема. Их равновесие и определяет положение человека в воде, в среднем удельный вес человеческого тела около единицы, т.е. почти как у пресной воды: у мужчин - чуть больше единицы, а у женщин - немного меньше. В пресных водоемах средний мужчина имеет слабую отрицательную плавучесть, а в море - нейтральную. Отрицательной плавучестью в пресной воде обладают около 10 % людей, в морской – около 2%. Подкожная жировая прослойка у женщин на 25% толще, чем у мужчин, и поэтому даже самые тонкие и стройные представительницы слабого пола обладают небольшой положительной плавучестью не только в морской, но и в пресной воде.
^ 1.1. Механическое воздействие давления воды на человека.
Человек, находясь на суше, адаптирован к существованию при нормальном атмосферном давлении. На уровне моря оно равно примерно 760мм ртутного столба. Незначительные колебания этого давления связаны с изменением метеорологических условий, однако этими колебаниями можно пренебречь. С погружением под воду давление на человека возрастает, повышаясь на одну атмосферу на каждые 10м глубины погружения. Вода является практически не сжимаемой, в то время как воздух и другие газы могут быть подвергнуты сжатию. На суше колебания атмосферного давления практически не ощущаются, в то время, как при погружении под воду резкое изменение давления наступает довольно быстро. Мягкие ткани человека ведут себя как жидкости, поэтому они (в том числе жидкости организма и костный скелет) являются практически несжимаемыми. Законы, регулирующие поведение жидкостей, могут быть применены и к тканям человека, погруженного в воду. Эти законы гласят следующее:
Если давление прикладывается к поверхности жидкости, то оно действует во все стороны;
3. В однородной жидкости давление во всех точках одной и той же горизонтальной плоскости одинаково.
Влияние давления на организм человека нельзя рассматривать отдельно от этого давления на воздух, содержащийся в полостях организма: легких, полостях среднего уха, черепа, внутренних органов. При пребывании человека под водой воздух как бы изолируется. По мере увеличения глубины погружения и повышения окружающего давления практически несжимаемые ткани тела принимают все давление на себя, не подвергаясь при этом разрушению. Однако, такое положение может существовать только тогда, когда давление воздуха в замкнутых полостях тела выравнивается с давлением окружающих тканей. Если же этого не происходит, подобная разница в давлении может привести к травмам и даже гибели. Точно соблюдая правила погружений, опасность баротравм можно полностью исключить.
^ 1.2.Особенности зрения и слуха под водой, реакция вестибулярного аппарата.
Человек при попадании в воду находится в отношении воздействия на него световых и звуковых волн в необычных условиях.
Свет и цвет.
Откройте глаза под водой. Что увидели? Лишь неясные очертания и тени. К сожалению, наши глаза в водной среде менее эффективны, чем на суше. Чтобы понять причину, вновь обратимся к физике - к разделу оптики. Явление рефракции заключается в преломлении и отражении световых лучей на границе двух сред с различными плотностями. В роговице, хрусталике и стекловидном теле глазного яблока лучи преломляются таким образом, что фокусируют изображение видимого объекта на сетчатой оболочке задней стенки глазного яблока. Сетчатка же, состоящая из чувствительных клеток - палочек и колбочек, преображает световые сигналы в нервные, которые проходят по глазному нерву в анализирующий центр мозга. Коэффициент преломления солнечных лучей в воде приблизительно равен таковому в глазах человека. Поэтому они слабее преломляются в роговице, и изображения предметов фокусируются где-то за сетчаткой, оставляя на ней лишь неясные образы. Для устранения дефекта мнимой дальнозоркости, используют маску, которая создает воздушную прослойку между глазом и окружающей водной средой. Теперь лучи перед попаданием на глаз проходят через слой воздуха, что возвращает эффективность зрению. Однако проходящие через стеклянную маску лучи преломляются еще перед рефракцией в глазных структурах, искажая действительность: все предметы кажутся крупнее и ближе приблизительно на 25%. Начинающим подводникам приходится привыкать к постоянному обману зрения под водой. Световые лучи, входящие в воду, не только отражаются и поглощаются, но и частично рассеиваются. Чем больше взвешенных частиц в воде, тем сильнее световое рассеивание и тем хуже видимость под водой. Так, высокая прозрачность в открытом океане обусловлена скудостью планктона и отсутствием органической донной взвеси. А вот видимость в устьях рек, воды которых несут в море громадную массу взвешенной органики, близка к нулю.
Во многих морях и озерах прозрачность имеет сезонную динамику. Например, часто можно услышать в разговоре выражение "вода зацвела" - это значит, что она прогрелась до определенной температуры, и одноклеточные водоросли стали бурно размножаться, создавая взвесь и уменьшая прозрачность. Скажем, в озере Байкал весной и в начале лета видимость под водой достигает 40м, и мелкие детали живописных подводных скал, круто уходящих на километровую глубину, отлично просматриваются с борта моторной лодки. В конце июня прогретая на поверхности вода "зацветает" - масса водорослей понижает видимость до расстояния вытянутой руки. Прогретые массы, однако, держатся в поверхностном слое 15 - 20м высотой, а под термоклином сохраняется байкальская ледяная вода, хрустально-прозрачная и чистая. Рассеяние световых лучей приводит к постепенному понижению освещенности с глубиной. Скорость затемнения зависит от прозрачности воды. В тропических морях с хорошей видимостью так светло, что глубину в 40м можно не заметить, если не следить по приборам. В Белом море сумерки наступают на 20м, а на 40м уже черно.
