Влияние различных факторов на газообмен и дыхание

При выполнении человеком работы количество переменного воздуха сильно возрастает. Однако состав альвеолярного воздуха и выдыхаемого воздуха все же остается приблизительно постоянным, так как соответственно увеличивается и интенсивность газообмена. При использовании нормального атмосферного воздуха (20,9% О₂ и 79% N₂) выдыхаемый воздух содержит от 16 до 18% О₂ и от 3 до 5% СО₂. Количество выделяемого углекислого газа связано с изменением количества потребленного кислорода.

Несколько меньшее выделение СО₂, по сравнению с поглощенным О₂, зависит от того, что около 1/5 поглощенного кислорода обычно тратится на окисление других элементов, помимо углерода (окисление водорода в жирах и серы в белках). Поэтому отношение количества выделенного СО₂ к поглощенному О₂ обычно меньше единицы и колеблется от 0,8 до 0,95; отношение это называется дыхательным коэффициентом, возрастание его вне зависимости от пищевого режима и даже превышение им единицы обычно является показателем выполнения человеком тяжелой работы.

В табл. 10 приведены некоторые характерные данные о газообмене в зависимости от интенсивности выполняемой человеком работы.

Приведенные в табл. 10 величины дают лишь общее представление об изменении характеристик газообмена в зависимости от величины энергетических затрат. В зависимости от индивидуальных особенностей конституции, состояния организма и выполняемой работы возможны отклонения от приведенных величии в ту или другую сторону.

Выдыхаемый из легких воздух, помимо пониженной концентрации  кислорода  и  повышенной  концентрации  углекислоты, характеризуется еще и повышенной влажностью (от 85 до 100% относительной влажности) и температурой, близкой к температуре человеческого тела (36,8°).

Ниже рассмотрены некоторые факторы, нарушающие нормальные процессы дыхания, встречающиеся в практике горных работ и горноспасательного дела. Факторы эти относятся к составу и состоянию вдыхаемого и окружающего воздуха.

Таблица 10. Зависимость газообмена от интенсивности выполняемой работы

При нормальной концентрации кислорода в альвеолярном воздухе (15—16%) артериальная кровь насыщается кислородом на 100%, что соответствует 18—20 объемам О₂ на 100 объемов крови. При парциальном давлении кислорода 100 мм рт. ст. артериальная кровь насыщается кислородом на 97%, при давлении 48 мм — на 80%, при 35 мм — на 60%, при 26 мм — на 40% и при 15 мм — на 20%. Отсюда следует, что падение насыщения крови кислородом происходит значительно медленнее, чем падение концентрации кислорода в альвеолярном воздухе. Этим объясняется то обстоятельство, что при незначительном падении концентрации кислорода в окружающем воздухе дыхательные органы легко компенсируют падение парциального давления О₂ увеличением вентиляции легких и, субъективно, обеднение воздуха кислородом не замечается вплоть до падения концентрации кислорода до 14—15%.

Дальнейшее падение концентрации кислорода вызывает уже явления аноксемии — кислородного голодания. Дыхание и пульс учащаются, понижается способность мышления, нарушается четкость работы некоторых групп мышц. При падении концентрации О₂ до 10—12% перечисленные явления сказываются в более резкой форме, человек впадает в состояние, сходное с опьянением, теряет рассудок, делает, непроизвольные и часто совершенно безрассудные движения. Главная опасность аноксемии в том, что человек при этом совершенно не отдает себе отчета в угрожающей ему опасности и не принимает никаких мер к тому, чтобы оповестить о своем самочувствии товарищей. Потеря сознания происходит, когда вдыхаемый воздух содержит 8—10% O₂. При падении концентрации О₂ до 6% быстро наступают судороги и прекращение дыхания; сердце продолжает функционировать еще несколько минут и, если в течение этих минут пострадавшему не будет оказана помощь, наступает смерть.

Своевременная помощь — немедленная доставка дыхательным органам человека кислорода или свежего воздуха — обычно быстро возвращает человеку нормальное самочувствие, и признаки аноксемии могут исчезнуть без всяких последствий.

