Краткие сведения о физиологии дыхания человека

Для поддержания жизни человека необходим кислород, кото­рый содержится в окружающем воздухе.

Кислород поступает по дыхательным путям в легкие че­ловека и далее разносится кровью по всему телу. В резуль­тате обмена веществ, сопровождающегося окислительными про­цессами, в клетках организма и в крови происходит постоянное образование углекислоты и расходование кислорода.

Легкие, вместе с сердечно-сосудистой системой, обеспечивают своевременную доставку в организм кислорода и удаление из не­го углекислоты.

Воздух, вдыхаемый человеком, первоначально поступает к легочным пузырькам (альвеолам). Тонкие стенки альвеол, толщиной 3—-4 мкм, обвиты густой сетью капиллярных кровеносных сосудов. Через эти стенки по законам диффузии про­исходит газообмен между легкими и кровью: из легких в кровь переходит кислород, а из крови в легкие — углекислота.

В обычных условиях взрослый человек делает 15—18 вдохов в минуту, вбирая в себя при каждом нормальном вдохе около 0,5—0,6 л воздуха. Из всего количества кислорода, попадающего в легкие, организмом усваивается около 20%, остальной кисло­род удаляется обратно в атмосферу с выдыхаемым воздухом.

Обмен газами между кровью и альвеолами подчиняется зако­нам диффузии.

Процесс диффузии будет происходить лишь тогда, когда парциальное давление кислорода в альвеолах будет больше парциального давления кислорода в крови. Для удаления из ор­ганизма углекислого газа необходимо, чтобы соотношение его парциальных давлений в альвеолах и крови было обратным.

Насыщение крови кислородом зависит от парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе.

Парциальное давление кислорода определяется давлением входящего в газовую смесь кислорода, которое он имел бы, если бы один занимал весь объем этой смеси при неизменной начальной температуре. Поскольку альвеолярный воздух всегда насыщен водяными парами, имеющими при нормальной температуре тела человека давление 6,3 кПа (47 мм рт. ст.), парциальное давление кислорода определяется из выражения:

Pо₂ =

Где: Ко₂, — процентное содержание кислорода во вдыхаемом воз­духе; Рн —давление окружающей среды, кПа.

Рис. График изменения парци­ального давления кислорода в альвеолах легких по высотам

При дыхании

кислородом

Нетрудно заметить, что уве­личение парциального давления достигается повышением его про­центного содержания во вдыхае­мой воздушной среде или уве­личением давления окружающей среды, а также одновременным обогащением смеси кислородом и повышением давления этой среды.

На рисунке представлена зависимость изменения давления кислорода в альвеолах от высоты полета при дыхании атмосферным воздухом и чистым кислородом без избыточного давления.

Физиологическими исследованиями установлено, что удовле­творительная работоспособность человека обеспечивается лишь в том случае, если насыщение артериальной крови кислородом составляет не менее 80% и парциальное давление кислорода в альвеолах легких не ниже 6,7 кПа (50 мм рт. ст.).

Этим значе­ниям давлений соответствует высота около 4500 м при дыхании атмосферным воздухом и высота 13000 - 13500 м — при дыха­нии чистым кислородом без избыточного давления. При умень­шении парциального давления кислорода ниже указанного зна­чения происходит нарушение физиологических процессов, снижение работоспособности и общее ухудшение самочувствия чело­века - возникает так называемая высотная болезнь.

Причиной этих расстройств является кислородное голодание организма.

Анализ приведенных графиков позволяет сделать вывод о воз­можности разделения высот на три зоны в зависимости от способа защиты человека от кислородного голодания при полетах в пределах каждой из них.

Первая зона включает высоты от поверхности Земли до 4500 м. В этой зоне полет человека теоретически возможен в открытой кабине без использования кислородного оборудования. Однако уже на высоте более 2000 м вследствие кислородного голодания возникает ряд расстройств центральной нервной системы. В первую очередь нарушается работа зрительного центра головного мозга. Это проявляется в искажении восприятия цвета и ослаблении ночного и глубинного зрения, т. е. способности воспринимать пространственную форму объектов. При длительных полета; на высоте более 3500 - 4000 м кислородное голодание вызывает ряд психофизиологических расстройств. Их причиной является на рушение баланса между реакциями возбуждения и торможения в нейтральной нервной системе. В связи с этим международные нормы требуют обязательного использования кислородной си­стемы.

Этими международными нормами установлено, что при выполнении дневных полетов пассажирских самолетов на высотах более 4000 м один из пилотов должен быть в кислородной маске. При длительных ночных полетах следует пользоваться кислород­ными приборами с высот порядка 1500 - 2000 м. Требуется выби­рать оптимальные траектории снижения, которые обеспечивают нормальное состояние пассажиров.

Вторая зона включает диапазон высот от 4500 до 13500 м. Полет человека в этой зоне принципиально возможен в открытой кабине, но с обязательным применением кислородных приборов. При полетах до высоты порядка 8000 ... 9000 м для дыхания можно использовать смесь кислорода с воздухом, а на больших высотах необходимо использовать чистый, кислород. В этом случае пре­дельной высотой полета является высота 13000 - 13500 м.