Мы с вами живем в мире белого света, который на самом деле состоит из многих цветовых составляющих, обусловленных волнами разной длины. Вода поглощает их неодинаково, поэтому цветовой спектр под водой сильно изменяется. Так, в чистой океанской воде красные лучи поглощаются на первом же метре, оранжевые - на пятом, а желтый цвет исчезает на глубине 10м. Подводный мир видится нам зелено-голубым. Для того чтобы ваш партнер или страхующий лучше вас видел, рекомендуется использовать гидрокостюмы и снаряжение ярких расцветок. Только помните, что многие цвета, ласкающие глаз ядовитой тональностью на земле, в воде теряют яркость. Например, красный становится темно-фиолетовым уже под поверхностью, а вскоре вообще кажется черным, поэтому многие предметы легководолазного снаряжения окрашены желтым: полосы на гидрокостюмах, баллоны многих аквалангов, дополнительные легочные автоматы.
^ Звук под водой.
Скорость прохождения звука в воде - 1500м/сек., в то время как в воздухе звук распространяется со скоростью - 333м/сек. На суше мы нередко ориентируемся в пространстве по звукам, поскольку расположение их источника определить, как правило, нетрудно. Подводники, увы, этим похвастаться не могут. Если источник звука находится над поверхностью воды, звуковые волны отражаются от нее, не проникая на глубину Бесполезно что - либо сверху кричать пловцу, который уже погрузился под воду. Зато в водной среде звуковые волны распространяются во всех направлениях, а их скорость увеличивается в 4 раза. Это создает массу неудобств. Например, аквалангист не сможет определить по шуму мотора, где и на каком расстоянии движется лодка. Потеряв из виду партнера в мутной воде, можно слышать вблизи его дыхание и клокотание выдыхаемых пузырей из легочного автомата, но так и не обнаружить того, кто их пускает. Щелканье и пронзительные крики дельфинов наполняют собой все окружающее пространство, но сами животные могут появиться с самой неожиданной стороны.
^ Реакция вестибулярного аппарата.
Человеку, чтобы удержаться на поверхности воды не требуется больших усилий смотр. "Плавучесть". При относительной невесомости в воде человек может потерять чувство пространственной ориентации. Воздействие силы тяжести на человека при этом нейтрализуется, чувствительность от внутренних органов резко снижается. Очень скоро люди утрачивают чувство пространственной ориентации и зачастую начинают испытывать иллюзию опрокидывания. В большей мере это относится к аквалангистам, но иногда имеет место и у подводных охотников.
^ 1.3. Особенности пищеварения под водой.
В условиях повышенного давления несколько усиливается функция желудочно-кишечного тракта, что характеризуется повышением тонуса желудка и кишечника и ускоренным их опорожнением. В связи с тем, что в кишечнике в определенной мере содержится воздух, огромное значение имеет правильное питание подводника. Пища должна быть высококалорийной и необильной. В день погружения нельзя употреблять продукты, вызывающие повышенную жажду и обильное газообразование в кишечнике (метеоризм). Несоблюдение этих правил может привести к сильному вздутию живота, рвоте, что в условиях ныряния чрезвычайно опасно.
^ Категорически запрещается употреблять алкоголь в течение двух суток перед погружением! Об употреблении алкоголя во время погружений не может быть и речи!
^ 1.4. Система дыхания человека, регуляция дыхания, газообмен.
Всякое живое существо живет за счет энергии, позволяющей клеткам делиться, а организму - функционировать. Она выделяется в результате окислительных реакций кислорода в тканях и органах с углеводородными соединениями. Одним из продуктов энергетических реакций является углекислый газ, который затем выводится из организма. Таким образом, кислород жизненно необходим для поддержания биохимических процессов, питающих нас энергией.
^ Дыхательная система и дыхание.
Дыхательные пути начинаются с ноздрей и ротовой полости. Нос ведь не только украшает лицо человека, но и утепляет, увлажняет и фильтрует вдыхаемый воздух. Когда мы дышим ртом по разным причинам, то вдыхаем более холодный, сухой и неочищенный воздух. Далее воздух проходит в горло и гортань. Она производит звуки и предохраняет легкие от засорения посторонними частицами. Когда в гортань попадает вода, звуковые мышцы (голосовые связки) закрывают вход в легкие. Комар или хлебная крошка, проскальзывая через гортань, раздражают внутренние стенки дыхательных путей и вызывают кашель, выбрасывающий мусор наружу. За гортанью следует трахея, которая раздваивается на бронхи. Их стенки покрыты ресничками, гонящими пылинки и прочие посторонние частицы с потоком слизи обратно в гортань, которые мы потом "выкашливаем" или проглатываем. Курение повреждает реснички и уменьшает слизь, что приводит к быстрому загрязнению легких. Бронхи многократно делятся на мелкие дыхательные трубки - бронхиолы. Стенки дыхательных путей имеют кольчатую структуру, что предохраняет их от опадания. Самые тонкие бронхиолы заканчиваются микроскопическими пузырьками - альвеолами, плотно упакованными в парные губчатые органы, известные под названием "легкие". Многие ошибочно полагают, что легкие - это парные полые мешки, которые, то наполняются воздухом, то сдуваются. На самом же деле, каждое легкое состоит примерно из 150 млн. альвеол, покрытых общей тонкой оболочкой - плеврой. Совокупность объемов альвеол и считают объемом легких, который варьирует у взрослых людей от трех до семи литров. Объём легких и искусство подводного плавания принципиально не связаны между собой необязательно, что под водой пловец с громадными легкими будет лучше себя чувствовать, чем товарищ с легкими малого объема.