Таким образом, следует помнить, что концентрация кислорода в 14% является нижней границей, при которой возможно вдыхание воздуха без серьезных функциональных расстройств. Сказанное относится к вдыханию воздуха, находящегося под нормальным атмосферным давлением и не содержащего отравляющих примесей.

В противоположность недостатку, избыток кислорода оказывает очень незначительное влияние на процессы дыхания. Так как 100%-е насыщение артериальной крови происходит при концентрации кислорода в альвеолярном воздухе в 15—16%, то повышение этой концентрации уже почти не повышает поглотительной способности крови в отношении кислорода.

Вдыхание чистого кислорода безвредно и становится вредным для здоровья лишь при повышенном давлении его, как это имеет, например, место в водолазных приборах. Поскольку на практике приходится иногда встречаться с преувеличенными и неправильными представлениями о вреде вдыхания чистого кислорода, здесь уместно несколько подробнее остановиться на этом вопросе.

В конце прошлого века было установлено, что при давлении чистого кислорода, превышающем 3—4 ат, у теплокровных животных наступает тоническая конвульсия и животные вскоре погибают. При таком высоком давлении чистый кислород действует как яд, вызывая отек, напоминающий отравление фосгеном.

Однако легкие и остальные части организма способны до некоторой степени акклиматизироваться или иммунизироваться по отношению к действию высокого давления кислорода.

Многолетняя практика работы горноспасательных частей, широко использующих изолирующие противогазы со сжатым кислородом, до настоящего времени не дала возможности сделать выводы о вредном влиянии частого повторного вдыхания высокопроцентного кислорода. В работах Берковича E. M. и Вишнякова А. В., Акрамовской В.П. и др. по обследованию психофизиологических характеристик работников горноспасательных частей также нет никаких указаний на какие-либо патологические изменения или повышение заболеваемости в результате многолетней работы в изолирующих противогазах, содержание кислорода в которых составляет в среднем, по данным различных авторов, 60—70% и выше.

Токсикологами установлено, что вдыхание чистого кислорода в изолирующем противогазе в течение 8 часов совершенно безвредно.

Таким образом, следует придти к выводу, что при нормальном атмосферном давлении периодическое вдыхание высокопроцентного или даже чистого кислорода совершенно безвредно.

Иначе обстоит дело при вдыхании кислорода под давлением. При избыточном давлении свыше 2 ат (т. е. при 3 ата — абсолютных атмосферах) у человека уже через 3/ч часа наступают признаки ядовитого воздействия кислорода — судорожные подергивания ног.

Поэтому для изолирующих водолазных аппаратов со сжатым кислородом требуется разбавление кислорода инертным газом пропорционально величине давления или, что то же, — глубине погружения. Для определения степени необходимого разбавления кислорода, в зависимости от предполагаемой глубины погружения, можно пользоваться простой формулой:

К=200/n

где К —количество кислорода в газовой смеси в %; n — давление в абсолютных атмосферах, aтa.

Из этой формулы видно, что практика водолазного дела допускает вдыхание чистого кислорода даже при избыточном давлении его в 1 ат. Указанные нормы разбавления кислорода можно принимать в случаях работы в кессонах при надетых кислородных противогазах.

Нормальное содержание СО₂ в атмосферном воздухе обычно не превосходит 0,04%. Увеличение этой концентрации до 1—2% обычно не вызывает субъективно заметных изменений в режиме дыхания. Повышение концентрации СО₂ до 4—5% уже характеризуется значительным увеличением частоты и глубины дыхания, шумом в ушах, ощутимой пульсацией крови в висках. Однако пребывание в атмосфере, содержащей даже до 6% СО₂, ещё не опасно для жизни или здоровья. При наличии 8% СО₂ наступают сильные головные боли, головокружение, общее недомогание, при дальнейшем повышении концентрации перечисленные симптомы проявляются в более тяжелой форме и при 10% человек обычно теряет сознание.