При полетах в третьей зоне, т. е. в диапазоне высот более 13000 - 13500 м, экипаж необходимо размещать в герметиче­ской кабине. В ней должно быть создано такое давление среды, при котором парциальное давление кислорода в альвеолах легких было бы не меньше 6,3 кПа (47 мм рт. ст.). На высоте порядка 19000 - 19500 м, где атмосферное давление становится близким 6,3 кПа, человек погибает даже в среде чистого кислорода. Даль­нейшее увеличение высоты полета возможно при создании в легких человека избыточного давления по отношению к давлению окру­жающей среды. Однако с точки зрения безопасности для орга­низма человека создание избыточного давления в легких допу­стимо только при условии применения компенсирующих устройств, оказывающих на тело человека избыточное давление, равное избыточному давлению кислорода в легких.

При уменьшении давления воздушной среды, помимо кислородного голодания, возникает ряд расстройств в организме человека, называемых декомпрессионными заболеваниями. В открытой кабине на высотах более 8000 м или в герметической кабине, в которой режим давления среды соответствует этим высотам возникают боли в суставах и окружающих их тканях. В авиацион­ной медицине это явление носит название аэроэмболизма.

Причиной этого заболевания является переход растворенного в тканях азота в газообразное состояние. Количество азота, на­ходящегося в тканях и крови человека, зависит от его парциаль­ного давления в легких. При давлении, соответствующем давлению на уровне моря, ткани и кровь оказываются полностью насыщенными атмосферным азотом. С уменьшением атмосферного давления пар­циальное давление азота в тканях становится выше, чем в легких, и ткани оказываются перенасыщенными растворенным азотом. Если скороподъемность самолета невелика, избыток азота может выделиться из организма через легкие, и расстройств в нем не возникает. При быстром же подъеме растворенный азот переходит в газообразный, и образующиеся газовые пузырьки оказывают механическое воздействие на нервные окончания и вызывают закупорку мелких кровеносных сосудов. Появляются боли в су­ставах и мышцах.

Низкая температура и повышенная нервная и физическая нагрузки способствуют обострению болевых ощу­щений. При снижении до высоты порядка 6000 м мышечно-суставные боли исчезают. Однако нередко остается ощущение усталости в течение нескольких часов. Для профилактики аэроэмболизма эки­пажу рекомендуется перед выполнением высотного полета в те­чение получаса дышать воздухом с повышенным содержанием кислорода. Это способствует процессу освобождения организма человека от азота.

Наряду с аэроэмболизмом при разгерметизации кабины и скафандра на высотах 19000 - 20000 м может возникнуть явление аэроэмфиземы - вздутия подкожных тканей. Его причиной является образование газовых пузырей между мышцами и кожным покровом.

Известно, что жидкость закипает в тот момент, когда упру­гость ее пара превысит давление внешней среды. Поскольку тем­пература плазмы крови и жидкостей в тканях и полостях орга­низма близка к температуре +37°С, на высотах, превышающих 19000 м, в организме человека возникает процесс интенсивного испарения находящихся в нем жидкостей. Поры кожного покрова не в состоянии пропустить всю массу образовавшихся паров, и они, скопившись под кожей, оттягивают ее. Это вызывает рас­слаивание подкожной клетчатки и появление болевых ощущений. При снижении пары конденсируются и вновь поглощаются клет­ками ткани и кровью, а болевые ощущения исчезают. Последствия аэроэмфиземы могут вызвать необратимые последствия структуры желудка, плевры, кровеносных сосудов и сердца.

При внезапной разгерметизации кабины или скафандра, по­мимо опасности кислородного голодания, возникают болевые ощущения в замкнутых и полузамкнутых полостях организма, таких как кишечник, среднее ухо, лобные пазухи, легкие. Это явление получило наименование высотного метеоризма. Причиной его возникновения является резкий перепад между давлениями в этих органах и во внешней среде.

Для защиты экипажа и пассажиров от вредного воздействия атмосферы больших высот служебные и пассажирские кабины современных самолетов герметизируются, а в них поддерживаются необходимые для жизнеобеспечения параметры воздушной среды. На высотных самолетах эта проблема реализуется снаряжением экипажей скафандрами, высотными компенсирующими костю­мами и системой кислородного бортового оборудования.

Повышенная и пониженная температура окружающей среды приводит к снижению работоспособности и нарушению комфорта и стойким нарушениям нормальной жизнедеятельности челове­ческого организма.

Понижение относительной влажности среды (менее 40%) вы­зывает появление сухости в носоглотке и слизистой оболочке глаз, а при ее повышении организм становится неспособным под­держивать нормальную температуру тела в условиях окружающей среды.

Для защиты людей от вредного воздействия атмосферы больших высот кабины экипажей и салоны высотных самолетов гермети­зируются. Необходимое избыточное давление и температура соз­даются с помощью системы наддува и кондиционирования воздуш­ной среды.

Кроме того, в целях повышения безопасности выполняемых полетов и создания необходимого комфорта в кабинах всех само­летов, а также в пассажирских салонах некоторых самолетов гражданской авиации устанавливается необходимое кислородное оборудование с приборами коллективного пользования.

Защита экипажа скороподъемного самолета от кислородного голодания и болевых ощущений в случае разгерметизации кабины и при аварийном ее покидании обеспечивается применением инди­видуального высотного снаряжения, в состав которого, помимо кислородного оборудования, входят высотные компенсирующие костюмы или скафандры.