Внутреннюю поверхность груди ограничивает плевра - мембрана, идентичная таковой на поверхности легких. Между двумя плеврами создается плевральная полость - пространство, заполненное плевральной жидкостью, предотвращающей трение легких о грудную клетку во время мышечных дыхательных сокращений. По сравнению с воздушным давление в ней отрицательное, если одна из мембран прорывается, воздух заполняет межплевральное пространство, и легкие спадаются, что грозит смертельным исходом. Расширяются легкие на вдохе за счет движений грудных межреберных мышц и сокращения диафрагмы - мышечной перегородки, отделяющей грудную полость от брюшной полости. У мужчин и женщин соотношение участия в процессе дыхания разных мышц несколько отличается: у мужчин роль диафрагмы значительно выше, чем у женщин. Приглядитесь к окружающим, и вы легко отличите красивое "грудное" дыхание женщин от "брюшного" дыхания мужчин. Именно диафрагма подвергается давлению со стороны желудка, набитого пищей. После обильной трапезы раздутый желудок прогибает диафрагму в грудную полость и затрудняет ее дыхательные движения. В этой ситуации легкие расширяются преимущественно в переднезаднем и боковом направлениях. Диафрагма, сокращаясь, в свою очередь давит на полный желудок и "выталкивает" пищу в верхний пищеварительный тракт. Человек использует лишь 10% объема легких в процессе обычного дыхания. При особенно глубоком вдохе он может вдохнуть еще примерно 1600см воздуха (добавочный объем) и столько же с силой выдохнуть (резервный объем). Сумма всех трех объемов составляет жизненную емкость легких. Кроме того, даже при самом сильном выдохе, в легких остается около 1500см остаточного воздуха, который предохраняет их от опадания.
Парциальные давления углекислого газа и кислорода в крови поддерживаются в строгих пределах. Рецепторы С0 2 , фиксирующие малейшие изменения его концентрации, находятся в дыхательном центре мозга. В спокойном состоянии человек совершает 16-18 дыхательных движений в минуту. Регуляция дыхания происходит рефлекторно, но человек способен также контролировать его за счет ограничения движений грудных мускулов. Постоянная тренировка дыхательной и контролирующей систем лежит в основе искусства ныряния с задержкой дыхания.
^ 1.5. Система кровообращения, состав крови, участие в газообмене.
Первый этап внешнего дыхания заканчивается тем, что кислород в составе атмосферного воздуха переходит в лёгких из альвеол в капилляры, опутывающие их густой сетью. Капилляры соединяются в легочные вены, которые несут кровь, насыщенную кислородом, в сердце, а точнее, в левое его предсердие. Из правого и левого предсердий кровь через клапаны поступает в желудочки, которые, сокращаясь, выталкивают кровь через полулунные клапаны в выносящие сосуды. Левый желудочек выталкивает кровь в аорту - она разветвляется на артерии, снабжающие кровью все системы органов и тканей. Кровь содержит кислород и питательные вещества, связывающиеся в клетках с образованием углекислого газа и выделением энергии. В тканях происходит газообмен СО 2 и О 2 между клетками и кровью, т.е. процесс клеточного дыхания. Насыщенная углекислым газом кровь собирается в вены и поступает в правое предсердие сердца, и большой круг кровообращения замыкается. Малый круг начинается в правом желудочке, откуда легочная артерия несет кровь на обогащение кислородом в легкие, разветвляясь и опутывая альвеолы капиллярной сетью. Состав крови человека постоянен. Кровь состоит из жидкой части – плазмы и форменных элементов – эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов. Эритроциты участвуют в газообмене, перенося кислород и углекислый газ, лейкоциты выполняют защитные функции, поддерживая иммунитет, тромбоциты участвуют в свёртывании крови.
Человеческий эмбрион, будучи в утробе матери, получает все необходимые питательные вещества и кислород через плаценту. Его легкие не функционируют и кровь циркулирует по одному кругу, попадая из правого предсердия в левое через односторонний клапан в межпредсердной перегородке - patent foramen ovale (PFO). С первым криком у новорожденного открываются легкие, а кровь "устремляется" в новое русло по малому кругу кровообращения. Клапан закрывается, и у многих людей с возрастом зарастает, но у 15% человечества остается, увы, в закрытом, но не заросшем состоянии. Поскольку давление в левом - артериальном - предсердии обычно выше, чем в правом, венозном, PFO обычно ничем себя не проявляет. Давление крови в сосудах зависит от стадии работы сердца: максимальное, или верхнее, возникает при сокращении, т.е. когда левый желудочек с силой выталкивает порцию крови в аорту; нижнее наблюдается во время диастолы, т.е. в перерыве между сокращениями. Нормальным кровяным давлением принято считать соотношение верхнего и нижнего давлений в плечевой артерии, равное 120/80мм ртс. Обратному току крови из желудочков в предсердия и из артерий в желудочки препятствуют клапаны. Сердце - своего рода двигатель организма. Частота и сила сокращений, рефлекторная в спокойном состоянии, регулируется центральной нервной системой и гормонами. Когда нам страшно или мы чувствуем прилив дикой страсти, надпочечные железы вырабатывают гормон адреналин, стимулирующий сердечную деятельность. Тогда мы ощущаем громкие и частые биения сердца. Чтобы поддерживать сердце в наилучшем состоянии, лучше воздержаться от нагрузок на сердце перед погружением: от кофе, алкоголя и, по возможности, от тяжелых физических упражнений и любовных переживаний...
Организм регулирует и контролирует кровоснабжение разных органов и частей тела в зависимости от конкретного состояния. Наверное, все знакомы с временным отупением после обильной трапезы, связанным с оттоком крови от головы к желудку, или с увеличением и набуханием определенных мускулов в результате тяжелых физических упражнений. Нарушение контроля и регуляции кровообращения под водой может привести к возникновению разнообразных заболеваний.
