Дыхательная система

Погружение на задержке дыхания в значительной степени обусловлено теми эффектами, которые давление оказывает на обмен дыхательными газами в альвеолах легких и на физиологию дыхания в целом.

Поэтому совершенно очевидно, насколько важно знать анатомию дыхательной системы, чтобы понимать физические и физиологические процессы, лежащие в основе дыхательной адаптации во время погружения на задержке дыхания.

Дыхательная система — это совокупность органов, задача которых гарантировать с помощью дыхательных процессов поставку кислорода и удаление углекислого газа из всех частей тела. Кислород — это «горючее», необходимое для осуществления всех энергетических процессов в человеческом организме; его значение для поддержания жизни было отмечено еще в 1777 году Антуаном Лавуазье, который, говоря о составе атмосферного воздуха, определил кислород как «portion d’air minemment respirable» (часть воздуха, предназначенная для дыхания).

Дыхательная система делится на две совершенно различные анатомические части: верхние дыхательные пути и легкие.

Состоят из носовой полости, носовых пазух, глотки, гортани, трахеи и больших бронхов; их назначение — направить воздух извне в легкие, очистив его от случайных вредных частиц, согрев его до температуры тела и увлажнив его.

Нос является важной частью дыхательной системы. Наружная часть носа имеет две ноздри.

За ноздрями следуют носовые пазухи, внутри которых находится ряд структур, крайне важных для занятий погружениями на задержке дыхания. Действительно, пазухи напрямую соединены со средним ухом, поэтому анатомически это самая важная зона для компенсации давления в ушах во время погружения.

В носовой полости берут свое начало носовые проходы, связывающие ее с около-носовыми пазухами; внутри этих проходов находятся толстые волоски (вибриссы), задача которых — очистить входящий при вдохе воздух от микроскопических частиц, потенциально опасных для расположенных ниже дыхательных органов.

За носовыми пазухами следует носоглотка, большой канал в форме воронки, относящийся к органам как дыхательной, так и пищеварительной системы. В конце глотки находится отверстие гортани и очень важный орган — надгортанник, работающий во время глотания в качестве клапана гортани.

За глоткой и гортанью следует трахея — прямая ниспадающая трубка, которая спускается в грудной отдел до 5-го позвонка, а затем делится на два главных бронха, правый и левый.

Трахея имеет особое строение, она образована серией хрящевых полуколец, соединённых плотной волокнистой соединительной тканью. На внутреннем покрытии трахеи много смешанных слизистых желез.

Это парные органы, расположенные в центральной части грудной клетки; пространство, разделяющее легкие, называется средостением, внутри него расположены также трахея, пищевод, сердце и большие кровеносные сосуды (артерии и вены) грудного отдела; место прикрепления к легким легочных сосудов и бронхов называется воротами легких.

Основание легких покоится на диафрагме, как и апикальная часть сердца. Легкие имеют коническую форму с углублением посередине и покрыты двухслойной серозной оболочкой — плеврой; пространство, разделяющее два слоя, называется плевральной полостью, в которой присутствует немного жидкости, способствующей движению легкого при дыхании.

Правое легкое по объему чуть больше, чем левое, и разделено на три доли, соединяющиеся в районе ворот легкого. Левое легкое имеет только две доли.

Бронхи, распространяясь внутри легочной ткани, делятся сначала на долевые бронхи, направляющиеся соответственно в различные доли легких, затем, все более углубляясь в легочную ткань, они разветвляются на более тонкие отростки, дольковые бронхи, которые затем расходятся на концевые бронхиолы, дающие начало дыхательным, или альвеолярным, бронхиолам.

Из дыхательных бронхиол формируются альвеолярные ходы, завершающиеся легочными мешочками из 15–20 альвеол. Альвеола являются самой настоящей функциональной единицей дыхательной системы, на уровне которой происходит газообмен. Стенки альвеол смазаны специальной липопротеиновой жидкостью (т. е. состоящей из жиров и белков), которая предотвращает склеивание альвеолярных стенок и коллапс самих альвеол.

Кровеносная система осуществляет охват легких посредством разветвляющихся артерий и вен, переходящих в густую сеть капилляров, плотно контактирующих с альвеолами с помощью альвеолокапиллярной мембраны, в которой происходит обмен дыхательных газов, поэтому ее еще называют барьером воздух-кровь.

