Дыхание в различных условиях.

Дыхание в условиях гиперкапнии. Гиперкапнический стимул - напряжение CO₂ (P_aСО₂)  является важнейшим регулятором дыхания. Уровень вентиляции определяется при прочих равных условиях величиной напряжения CO₂  в артериальной крови и в спинномозговой жидкости. С ростом P_co2  глубина дыхания (V_T)  обычно увеличивается почти линейно. Динамика изменений временных параметров паттерна значительно сложнее. Возможны следующие варианты.

1. При нарастающей гиперкапнии длительность вдоха (T_i)  вначале не меняется.

2. После возрастания глубины дыхания в 2-5 раз длительность вдоха укорачивается; укорочение длительности выдоха наступает раньше.

Рост дыхательного объема в сочетании с укорочением вдоха приводит к ускорению среднего инспираторного потока. Отмечена зависимость реакции на гиперкапнию от исходного типа дыхания: тахипноики реагировали на вдыхание смесей CO₂  и O₂ более значительным ростом МОД, чем брадипноики. У тахипноиков гиперкапния вызывала как учащение, так и значительное углубление дыхания.

У брадипноиков учащение дыхания происходило преимущественно за счет укорочения экспираторной фазы, а увеличение дыхательного объема было выражено слабо.

У тахипноика прирост напряжения CO₂  вызывает изменения как величины инспираторной активности, так и длительности вдоха и выдоха. Особенности реакции параметров паттерна дыхания на гиперкапнию у тахипноиков и брадипноиков несомненно обусловлены биомеханическими факторами их дыхательной системы.

Повышение напряжения  CO₂  в артериальной крови возможно при работе в замкнутом пространстве, например в космосе на борту космического корабля, в кабине подводной лодке и т.д.

При содержании углекислого газа не более 3% дыхание еще может поддерживать на нормальной высоте его парциальное давление в альвеолярном воздухе. С повышением его содержания, несмотря на усиление легочной вентиляции, дыхательный аппарат уже не в состоянии выводить избыток газа. Это еще более ухудшает условия для диффузии углекислого газа из венозной крови в легкие – он начинает накапливаться в тканях организма.

Если во вдыхаемом воздухе углекислого газа больше, чем в альвеолярном, то как бы ни возрастала легочная вентиляция, напряжение его в крови не может быть снижено. Накапливаясь в организме выше определенного предела, углекислый газ оказывает наркотический эффект:  человек засыпает, дыхание урежается, резко уменьшается легочная вентиляция. В результате происходит еще более быстрое повышение напряжения углекислого газа в крови и тканях, что может привести к существенным сдвигам внутренней среды организма, нарушениям жизнедеятельности тканей и смерти. Практика подводного плавания показывает; при концентрации углекислого газа в отсеках подводных лодок не выше 3%, несмотря на объективное проявление одышки, заметное увеличение глубины дыхания, подводники чувствуют себя вполне удовлетворительно.

Для людей критическая грань содержания углекислого газа во вдыхаемом воздухе, при которой наступают резкие некомпенсируемые нарушения дыхания, составляет около 6%.

При медленном повышении парциального давления углекислого газа во вдыхаемом воздухе наблюдаются три выраженных стадии отравления. Сначала при увеличении содержания углекислого газа до 6% появляется одышка, легочная вентиляция возрастает в несколько раз по сравнению с нормой. Вентиляция возрастает как за счет углубления, так и за счет учащения дыхательных движений. Затем при содержании углекислого газа во вдыхаемой смеси от 6% до 10% наступает возбуждение и возникают судороги, в которых принимают участие почти все мышцы тела. Наконец, при содержании углекислого газа свыше 10% развивается наркоз, экспираторные судороги прекращаются и сменяются медленными и глубокими вздохами, после которых дыхание вовсе останавливается.

В отличие от кислородного голодания отравление высокими концентрациями углекислого газа имеет предвестников, предшествующих потере сознания. Поэтому при работе в изолирующих подводных аппаратах в случае начавшегося углекислотного отравления  водолаз часто сам успевает вовремя выйти наверх или подать сигнал тревоги.

Нередко одного переключения пострадавшего на дыхание атмосферным воздухом бывает достаточным для нормализации жизнедеятельности. В случае резкого осложнения дыхательных движений следует осуществлять искусственное дыхание.

Дыхание в условиях гипоксии. Состояние гипоксии развивается в условиях высокогорья, при заболеваниях легких, кровеносных сосудов, сердца, кроветворных органов и др., при работе в замкнутом пространстве  (кабина реактивного самолета, кабина космического корабля, кабина подводной лодки) при недостаточной регенерации воздуха.