^ 1.6. Теплообмен в организме.
Человек обладает способностью поддерживать постоянную температуру тела при значительных ее колебаниях во внешней среде. При температуре тела 36 – 37 0 С жизненно важные процессы протекают наиболее эффективно. Тепловой баланс организма поддерживается двумя процессами – теплообразованием и теплоотдачей. Для сохранения постоянства температуры внутренней среды организма необходимо, чтобы теплопродукция соответствовала теплоотдаче. Теплоотдача происходит через кожу путем проведения тепла, конвекции, лучеиспускания и испарения пота, а также испарения влаги с поверхности лёгких человека. Температура тела живого и здорового человека, которая колеблется около 36,6 "С, выше температуры воды. Поэтому при погружении возникает мощный поток тепловой энергии из организма в окружающую воду. Кстати, у воды теплоемкость в 4 раза, а теплопроводность в 25 раз выше, чем у воздуха, а кроме того, в естественных условиях вода еще и постоянно куда-нибудь течет или завихряется. Всё это ведёт к теплопотере организма и переохлаждению, что может закончиться потерей сознания, и даже смертью. Во время пребывания человека в холодной воде теплообразование в организме увеличивается в 3-9 раз, но оно не может длительно компенсировать теплопотери. Поэтому время пребывания человека в воде, даже тропической - теплой, ограничено. Степень переохлаждения зависит от температуры воды и длительности пребывания в ней, а также типа снаряжения и характера теплозащитной одежды, имеет значение и функциональное состояние организма, его закалённость и устойчивость к холоду. При этом выраженное переохлаждение нередко обусловлено тем, что при появлении первых признаков охлаждения не всегда есть возможность вовремя выйти из воды и согреться. При попадании в холодную воду включаются приспособительные механизмы человека: повышается артериальное давление, учащается дыхание, повышается мышечный тонус, обмен веществ, спазмируются кровеносные сосуды кожи и т.д. Но чем ниже температура воды, тем быстрее истощаются эти механизмы, возникшая вначале мышечная дрожь постепенно уменьшается, что является признаком сильного переохлаждения. Развивается запредельное торможение в высших отделах центральной нервной системы с явлениями угнетения основных физиологических функций. Смерть от переохлаждения наступает при снижении ректальной температуры до25-22 0 С
Как правило, температура воды постепенно понижается с глубиной, достигая в глубоководных зонах примерно 3-4 0 С, а в полярных областях опускается до нуля уже на глубине 30м. Нередко поверхностные водные массы, прогретые солнышком, в силу разных свойств отделены от холодных масс четкой видимой границей - термоклином. Термоклин в виде тонкого (1-2м высотой), мутного слоя - явление достаточно забавное. Иногда случается, что голова подводника наслаждается теплом в 10 - 12 0 С, а пальцы ног немеют в ледяной воде под термоклином. Сезонный термоклин четко выражен в озере Байкал и северных морях. Иногда водные массы имеют мозаичное распределение, и тогда холодные и теплые слои чередуются. Для уменьшения тепловых потерь подводники создают прослойку воздуха или нагретой воды между телом и окружающей водой при помощи защитной спецодежды - гидрокостюма.
^ 2. Подводная медицина.
2.1. Гипервентиляция, кислородное голодание у ныряльщиков, причины возникновения, профилактика. Апноэ.
Термин "апноэ" обозначает задержку дыхания под водой. В медицине он означает отсутствие дыхания вообще. Начнем с обычной ситуации. Человек набирает полную грудь воздуху и уходит под воду. Некоторое время - примерно минуту - он чувствует себя вполне комфортно, пока не возникает желание выдохнуть и вдохнуть свежего воздуха. Некоторое время ныряльщик терпит, но когда желание становится невыносимым, стремительно поднимается на поверхность и жадно глотает свежий воздух. Обычно говорят, что "закончился воздух". Но лишь немногие представляют, что происходит в организме и почему нам так хочется дышать. В начале погружения у нас есть запас кислорода в трех резервуарах: в легких, в составе гемоглобина в крови и миоглобина в мышцах. Когда в процессе клеточного дыхания запасы кислорода расходуются, а содержание С0 2 повышается, рецепторы газов, расположенные в каротидных артериях и дыхательном центре головного мозга, подают тревожные сигналы в мозг, стимулирующие рефлекторные дыхательные движения грудной клетки. Рефлекс вдоха может быть настолько силен, что ныряльщик, не рассчитавший собственных сил, сделает глубокий вдох, не успев добраться до поверхности. Но даже если пловец пересилит рефлекс, то, когда концентрация кислорода упадет ниже пороговой величины, мозг отключится, и человек потеряет сознание. Рецепторы С0 2 срабатывают и тем самым предотвращают падение концентрации 0 2 до предельного значения. Для продления пребывания под водой можно задержать сигнал этих рецепторов, уменьшив перед погружением парциальное давление С0 2 в легких и в крови: сделать несколько быстрых и глубоких вдохов-выдохов, немного подождать, успокоив сердечный ритм, глубоко вдохнуть и нырнуть. Этот прием называется гипервентиляцией. Если перестараться со вдохами - выдохами, вы почувствуете легкое головокружение, а перед глазами "забегают мурашки". Они означают, что вы слишком сильно понизили давление С0 2 , и организм протестует. Очищая легкие от С0 2 , мы отдаляем рефлекс вдоха во времени, но приближаем его к кислородному пределу. Злоупотребляя гипервентиляцией, можно надолго задержать сигнал рецепторов - до тех пор, пока не погаснет сознание. Поскольку рецепторов концентрации О 2 в организме нет, гипоксия наступает сразу, без предупреждающих симптомов. (Дыхательный центр в головном мозге гораздо более чувствителен к повышению парциального давления углекислоты, чем к снижению напряжения кислорода в крови). С увеличением глубины желание вдохнуть слабеет, потому что внешнее давление уменьшает объем легких, и парциальное давление 0 2 в легких и крови повышается, отодвигая рефлекс вдоха и свое пороговое значение. Во время подъема на поверхность легкие расширяются (см. первый газовый закон), и парциальное давление 0 2 резко падает. Что в этом случае происходит, нетрудно догадаться. Данное явление известно под названием гипоксии подъема. Многие профессиональные спортсмены и подводные охотники, злоупотребив гипервентиляцией и не рассчитав время и глубину, заканчивают погружение в бессознательном состоянии. Поэтому вентилировать легкие перед погружением следует осторожно. Важно научиться максимально, использовать объем легких. Обычно мы едва пользуемся 10% от него, а ведь увеличение "рабочего" пространства легких позволило бы значительно продлить наше плавание под водой. Так что дышите глубже!