Легочная артерия, входя в легкие, разветвляется, и ее отростки следуют за отростками бронхов до уровня альвеол, где они образуют запутанную капиллярную сеть. В легочных венах происходит обратное движение, они несут к сердцу кровь, обогащенную кислородом, откуда она затем поступит во все отделы человеческого организма. Именно благодаря дыхательной системе кровь заново обогащается кислородом до нормального уровня, и в этом процессе задача альвеол и капилляров — отфильтровывать воздух и уравновешивать количество газов.

Дыхательное движение грудной клетки происходит в результате работы дыхательных мышц. диафрагмы и наружных межреберных мышц. Следовательно, это активный процесс. Выдох, происходящий в результате расслабления этих мышц, напротив, является пассивным процессом. Есть также дополнительные дыхательные мышцы, которые начинают принимать участие во вдохе при более резком или интенсивном дыхании. Во время спокойного дыхания диафрагма опускается на 2 сантиметра, а при глубоком — на 3–4 см.

Функционально легочный объем делится на:

• мертвое бронхо-трахеальное пространство. воздух, находящийся в носу, глотке, гортани, трахее, бронхах, бронхиолах;
• дыхательный объем (ДО). количество воздуха, используемое при нормальном вдохе;
• резервный объем выдоха (РОвыд). максимальное количество воздуха, которое мы можем выдохнуть после обычного выдоха;
• резервный объем вдоха (РОвд). это тот объём воздуха, который можно вдохнуть при максимальном вдохе после обычного вдоха;
• остаточный объем (ОО). объём воздуха, который остается в лёгких даже после максимального выдоха, и который может выйти только при коллапсе легких.

Все эти объемы образуют общую емкость легких. Дыхательный объем вместе с двумя резервными объемами образуют жизненную емкость легких. Нормальная частота дыхания составляет 16–20 вдохов-выдохов в минуту.

Дыхание состоит из двух фаз: вдох и выдох. Во время вдоха сокращаются мышцы диафрагмы и межреберные мышцы. Диафрагма прогибается вниз, надавливая на органы брюшной полости и увеличивая объем грудной клетки; в результате сокращения межреберных мышц раздвигаются ребра, способствуя еще большему расширению грудной полости. В обычных условиях давление внутри альвеол во время вдоха становиться чуть меньше, чем атмосферное, примерно на -3 мм ртутного столба. Эта разница в давлении заставляет воздух поступать внутрь дыхательных путей, и таким образом уравновешивается. При выдохе происходит обратный процесс: давление в альвеолах увеличивается относительно атмосферного давления на +3 мм ртутного столба, что приводит к выходу содержащегося в них воздуха наружу.

Если на поверхности подводник выполняет произвольную гипервентиляцию, во время усиленного выдоха давление внутри альвеол может увеличиться до +100 мм ртутного столба, а при вдохе оно может упасть до -80 мм ртутного столба. Эти числа объясняют нам, почему вход и выход воздуха из легких напрямую зависит от соотношения показателей атмосферного давления и давления внутри альвеол. Так, например, когда атмосферное давление превышает альвеолярное, воздух будет переходить из области с большим давлением (внешняя) в область с меньшим давлением (альвеолы); и наоборот, если альвеолярное давление больше атмосферного, воздух будет выталкиваться из альвеол наружу.

Автоматизм дыхания регулируется клетками центральной нервной системы, объединенными в группы; это так называемые дыхательные центры, расположенные в определенных зонах мозга: в бульбарной части продолговатого мозга и варолиевом мосту.

Бульбарный дыхательный центр разделен на два отдела: инспираторный центр и экспираторный центр, отвечающие соответственно за вдох и выдох; оба они воспринимают химические импульсы, связанные с концентрацией в крови углекислого газа (CO2).

В варолиевом мосту находятся два других дыхательных центра: апнеустический центр и пневмотаксический центр, которые выполняют свои определенные функции в рефлекторной регуляции дыхания и имеют основополагающее значение для погружений на задержке дыхания.