По мере подъема на высоту в результате понижения общего барометрического давления воздуха парциальное давление кислорода неуклонно снижается, что ведет к уменьшению напряжения кислорода в артериальной крови. Если на уровне моря насыщение крови кислородом достигает 98%, то, например, на высоте 6000 м оно равно только 75% кислородной емкости крови. На высоте не только падает напряжение кислорода, растворенного в крови, но уменьшается также количество кислорода, связанного с гемоглобином. В результате парциальное давление кислорода становится недостаточным для поддержания требуемого насыщения крови – развивается кислородное голодание. Развитие кислородного голодания усугубляет и то обстоятельство, что с высотой парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе падает не пропорционально, а быстрее, чем во вдыхаемом. Это происходит потому, что состав альвеолярного воздуха отличается  от  выдыхаемого. В составе альвеолярного воздуха содержится больше углекислого газа и водяных паров. Углекислый газ и водяные пары непрерывно поступают из притекающей к легким венозной крови, и с высотой изменяются настолько мало, что практически принято считать их парциальное давление постоянным. Значит, по мере подъема на высоту доля парциальных давлений углекислого газа и паров воды в альвеолярном воздухе относительно возрастает, а доля парциального давления кислорода сокращается и всегда меняется не пропорционально изменению атмосферного давления, а в большей степени.

Степень кислородного голодания зависит от высоты подъема и времени пребывания на высоте, а переносимость его лицами разного возраста и тренированности – от функционального состояния организма и индивидуальных особенностей. У пожилых и больных людей кислородное голодание проявляется на меньших высотах, чем у молодых и здоровых. Альпинизм, плавание, занятия подводным спортом и горный туризм способствуют повышению устойчивости организма к кислородному голоданию. Однако у всех людей, хотя и на разных высотах (обычно выше 1 км), при снижении парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе до определенного уровня внешнее дыхание изменяется.

Характерной реакцией дыхательной системы на недостаток кислорода является рефлекторные перестройки паттерна дыхания. Реакция на гипоксию у людей очень вариабельна. В начальный период адаптации к гипоксии углубляются и незначительно учащаются дыхательные движения. Увеличивается масса циркулирующей крови из-за выхода крови из депо и частота сердечных сокращений. На высоте более 3 км углубление дыхания приводит к гипервентиляции. По мере дальнейшего подъема глубина дыхания продолжает возрастать. Частота его мало меняется, но во всех случаях легочная вентиляция увеличивается. Увеличение объема легочной вентиляции обусловливает повышение парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе и его напряжения в артериальной крови.

Перестройку дыхания в условиях умеренного кислородного голодания следует рассматривать как приспособительную реакцию. Она заключается в следующем. Снижение парциального давления (напряжения) кислорода в артериальной крови является специфическим раздражителем чувствительных клеток, расположенных в стенках аорты и сонных артерий. Возникающие при раздражении хеморецепторов нервные импульсы по нервным путям передаются к клеткам дыхательного центра, стимулируют его работу и тем самым вызывают усиление дыхательных движений, увеличение легочной вентиляции, а, следовательно, и более интенсивное обновление альвеолярного воздуха. В результате улучшается насыщение крови кислородом, возрастает доставка его к тканям организма. В этом положительное значение приспособительной реакции, направленной на борьбу организма с кислородной недостаточностью. Спасая организм от недостатка кислорода путем усиления вентиляции, регулятор дыхания одновременно лишает себя другого стимула к деятельности – CO₂, т.к. он при гипервентиляции вымывается из альвеолярного воздуха, а значит, из крови. Возникает алкалоз. При вымывании углекислого газа дыхание ослабевает. Недостаток кислорода опять вызывает усиление вентиляции. И так продолжается до тех пор, пока объем легочной вентиляции не установится на некотором уровне, который обычно оказывается все же выше нормального, в связи с чем, содержание кислорода в альвеолярном воздухе несколько повышается.

Таким образом, основной механизм усиления дыхания при кислородном голодании замыкается через хеморецепторный контур регуляции дыхания: раздражение хеморецепторов сонной артерии и дуги аорты, рефлекторно возбуждая дыхательный центр, вызывает компенсаторное увеличение легочной вентиляции, что неизбежно влечет за собой избыточное вымывание углекислого газа, а это в свою очередь противодействует усилению дыхания. В этом и заключается своеобразие и противоречивость регуляции дыхания при понижении парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе. С одной стороны организм страдает от недостаточного поступления кислорода, а с другой, - от недостатка углекислоты в крови.

При высотной акклиматизации происходит повышение количества эритроцитов в крови и концентрации гемоглобина. В этих условиях содержание в крови кислорода может быть нормальным или даже повышенным. Главным стимулятором повышения выработки эритроцитов служит гипоксемия, приводящая к выбросу из почек гемопоэтина – вещества, активирующего кроветворную функцию костного мозга. Полицетемия, возникающая на большой высоте, повышая кислородную емкость крови, одновременно увеличивает ее вязкость.