^ Замедление сердечного ритма.
Скорость расходования кислорода под водой зависит от работы миокарда. Нетренированное сердце бьется сильно и часто, быстро истощая запасы кислорода. Замедление сердечного ритма - ключ к долгому пребыванию под водой. У знаменитого ныряльщика Жака Майоля сердце под водой сокращается со скоростью 20 ударов в минуту, т.е. почти в четыре раза медленнее, чем на поверхности. Это и позволяет человеку спускаться на глубины свыше сотни метров.
Для замедления работы сердца, во - первых, нужно иметь здоровое сердце и хорошую физическую форму. Во - вторых, надо полностью расслабиться и не делать под водой резких движений и мощных усилий. Для этого лучше носить длинные и жесткие ласты с большой площадью лопастей. Ползать по дну с аквалангом в них неудобно, а вот в толще воды они позволяют парить, совершая медленные и плавные гребки при высокой скорости спуска. Легкость погружения можно также обеспечить созданием небольшой отрицательной плавучести тела на поверхности воды, и тогда человек свободно и без лишних усилий опускается на дно, сохранив запас воздуха.
^ Кислород. Гипоксия.
Гипоксия, или недостаточность кислорода в организме, вызывает гибель клеток - в первую очередь мозговых. Снабжение организма кислородом производится цепью последовательных и взаимосвязанных процессов:
наружное дыхание и газообмен в легких;
транспорт растворенного кислорода кровотоком;
газообмен между кровью и тканями;
клеточное дыхание, т.е. усвоение кислорода клетками. Повреждение одного из звеньев этой цепи приводит к нарушению клеточного дыхания и последующей аноксии - полному кислородному истощению, за которым немедленно следует гибель клеток. Различают 4 типа гипоксии.
Наиболее распространенный тип гипоксии, вызванный отсутствием кислорода в альвеолах для газообмена с кровью. Это значит, что легкие неспособны накачивать воздух из-за отсутствия оного во внешней среде, блокирования верхних дыхательных путей или опадания самих легких. Таким образом, возможными причинами нарушения наружного дыхания могут быть:
утопление, т.е. наполнение легких водой;
отсутствие воздуха в акваланге;
спазмы или засорение дыхательных путей водой, рвотой и посторонними частицами;
спадание легких в результате пневмоторакса;
повреждение альвеол при попадании в легкие воды.
Циркуляторная гипоксия: "стоячая" кровь при отсутствии или замедлении циркуляции не может донести кислород до тканей.
Неспособность сердца поддерживать нормальное кровообращение в сосудах приводит к замедлению кровотока и недостаточному снабжению клеток кислородом. Возможные причины: сердечный приступ, газовая эмболия, декомпрессионная болезнь и т.д. Часто встречаемая форма локальная гипоксия. Замерзание конечностей при низкой температуре есть не что иное, как следствие замедления периферической циркуляции крови. Если оно продолжается, локальная гипоксия может вызвать необратимое омертвление клеток конечности - отмораживание. Гипоксическая кровь темного цвета, что, кстати, хороша видно при посинении пальцев, ушей и губ на морозе. Посинение языка означает наступление общей гипоксии.
Гемическая гипоксия: неспособность крови транспортировать кислород при нормальной циркуляции в сосудах. Такое случается при заболеваниях крови, влияющих на активность гемоглобина, а также после значительной потери крови при ранениях и повреждениях кровеносной системы.
Гистотоксическая гипоксия: неспособность клеток воспринимать принесенный кровью кислород. Нарушение клеточного дыхания возможно в случае общего отравления организма - например, цианидами или ядом некоторых медуз.
Профилактика.
Во избежание общей или локальной гипоксии следует придерживаться следующих правил поведения:
Проверяйте свое снаряжение перед каждым погружением.
Не погружайтесь в одиночку, а только в паре или группе.
Постоянно контролируйте запас воздуха под водой.
Не злоупотребляйте гипервентиляцией перед нырянием.
Содержание С0 2 в крови поддерживается дыхательными процессами на определенном уровне, отклонение от которого приводит к нарушению биохимического баланса в тканях. Проявляется гипокапния, она же недостаточность С0 2 , в лучшем случае в виде головокружения, а в худшем заканчивается потерей сознания. Гипокапния возникает при глубоком и частом дыхании, которое автоматически возникает в состоянии страха, паники или истерики. Искусственная гипервентиляция перед нырянием с задержкой дыхания - самая распространенная причина недостаточности С0 2 .
Гиперкапния.