Действительно, апнеустический центр — это отправная точка инспираторного импульса, тогда как пневмотаксический центр — это орган, в котором берут свое начало тормозящие импульсы бульбарного инспираторного центра.

Мозговые дыхательные центры: бульбарный дыхательный центр устанавливает дыхательный ритм и чувствительно реагирует на любое увеличение количества CO2, отвечая ускорением дыхания до 6–7 раз. Химическая регуляция дыхания

Основная задача дыхательной системы — поддерживать в норме уровни содержания CO2 и О2 в крови для обеспечения жизненных функций. Изменение парциального давления этих газов в организме непосредственно влияет на частоту и глубину дыхания.

Из двух этих газов наибольшее влияние на процесс дыхания, несомненно, имеет CO2, поскольку изменение именно его концентрации в крови вызывает реакцию дыхательных центров.

Действительно, при любом изменении концентрации CO2 в крови, будь то увеличение или уменьшение, происходит стимуляция бульбарных химических рецепторов. приводящая к раздражению одного из двух центров в варолиевом мосту (апнеустического или пневмотаксического), которые в свою очередь посылают импульсы в один из бульбарных центров (инспираторный или экспираторный).

Из всего вышесказанного становится ясно, что увеличение концентрации CO2 в крови приводит к стимуляции дыхания (возбуждается апнеустический центр и посылает импульсы бульбарному инспираторному центру, который стимулирует дыхание). Поскольку под водой невозможно сделать вдох, увеличение CO2 в крови вызывает диафрагмальные сокращения, характеризуемые серией напряжений и расслаблений мышц диафрагмы — очевидный сигнал тревоги, обозначающий достижение предела задержки дыхания.

Уменьшение содержания CO2 в крови, как при гипервентиляции, может отсрочить появление дыхательного стимула, поскольку, как было сказано ранее, в бульбарный инспираторный центр импульс поступает только при определенном повышенном уровне концентрации этого газа, достижение которого при гипервентиляции запаздывает, потому что в начале задержки дыхания содержание CO2 в крови сильно занижено. Следовательно, гипервентиляция задерживает сигнал тревоги, используемый организмом для предупреждения о достижении предела задержки. Опасность заключается в том, что, прежде чем уровень CO2 поднимется достаточно для стимуляции дыхания, уровень кислорода может упасть ниже критического уровня. По этой причине гипервентиляция категорически запрещается; коротко говоря, она значительно понижает в организме уровень защиты и возможность предупреждения об опасности.

У ныряльщика на задержке дыхания сигналом к подъему является ощущение «кислородного голодания» — дисапноэ, появляющееся вследствие повышения уровня CO2 в крови, которое приводит к раздражению бульбарных химических рецепторов (это особые рецепторы, чувствительные к химическим изменениям крови) с целью стимуляции дыхательного центра для нового вдоха. Чтобы продлить задержку дыхания, подводник иногда сдерживает первые признаки дисапноэ, но это может привести к опасным последствиям, особенно, если подводник, как это обычно бывает, гипервентилирует легкие, ошибочно полагая, что увеличивает таким образом свой запас кислорода.

На самом деле гипервентиляция приводит к уменьшению CO2 в альвеолах и крови, что, как мы впоследствии увидим, повышает риск гипоксии (чрезмерное уменьшение парциального давления PpO2) и вызывает у человека гипоксический обморок.

В нормальных условиях перепады парциального давления О2 и CO2 в крови и в альвеолярном воздухе способствуют прохождению О2 из легких в кровь, и CO2 из крови в легкие. Во время погружения увеличение давления внутри легких способствует распространению О2, но и препятствует выходу CO2. Действительно, на глубине 10 метров внутрилегочное давление таково, что CO2 перемещается в обратном направлении: из легких в кровь, а не из крови в легкие. На глубине запас.

О2 в легких уменьшается гораздо быстрее, чем на поверхности, и одновременно повышается PCO2. Таким образом, сигнал к всплытию появится с запозданием относительно реального остатка кислорода, а это может вызвать у неопытного подводника, плохо знающего собственные возможности, иллюзию, что можно и дальше задерживать дыхание.

Во время всплытия давление газа быстро падает, как в легких, так и в крови. При уменьшении давления О2 до гипоксичного уровня у подводника может произойти потеря сознания с последующим обмороком и возникновением риска утопления.