Приспособление к кислородному голоданию начинается за счет увеличения легочной вентиляции, но при этом изменяется и кровообращение. Под влиянием нервных импульсов, которые поступают от хеморецепторов, наряду с дыхательным центром возбуждается и сосудодвигательный центр. В результате этого не только углубляются дыхательные движения, но и рефлекторно сужаются артериолы, в основном внутренних органов, и усиливается деятельность сердца, что приводит к приспособительному повышению артериального давления. Изменение легочной вентиляции, частоты сердцебиений и минутного объема сердца - важнейший способ увеличения кислородного снабжения тканей при быстром подъеме в высокогорную местность.

Различают хроническую (долго текущую) и острую (молниеносно развивающую) формы кислородного голодания.

Хроническая форма кислородного голодания проявляется у людей, проживающих в высокогорной местности, а также при заболеваниях легких, сердца, кровеносных сосудов и кроветворных органов, при чрезмерном курении. Эта форма может возникнуть у человека в условиях недостаточной регенерации (возобновления) воздуха в герметичных кабинах реактивных самолетов и космических кораблей, при работе под водой в изолирующих дыхательных аппаратах, в гондолах, батискафах и т.д.

На высоте 4 км и выше может развиться горная болезнь, которая проявляется в мышечной слабости, одышке, головной боли, головокружении, носовых кровотечениях. Наиболее опасна острая форма кислородного голодания. При этой форме гипоксии все симптомы протекают в считанные минуты. Выделяют две фазы.

1 При незначительной степени кислородного голодания наблюдается эйфория, приподнятое настроение, смех по малейшим поводам, разговорчивость, суетливость. Снижается объективная оценка своего состояния.

2 При выраженной степени кислородного голодания наступает вторая фаза: в этой фазе наблюдается резкое угнетение нервной системы, нарушение ВНД, ухудшение самочувствия, затем появляется вялость, одышка, тошнота, головокружение, рвота. В тяжелых случаях наступает потеря сознания, а если не принять мер, то может наступить и смерть от расстройства функции дыхательного центра.

Дыхание в условиях повышенного давления воздуха. Трудности пребывания человека при повышенном давлении намного превосходят те, которые он преодолевает при подъемах в разряженные слои атмосферы. На морском побережье наше тело находится под давлением воздуха в 1 атм. При погружении в воду на каждые 10м соленой морской воды давление увеличивается дополнительно почти на 1 атм. Таким образом, в воде на глубине 10м водолаз дышит при давлении, превышающим норму в 2 раза. При этом человеку необходимо дышать сжатым воздухом. В противном случае дыхание немедленно прекратится вследствие избыточного давления воды на тело. Внешнее давление, уравновешенное с давлением внутри организма, само по себе относительно безвредно.

На глубине 90 м давление на водолаза в 10 раз больше, чем на уровне моря. Однако оно почти не ощущается водолазом, т.к, внутри организма создается противодавление за счет сжатого воздуха, которым он дышит.

Повышенное давление газовой среды не оказывает особенно вредного механического действия на организм. На первое место в таких ситуациях выступает не механический фактор, а отрицательное действие газов при их высоких парциальных давлениях.

Пребывание в условиях значительного повышения атмосферного давления не является обычным, естественным для человека. Повышенная плотность дыхательной смеси приводит к изменению внешнего дыхания. При очень большом давлении сжатого воздуха люди ощущают затруднения дыхательных движений, дыхание урежается и углубляется, уменьшается частота пульса, замедляется обмен веществ.

Такие необычные условия наблюдаются при подводном плавании и во многих других случаях. При повышенном давлении систематически работают водолазы, а также рабочие в кессонах на строительстве мостов через реки и тоннелей метро. Периодически пребывают под давлением сжатого воздуха или искусственных газовых смесей подводники, медицинский персонал, осуществляющий лечение больных под повышенным давлении, а также спортсмены-подводники, подводные исследователи и т.д.

На глубинах до 200 м водолазные работы ведутся в специальных аппаратах, скафандрах, которые защищают тело водолаза от водной среды и обеспечивают дыхание за счет подачи в шлем с поверхности газовой смеси под повышенным давлением. Водолаз, работающий при погружении в скафандре, находится под повышенным давлением, равным давлению толщи воды на соответствующей глубине, и дышит газовой смесью определенного состава. Спуски до 50 м осуществляются на сжатом воздухе, а глубоководные погружения более 60 м – сжатых гелио - кислородных и воздушно-гелиевых смесях.

Несоблюдение гигиенических режимов дыхания при высоком давлении или техническая неисправность дыхательных приборов вызывает болезненные изменения в организме: кислородное голодание, декомпрессионную (кессонную, или водолазную) болезнь, отравление высокими концентрациями кислорода (бронхопневмонию), углекислого газа или азота (азотный наркоз), баротравму легких и др.