При концентрации СО 2 в воздухе более 1% его вдыхание вызывает симптомы, указывающие на отравление организма: головная боль, тошнота, частое поверхностное дыхание, усиленное потоотделение и даже потеря сознания. Случаи гиперкапнии происходят при пользовании неисправным регенерационным снаряжением и в плохо вентилируемых барокамерах, где содержат группу людей. Отравление возможно также при плавании с очень длинной дыхательной трубкой: при выдохе в такой трубке остается старый воздух с повышенным содержанием С0 2 , и пловец вдыхает его в следующем дыхательном цикле. Гиперкапния возникает также при задержках дыхания под водой. Многие подводники стараются экономить воздух и задерживают выдох. Это и приводит к отравлению С0 2 , от чего начинаются головные боли. Лечение производится чистым кислородом.
Бытует широко распространенное мнение о том, что наши предки при возникновении той или иной экстремальной ситуации в ходе боевых действий могли успешно дышать, используя простейшие приспособления типа трубки, находясь подолгу погруженными в воду, причем глубина погружения якобы измерялась метрами, время – часами, трубка – простая камышина (например, скрытное форсирование водной преграды, спасаясь от преследования, и т.д.).
Учитывая, что наш человек – фигура творческая, все познанное либо услышанное стремится немедленно проверить практически, считаем себя обязанными предупредить о возможных ошибках, связанных с дыханием в особых условиях. Особенно это связано с возможностью дыхания под водой с использованием подручных средств. Прежде чем затевать подобные проверки, особенно на глубинах более 1 метра, следует четко разобраться в физике процесса.
Отметим, что практическая проверка возможности дыхания под водой с использованием подручных средств, причем на глубинах более 1 метра, как правило, заканчивается весьма плачевно: «экспериментаторы» надолго попадают на больничную койку с серьезными расстройствами кровообращения. Рассказы «бывалых», свой опыт плавания в маске с трубкой (если он имеется) или опора на опыт плавания в маске с трубкой какого-то другого дяди без четкого представления физических процессов, происходящих при этом, – смертельно опасны!
Почему? Причин несколько.
1. Для обеспечения дыхания под водой подручный предмет, через который осуществляется дыхание, должен обладать как минимум проходным сечением, обеспечивающим поступление воздуха к легким в объеме, потребном для акта дыхания, с одной стороны, и обязательно быть над поверхностью воды, даже при ее волнении – с другой, т.к. эффект попадания воды в легкие при дыхании не требует комментариев.
2. Неравенство давлений, действующих изнутри и снаружи тела при его погружении в воду, со всеми вытекающими из этого последствиями.
Рассмотрим схему взаимодействия давления воздуха (снаружи и изнутри) на человека (см. схему на рис. 2.10.), лежащего на кушетке и находящегося под воздействием атмосферного давления воздуха.
Как видно из схемы, внутренняя плевральная полость находится под давлением, равным атмосферному, в то время как и вся наружная поверхность тела (включая грудную клетку) также находится под давлением, равным атмосферному, т.е. 1 кгс/см 2 .
Таким образом, можно говорить о равенстве внутреннего и внешнего давления, действующего на организм человека, а следовательно, об отсутствии (в общем случае) помех, препятствующих нормальному кровообращению под действием атмосферного давления.
Абсолютно иная картина взаимодействия давления воздуха (снаружи и изнутри) на человека возникает при его погружении под воду с обеспечением дыхания через трубку, сообщенную с атмосферой (см. схему на рис. 2.11.).
В этом случае изнутри, со стороны легких, давит воздух с силой одной атмосферы (т.е. те же 1 кгс/см 2), а снаружи на тело (включая грудную клетку) давят:
Воздух с той же силой одной атмосферы (1 кгс/см 2);
Столб воды, высотою, равной глубине погружения.
Что происходит в этом случае?
1. Так, при глубине погружения, например, равной 50 см от поверхности воды, грудная клетка находится под избыточным давлением снаружи, создаваемым столбом воды высотою, равной глубине погружения, т.е. в данном случае 50 см водяного столба, или 50 гс/см 2 (5 кгс/дм 2). Это заметно затрудняет дыхание, т.к. с учетом площади грудной клетки при этом создаются условия, когда приходится дышать уже в условиях, равноценных тем, когда на грудь давит груз в 15–20 кг.
Но это чисто физические трудности, сопровождающие акт дыхания в таких условиях.
2. Дело не только в этих чисто физических трудностях. Гораздо опаснее и серьезнее проявление нарушения кровообращения. Под действием избыточного давления, создаваемого столбом воды и действующего на всю поверхность тела, кровь вытесняется из частей тела, где давление выше (ноги, полость живота), в области меньшего давления – в грудь и голову. Переполненные кровью сосуды этих частей тела препятствуют нормальному оттоку крови от сердца и аорты: последние непомерно расширяются от избытка крови, и в результате – если не смерть, то тяжелое заболевание.
Экспериментальные исследования, проведенные австрийским врачом Р. Штиглером и описанные им в книге «Купанье, плаванье и нырянье» (Вена), полностью подтвердили вышеизложенное. Опыты проделывал он над самим собой, погружая в воду тело и голову с трубкой, ведущей ото рта наружу.
Результаты опытов представлены в таблице 2.
Позже был изобретен кессон, представляющий собой колокол, обращенный отверстием вниз. Колокол опускается на дно, и под него накачивается воздух. Находящиеся в колоколе люди могут вести необходимые подводные работы.
Даже у водолаза, не говоря о кессонных рабочих, радиус действия под водой очень небольшой, ограниченный длиной шланга, по которому поступает воздух. Естественно, что поиски ученых продолжались. Совсем недавно, уже в нашем веке, удалось создать акваланг – автономный водолазный аппарат с баллонами сжатого воздуха или кислорода для свободного передвижения под водой на значительные расстояния.