Опасность еще больше увеличивается, если на поверхности подводник делал гипервентиляцию, поскольку, как мы уже видели, эта методика дает лишь небольшое увеличение парциального давления кислорода, а по большей части происходит значительное понижение парциального давления углекислого газа. Это приводит к последующему запаздыванию стимуляции дыхательных центров, дающих сигнал тревоги о приближении предела задержки дыхания, который позволяет вовремя вернуться на поверхность для дыхания.

После того, как мы получили самые общие представления о физиологии дыхания и об изменениях, происходящих во время погружения, пришло время проанализировать действие физических законов во время погружений как на задержке дыхания, так и с аквалангом.

Термином флюид обычно называют как жидкость, так и газ; оба они обладают одним и тем же свойством — принимать форму сосуда, в котором они находятся, а различаются по характеристикам «сжимаемости» и занимаемого объема. Действительно, если жидкости несжимаемы и занимают вполне определенный объем, то газы сжимаемы и стремятся занять все имеющееся пространство. Это помогает нам понять механику диффузии газов во время погружения.

Давление (р) равно соотношению силы (F) к площади поверхности (А) на которую воздействует эта сила.

р = F/А.

Когда человеческий организм подвергается давлению окружающей среды, превышающему атмосферное, в нем происходят физиологические изменения, зависящие главным образом от некоторых физических законов, учитывающих изменения давления и касающихся газов, присутствующих в атмосфере Земли. Знание этих физических законов поможет лучше понять физиологические изменения в организме.

Слой воздуха, окружающий Землю, оказывает на нее давление под воздействием сил гравитации, равное давлению 760 мм ртутного столба на 1 см2 площади. Это давление обозначается термином атмосфера (Атм), и фактически равняется 1 кг/см2. Действительно, упомянутый ртутный столб оказывает на свое основание давление весом 1033,2 г, что равно давлению толщи воздуха на уровне моря на каждый см2. Следовательно, можно с большой точностью утверждать, что 1 атмосфера равна 1 кг/см2.

Поскольку 1 Атм равняется весу столба воды высотой 10,33 м на 1 см2, при погружении под воду давление увеличивается примерно на 1 Атм с каждыми 10 метрами глубины. Следовательно, на поверхности давление равно 1 Атм, на глубине 10 метров — 2 Атм, на 20 метрах — 3 Атм и т. д.

Из всего вышесказанного ясно, что давление, которое испытывает тело, погруженное в воду, является суммой атмосферного давления (Р Атм) и давления водяного столба, находящегося над этим телом (Р гидростатическое).

ATA = Р Атм + Р гидростатическое.

Таким образом, становится понятно, что объект, погруженный на глубину 10 м подвергается давлению, равному 2 АТА или 2 кг на см2, то есть это означает, что при погружении давление пропорционально глубине.

Теперь важно рассмотреть теорему Паскаля, которая гласит, что «давление, оказываемое на жидкость (флюид), находящуюся в сосуде, передаётся жидкостью (флюидом) одинаково во всех направлениях и на стенки сосуда».

Очевидно, что давление внутри жидкости не всегда одинаково во всех ее частях, но увеличивается с глубиной.

Погружение под воду? будь оно на задержке дыхания или при помощи дыхательного оборудования, вызывает в человеческом организме изменение некоторых важных функций. Это временные и полностью обратимые при всплытии изменения, связанные как с переменой давления окружающей среды, так и с физическими законами, регулирующими отношения газа и крови.

Если не принимать во внимание отдельные несчастные случи, например, травмы, ранения, и т. п., то для всех форм клинических осложнений в подводном плавании главным патогенным фактором является взаимосвязь между изменением давления окружающей среды и поведением газов, растворенных в крови в гипербарических условиях (под давлением).

Из всего, что было сказано выше, очевидно, что знание газовых физических законов и механизмов диффузии газов в крови и тканях имеет фундаментальное значение для понимания физиологических явлений адаптации организма к водной среде.

В обычных условиях человек дышит через нос, если только для этого нет препятствий, например, искривления носовой перегородки, полипов или текущих воспалительных процессов.