Декомпрессионная болезнь. Декомпрессионная, или кессонная (водолазная) болезнь возникает, если человек слишком быстро поднимается из морской глубины или кессона, где давление больше атмосферного. Она является главной опасностью, которая угрожает водолазу в период выхода на поверхность. Во время водолазного погружения парциальное давление азота возрастает, и он накапливается в тканях. Особенно активно азот захватывается жировой тканью, в которой он растворяется лучше, чем в других. Во время подъема азот медленно удаляется из тканей. При определенной степени насыщения организма азотом во время быстрого выхода из зоны повышенного давления может возникнуть состояние чрезмерного насыщения организма этим газом. В таких случаях он не успевает выйти из организма путем молекулярной диффузии через легкие. Происходит образование свободных газовых пузырьков в крови и тканях организма. Растворимость азота при переходе от повышенного давления к нормальному давлению понижается. Это приводит к закупорке сосудов газовыми пузырьками, болям, особенно в области суставов. Газовые пузырьки состоят главным образом из азота, небольшого количества кислорода и углекислого газа. Кислород и углекислый газ вызвать декомпрессионную болезнь не могут. Углекислый газ вследствие повышенной чувствительности к нему дыхательного центра в большом избытке в организме не накапливается, а кислород быстро потребляется тканями. Таким образом, декомпрессионная болезнь вызывается именно пузырьками азота, которые освобождаются из крови тканей при быстром понижении давления. Освобождающиеся пузырьки азота, помимо местных изменений в тканях, разносятся током крови по всему телу и закупоривают сосуды в различных органах и тканях, а при определенной интенсивности газообразования пузырьки азота могут вызвать болезненные реакции и даже существенные нарушения жизнедеятельности всего организма. В тяжелых случаях могут возникнуть такие неврологические осложнения, как глухота, нарушение зрения и даже параличи. Это связано с закупоркой пузырьками (газовая эмболия) кровеносных сосудов ЦНС.

Болезнь проявляется не сразу, а через некоторое время после неправильной декомпрессии водолаза, находившегося продолжительное время на глубине не менее 10 м и дышавшего обычным воздухом. В легких случаях декомпрессионная болезнь может ограничиться кожным зудом, болями в мышцах, костях и суставах. В очень тяжелых случаях наблюдаются расстройства сердечной деятельности и дыхания, параличи конечностей и т.д. В редких случаях при закупорке сосудов головного мозга и сердца наблюдается внезапная потеря сознания и даже быстрая смерть. Для лечения декомпрессионной болезни пострадавшего необходимо снова поместить в среду с высоким давлением. При этом объем пузырьков азота уменьшается за счет растворения, что иногда приводит к быстрому улучшению состояния человека.

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ.

1.Назначение системы дыхания.

2. Дыхательный центр: локализация в ЦНС; морфофункциональная организация.

3.Классификация нейронов дыхательного центра (ДЦ).

4. Нервная регуляция дыхания: принцип, лежащий в основе системы управления дыханием.

5. Регуляция дыхания по отклонению и по возмущению.

6. Периферические хеморецепторы; их роль в регуляции дыхания.

7. Центральные хеморецепторы; их роль в регуляции дыхания.

8.Механорецепторы и их роль в регуляции дыхания.

9. Роль супрабульбарных структур головного мозга в регуляции дыхания.

10.Дыхание в условиях гиперкапнии.

11.Дыхание в условиях гипоксии.

12. Дыхание в условиях повышенного давления. Декомпрессионная болезнь.

 

ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ

РАБОТА № 1

Спирометрия.

Цель работы: Ознакомиться с методикой регистрации объема воздуха, поступающего в легкие

Материалы, приборы и объект исследования: Спирометр, зажим для носа, вата. спирт, наконечники.  Опыт проводят на человеке.

Спирометр может быть двух типов - водяной или сухой.  Принцип устройства водяного спирометра заключается в следующем: в:его состав входят две емкости - наружная и внутренняя. Наружная емкость заполняется водой до отметки на стекле смотрового окна. Внутренняя емкость через резиновый шланг с наконечником заполняется воздухом в момент выдоха воздуха из легких, и стрелка на шкале показывает результат. После каждого измерения емкость возвращается в исходное положение.

Кроме водяного спирометра для измерения легочных объемов можно пользоваться сухим спирометром. Сухой спирометр представляет собой воздушную турбину, вращаемую струей выдыхаемого воздуха. Вращение турбины через кинематическую цепь передается стрелке прибора. Для остановки стрелки по окончании выдоха спирометр снабжен тормозным устройством. Величину измеряемого объема воздуха определяют по шкале прибора. Шкалу можно поворачивать, что позволяет устанавливать стрелку на нуль перед каждым измерением. Выдох воздуха из легких производится через мундштук.