Примерно с такой же проблемой столкнулись животные, когда им пришлось переселиться в жидкую среду. Некоторые из них шли тем же путем, что и люди, и на десятки миллионов лет предвосхитили создание водолазных приспособлений.
Легко растяжимый и очень длинный сифон, как настоящий водолазный шланг, имеют личинки еристалис. Живут они на дне водоемов, зарывшись в ил. Если водоем в этом месте очень мелок, личинки имеют возможность, не вылезая из ила, выставлять на поверхность воды свой шланг и преспокойно дышать.
Предки водяных насекомых были наземными животными. Переселение в воду иногда не влекло за собой никаких существенных изменений в их дыхательной системе. Дышат они только воздухом. Единственное приспособление к водной среде выразилось в способности делать запасы воздуха, как поступают аквалангисты, отправляясь в подводное странствие. У жуков плавунцов эти запасы помещаются под надкрыльями, а у гладышей на брюшке. Пузырьки воздуха удерживаются с помощью особых не смачиваемых водой волосков. Отверстия дыхательной системы находятся в местах прикрепления воздушных пузырьков; из этих резервуаров и черпают насекомые необходимый для жизни кислород.
То же самое относится и к паукам. Подавляющее большинство из них – характерные наземные животные, дышащие при помощи особых легочных мешков. Тем замечательнее единственный в нашей фауне перебежчик в водную стихию из этого отряда животных – водяной паук серебрянка. Тело его покрыто мелким несмачиваемым пушком. Когда паук погружается в воду, к пушку пристают мельчайшие пузырьки воздуха, покрывая все тело сплошной воздушной оболочкой. В воде эта оболочка блестит, и паук становится похож на живой шарик ртути. Кроме того, выставляя из воды кончик брюшка, паук забирает более крупный пузырек воздуха и, придерживая его задними лапками, отправляется в царство Нептуна.
Среди водных растений паук натягивает нити своей паутины точно так же, как это делают его наземные сородичи. Сначала паутина имеет плоский вид. Но по мере того как паук переносит под нее пузырьки воздуха, она начинает выпячиваться, принимая форму наперстка. Получается миниатюрный кессон. В этом кессоне и проводит большую часть жизни паук. Здесь же самка откладывает яички, из которых выводятся молодые паучата.
Сходство с аквалангом и кессоном чисто внешнее. Происходящие здесь процессы гораздо сложнее. Пузырьки воздуха, которые несут на себе насекомые, с одной стороны, являются запасными резервуарами, а с другой – помогают извлекать кислород из окружающей воды. Это приспособление даже получило специальное название – физические легкие.
В воде, как известно, растворены все газы, входящие в состав воздуха, в количестве, пропорциональном их концентрации в атмосфере. По мере того как насекомое дышит, концентрация кислорода в воздушном пузырьке уменьшается, и, когда станет меньше 16 процентов, в воздушный пузырек начинается диффузия кислорода, растворенного в воде. Таким образом, запас кислорода в пузырьке все время пополняется.
Если расход кислорода небольшой, например когда насекомое находится в состоянии покоя, физическое легкое может обеспечить потребность в кислороде в течение неограниченно долгого времени. Если же расход кислорода велик, диффузия его из воды не может своевременно восполнять потерю, процентное содержание кислорода в воздушном пузырьке резко уменьшается, а процентное содержание остальных газов (и в первую очередь азота) повышается и делается значительно большим, чем это обычно бывает в воздухе. Поэтому азот начинает растворяться в воде. Объем воздушного пузырька уменьшается за счет расхода части кислорода на дыхание и растворения азота в воде, насекомое вынуждено всплывать на поверхность для пополнения своих запасов.
Количество воздуха, которое насекомое может унести на себе, невелико, и, если бы не происходило пополнения запасов кислорода из воды, его хватало бы очень ненадолго. Это отчетливо проявляется в тех случаях, когда диффузия газов невозможна. Например, если поместить плавунцов и гладышей в кипяченую воду, они вскоре погибнут, так как в кипяченой воде нет никаких растворенных газов и, следовательно, пополнять запасы кислорода неоткуда.
То же самое произойдет, если посадить этих насекомых в воду, в которой растворен только кислород, и в качестве запаса дать тот же кислород в чистом виде. Запаса хватит не больше чем на полчаса, так как в таких условиях диффузия идти тоже не будет. Обычно же гладыши могут находиться в воде, не пополняя запаса воздуха 6 часов. Так благодаря диффузии кислорода из воды в воздушный пузырек продолжительность пребывания насекомых в воде без возобновления запаса воздуха увеличивается во много раз.
Мелкие насекомые, расход кислорода у которых невелик, могут очень долго не пополнять запас воздуха. Причем, оказывается, они не так страдают от уменьшения запасов кислорода, как от убыли из воздушного пузырька азота. Если водяного клопа посадить в воду, насыщенную кислородом, предварительно тонкой кисточкой убрав под водой воздушные пузырьки и заменив их пузырьками из чистого азота, то насекомые долгое время будут чувствовать себя нормально, так как в пузырек азота очень скоро из воды выделится достаточное для дыхания количество кислорода.
Физическими легкими пользуется икра лабиринтовых рыб, для которой родителям приходится сооружать специальную постройку, так называемое гнездо. Оно строится из пузырьков воздуха, заключенных в слюнообразную жидкость. Окруженная лишь тонкой пленкой жидкости, икра, плавая среди воздушных пузырьков, получает достаточное количество кислорода. Убыль кислорода пополняется из воздуха.