На уровне носовых проходов находится механический барьер для проникновения в дыхательные пути посторонних частиц, который образован вибриссами, слизистой оболочкой и ресничньми клетками эпителия. Кроме того, серозные выделения благодаря своему бактерицидному и очищающему действию также являются препятствием для проникновения вредных и любых других бактерий.

Другими крайне важными функциями носовой полости являются увлажнение и согревание дыхательных газов. При обычном дыхательном объеме в течение.

24 часов через данную полость проходит около 10 000 литров воздуха, который с помощью густой сети сосудов слизистой оболочки методично согревается до температуры 37 °С. Только представьте, перепады температуры окружающей среды в 25 градусов приводят к изменению температуры дыхательных газов не более, чем на 1 градус.

Процесс увлажнения происходит посредством экссудата слизистой оболочки. В течение 24 часов объем назальной секреции составляет 1000 мл, которые почти полностью используются для увлажнения воздуха, в результате на бронхо-альвеолярном уровне его относительная влажность достигает 95 %.

Перепады температуры влияют на способность воздуха насыщаться водяными парами, а именно, чем больше согревается воздух, тем легче происходит сатурация (насыщение). Таким образом, мы видим, что носовая полость и воздушные пути выполняют функции согревания и увлажнения вдыхаемых газов. Газовые физические законы

Закон Бойля-Мариотта устанавливает зависимость между объемом и давлением газа; он гласит: «для данной массы данного газа при постоянной температуре произведение давления на объем есть величина постоянная».

Р х V = К.

где К — постоянная величина.

Если интерпретировать этот закон, становится ясно, что любое увеличение давления приводит к пропорциональному уменьшению объема рассматриваемого газа. Например, у подводника, погрузившегося на 10 м (2 Атм), объемы газов уменьшаются наполовину по сравнению с их объемами на поверхности (1 Атм), и наоборот, если тот же подводник всплывает с глубины 10 м на поверхность, давление уменьшается, и объем газов удваивается.

С практической точки зрения это показывает, как во время задержки дыхания по мере спуска в глубину парциальное давление кислорода постепенно увеличивается и, следовательно, вызывает временное и обманчивое улучшение альвеолярного газообмена, но в момент всплытия происходит обратный эффект, а именно, из-за падения гидростатического давления парциальное давление кислорода также начинает быстро уменьшаться, а если оно падает ниже определенного уровня, то происходит гипоксический обморок.

Чтобы продемонстрировать все вышеизложенное, приведем классический опыт с воздушным шариком, который надувается на поверхности и погружается под воду на глубину 10 м; на этой глубине его объем уменьшится вдвое, а если с 10 м мы отпустим шарик к поверхности, мы убедимся, что его объем постепенно увеличится и на поверхности вернется к первоначальному.

Закон Дальтона тесно связан с законом Бойля-Мариотта и гласит: «давление смеси химически не взаимодействующих идеальных газов равно сумме парциальных давлений этих газов».

Рtot=p1 + p2 +… + pn.

Парциальное давление каждого газа, входящего в газовую смесь, можно определить путем умножения общего давления Рtot на процентное содержание газа (%г) и деления полученного результата на сто.

Pp = (Рtot х %г) / 100.

Пример: подсчитаем парциальное давление азота (N) в воздухе на уровне моря, зная, что его процентное содержание равно 78 %:

Pp N = (760 mm Hg х 78) / 100 = 592,8 mm Hg.

В соответствии с вышеизложенным, можно сказать, что давление любого газа, входящего в смесь газов, прямо пропорционально его процентному содержанию в этой смеси.

В подводной среде закон Дальтона оказывается одним из основополагающих для дыхательных смесей и их компонентов при погружении с автономным дыхательным аппаратом. При задержке дыхания этот закон особенно важен в том, что касается артериального парциального давления кислорода. Уместно напомнить, что всякий раз, когда Pp кислорода превышает условное значение в 1.7 Атм (1292 мм рт. ст.) этот газ начинает оказывать токсический эффект на человеческий организм. Дыхание чистым кислородом перед погружением крайне опасно! Если же Pp кислорода падает ниже 60 мм рт. ст., начинает проявляться гипокси-ческая дыхательная недостаточность из-за измененного состава воздуха; падение PpO2 ниже 50 мм рт. ст. вызывает острое кислородное голодание мозга и появление гипокси-ческого обморока (синкопе, или black out).