Полиакант, живущий в более богатой кислородом среде, строит свои гнезда не на поверхности, а где нибудь под широким листом подводного растения, под камнем или корягой. Раз в воде есть кислород, физические легкие будут работать и на глубине. Интересно, что полиакант строит свое гнездо в любое время года, а не только в период размножения и пользуется им сам, дыша воздухом из гнезда. Это позволяет рыбе не подниматься на поверхность, где может подстерегать опасность, а оставаться у дна в густых зарослях растений, в завалах коряг. Полиакант забирает из своих кладовых воздух, богатый кислородом, а взамен для обогащения кислородом и очистки от углекислоты возвращает пузырек азота с примесью углекислого газа. Только когда в гнезде станет мало азота, полиакант поднимается на поверхность, чтобы пополнить свои запасы.
По мере подъема в горы давление кислорода в воздухе неуклонно снижается, что ведет к падению этого давления в альвеолах и, как следствие этого, к падению напряжения кислорода в крови. Если напряжение кислорода падает ниже 50-60 мм ртутного столба, насыщение кислородом гемоглобина начинает очень быстро уменьшаться.
Характеристика физиологических сдвигов при дыхании в горах
У большинства людей при дыхании в горах до высоты 2,5 км не наступает расстройств. Это не значит, что на высоте 2 км организм есть в таком же состоянии, как при барометрическом давлении на уровне моря. Хотя на высоте до 3 км кровь насыщена кислородом не меньше, чем на 90% своей емкости, но напряжение кислорода, растворенного в крови, здесь уже снижено и этим объясняется ряд наблюдаемых сдвигов при дыхании в горах. К ним относятся:
- углубление и небольшое учащение дыхания;
- учащение пульса и рост минутного объема;
- некоторое увеличение ОЦК;
- увеличенное новообразование эритроцитов;
- небольшое, улавливаемое лишь очень тонкими методами, падение возбудимости рецепторов, исчезающее через двое-трое суток пребывания на указанной высоте.
Все эти изменения при дыхании в горах у здорового человека, однако, являются именно регуляторными процессами, нормальное протекание которых обеспечивает работоспособность на высоте. Недаром пребывание на высоте 1-2 км иногда используется как терапевтический прием при борьбе с некоторыми заболеваниями.
С высоты 3 км, а у ряда людей (при отсутствии мышечной работы) лишь с высоты 3,5 км, начинают обнаруживаться разные расстройства, что преимущественно зависит от изменения деятельности высших центров. При дыхании в горах уменьшается напряжение кислорода, растворенного в крови, падает также количество кислорода, связанного гемоглобином. Симптомы дыхательной гипоксии есть, когда насыщение крови кислородом падает ниже 85% кислородной емкости крови. Если же насыщение кислородом при дыхательной гипоксии падает ниже 50-45% кислородной емкости, то у человека наступает смерть.
Когда подъем на значительную высоту совершается медленно (например, при восхождении), то развиваются симптомы гипоксии, которые не обнаруживаются при быстро развивающейся гипоксии, ведущей к потере сознания. В этом случае вследствие расстройства высшей нервной деятельности отмечаются усталость, сонливость, дрожание, одышка, сердцебиение, часто тошнота, иногда кровотечения (высотная болезнь или горная болезнь).
Изменение нервной деятельности может начаться еще до уменьшения в крови количества оксигемоглобина, завися от снижения напряжения кислорода, растворенного в крови. У собак некоторые изменения нервной деятельности отмечаются иногда уже на 1000 м, выражаясь сначала в увеличении условных рефлексов и ослаблении тормозных процессов в коре мозга. На большей высоте условные рефлексы уменьшаются, а затем (на высоте 6-8 км) исчезают. Уменьшаются и безусловные рефлексы. В коре мозга усиливается торможение. Если на небольшой высоте (2-4 км) изменения условных рефлексов отмечаются лишь в первое время, то на значительных высотах нарушения условнорефлекторной деятельности не уменьшаются при продолжающейся гипоксии, а скорее углубляются.
Обусловленные гипоксией от дыхания в горах изменения состояния коры мозга, конечно, влияют на протекание всех физиологических функций. Торможение, развивающееся в коре, может переходить и на подкорковые образования, что сказывается и в нарушении двигательных актов, и в усилении рефлексов на импульсы с интерорецепторов.
Предел переносимых высот
Зависимо от индивидуальных особенностей, тренированности высота, когда наступают расстройства при дыхании в горах, может быть разной, но эти расстройства, хотя и на разных высотах, наступают обязательно у всех.
Для здоровых людей можно указать в среднем следующую шкалу высот, где наступают определенные функциональные изменения организма:
- до высоты 2,5 км большинство людей (а некоторые лица и до высоты 3,5-4 км) не испытывают значительных расстройств. Насыщение крови кислородом здесь еще выше 85% кислородной емкости, и из сдвигов в состоянии организма характерна лишь увеличенная деятельность дыхательной, сердечно-сосудистой системы, а также усиленное новообразование эритроцитов;
- на высоте 4-5 км начинают отмечаться расстройства высшей нервной деятельности, регуляции дыхания, кровообращения (эйфория или тяжелое самочувствие, легкая утомляемость, чейн-стоксово дыхание, резкое учащение пульса, иногда коллапс);
- на высоте 6-7 км эти симптомы становятся весьма серьезными для большинства людей, за исключением лиц, специально тренированных;
- дыхание в горах на высоте 7-8 км всегда ведет к тяжелому состоянию и опасно для большинства людей, а высота 8,5 км есть пределом, выше которого без вдыхания кислорода не может подняться человек.
У животных, постоянно обитающих в горах, отмечается значительное недонасыщение крови кислородом. Например, у овец на высоте 4000 м насыщение крови кислородом составляет лишь около 65% кислородной емкости, однако какие-либо патологические симптомы гипоксемии при этом отсутствуют.