Закон Генри касается растворимости газа в жидкости в зависимости от давления, которое он оказывает, и поэтому регулирует транспортировку кислорода к тканям в гипербарических условиях. при постоянной температуре количество (Q) растворенного газа в данной жидкости и/или ткани прямо пропорционально давлению этого газа над раствором.

Q = KPgas (К = константа Генри) Повышенное давление и транспортировка кислорода

Обычно в артериальной крови на 100 мл содержится 20 мл О2. Большая его часть вступает в химическое взаимодействие (связывается) с гемоглобином крови, превращая его в нестойкое химическое соединение — оксиге-моглобин. Венозная кровь на 100 мл обычно содержит около 14 мл О2, и это означает, что потребность тканей в к2ислороде достигает 6 мл О2 на 100 мл крови. Вот почему, как указыва2лось ранее, при давлении кислорода ниже 60 мм рт. ст. организм начинает проявлять признаки кислородного голодания.

В соответствии с законом Генри с увеличением парциального давления О2 увеличивается и количество О2, растворенного в крови, и таким образом человеку, дышащему 100 % кислородом под давлением 3 Атм, не потребуется гемоглобин для его транспортировки, поскольку количество растворенного в крови кислорода намного превышает 6 мл на 100 мл крови. При таком абсолютном давлении количество растворенного в плазме О2 достаточно, чтобы обеспечить потребности организма.

Перенасыщение тканей кислородом и/или нормализация pO2 является целью гипербарической кислородной терапии. Использование такой терапии оказывается важным для лечения некоторых клинических случаев, связанных с погружениями на задержке дыхания, которые хорошо знакомы ловцам жемчуга во Французской Полинезии на острове Туамоту под названием «Таравана».

Задача дыхательной системы — доставлять О2 к тканям человеческого тела и обеспечивать удаление CO2 для поддержания должного химического равновесия в тканях и крови. Газообмен происходит через стенки легочных альвеол и называется гематозом. Для правильного осуществления этого процесса необходимо, чтобы соотношение между кровяной перфузией на территории легких и альвеолярной вентиляцией оставалось нормальным. Действительно, изменения этого соотношения, связанные с анатомическим и/или структурным и/или функциональным дефицитом, являются абсолютным или относительным противопоказанием к погружениям как на задержке дыхания, так и с аквалангом. Этот газообмен происходит двумя различными физическими способами транспортировки материи: диффузия и конвекция.

Резюме

С помощью изучения физических законов мы поняли, что при погружении на задержке дыхания некоторые процентные значения газов могут резко меняться в зависимости от внешнего давления. И здесь самой важной является ситуация, возникающая при глубоком погружении на задержке дыхания, во время которого из-за гидростатического давления при спуске вниз парциальное давление кислорода повышается до уровней, при которых не может возникнуть гипоксии; однако затем во время всплытия, наоборот! парциальное давление столь быстро падает, что может оказаться ниже минимума, приводя к ситуации гипоксии и потери сознания (синкопе). Синкопе может возникнуть не только по этой причине. Важно понимать, что чрезмерное затягивание задержки дыхания также является опасным, и не только по причине увеличения парциального давления углекислого газа, но прежде всего из-за слишком быстрого понижения парциального давления кислорода при всплытии. Это объясняет, почему глубину нужно завоевывать метр за метром, год за годом, постоянно учитывая все физиологические изменения, физические законы и различные элементы риска, о которых мы будем говорить впоследствии

Газообмен посредством диффузии происходит между альвеолами и легочными капиллярами, между капиллярами и клетками, тогда как обмен с помощью конвекции идет между легочным капилляром и системным капилляром или между атмосферным воздухом и альвеолой.

В легочной физиологии «диффузией» называется скорость, с которой газ распространяется в жидкости и/или органической ткани. Эта скорость диффузии зависит от целого ряда переменных, связанных с площадью мембраны обмена и разницей между парциальными давлениями газов с обеих сторон этой мембраны.

Скорость диффузии CO2 в 20 раз больше, чем О2.

Читать дальше Нервная система

МАРКО БАРДИ Учебник подводной охоты на задержке дыхания