За исключением тяжелых случаев отравления углекислым газом при высоких его концентрациях, сопровождающихся длительной потерей сознания, расстройства газообмена, вызванные вдыханием больших количеств СО₂, обычно быстро и бесследно исчезают при предоставлении пострадавшему возможности дышать нормальным атмосферным воздухом.

С точки зрения работы в противогазах вопрос о физиологическом действии углекислоты имеет большое значение. В регенеративных противогазах, использующих для дыхания постоянно очищаемый отработанный воздух, неизбежно скопление небольших количеств углекислого газа. Как видно из предыдущего изложения, повышение концентрации СО₂ в системе респиратора до 2% не представляет еще опасности. Скопление больших количеств СО₂ недопустимо, так как оно вызвало бы чрезмерное учащение дыхания, нарушение его глубины и ритма, что в условиях пользования противогазом могло бы привести к ряду вредных последствий: недостаточной вентиляции легких, чрезмерному расходу кислорода, быстрому утомлению работающего в противогазе.

Некоторое влияние на режим работы в противогазе оказывает и углекислый газ, находящийся во вредном пространстве дыхательного прибора. Как уже указывалось, дыхательные пути (трахея, бронхи) человека образуют вредное пространство, в котором задерживается часть выдыхаемого воздуха, бедного кислородом и обогащенного углекислым газом, который при вдохе вновь засасывается в легкие. Ясно, что чем больше объем вредного пространства, тем большее количество отработанного воздуха возвращается при каждом вдохе в легкие, тем менее интенсивно происходит разбавление альвеолярного воздуха и тем больше энергетических затрат требуется для поддержания нормального газообмена.

Противогаз, в котором вдыхаемый воздух засасывается из системы прибора силой легких, в большей или меньшей степени удлиняет путь, по которому воздух проходит в легкие, и, следовательно, в таком противогазе неизбежно будет некоторое увеличение абсолютного и относительного вредного пространства. По этой причине требование неспешного, глубокого дыхания имеет при работе в противогазе еще большее значение, чем при работе в обычных условиях.

Так, например, при вредном пространстве 200 см3 и объеме вдоха (во время работы) 2 л загрязнение свежего воздуха отработанным составит всего 10.%; однако в состоянии покоя, лежа, когда объем вдоха может упасть до 400 см3, свежий воздух окажется разбавленным отработанным воздухом уже на 50%. Таким образом, влияние вредного пространства сильнее всего сказывается в периоды покоя и отдыха человека. Поэтому допустимый объем вредного пространства в противогазе следует определять исходя из вентиляции легких в состоянии покоя.

Как видно из табл. 10, вентиляция легких при покое стоя и нормальном составе вдыхаемого воздуха составляет 0,6 л/вдох. Повышение концентрации СО₂ во вдыхаемом воздухе увеличивает давление углекислого газа в легочных альвеолах, замедляет диффузию СО₂ через стенки альвеол и, вызывая повышение концентрации ее в крови, приводит к возбуждению дыхательного центра, увеличению легочной вентиляции и повышению концентрации CO₂ в выдыхаемом воздухе (приблизительно до 4%). Для вывода из легких углекислого газа, нормально продуцируемою в состоянии покоя (600·0,026=15,6 см3), и углекислого газа, добавляющегося с вдыхаемым воздухом в количестве 2%, необходимо, как показывают элементарные расчеты, увеличение объема вентиляции 0,8 л/вдох (при концентрации СО₂ в выдыхаемом воздухе — 4%). В изолирующих противогазах требуется регенерация выдыхаемого воздуха химическим поглотителем до степени его чистоты по углекислоте в среднем 0,5%.

Учитывая изложенное, можно вычислить объем допустимого вредного пространства исходя из того, что отработанный воздух в этом объеме x см3 с концентрацией в нем СО₂ 4% и регенерированный воздух у см3 с концентрацией СО₂ 0,5% должны быть смешаны в такой пропорции, чтобы при объеме вдыхаемого воздуха Q концентрация углекислого газа в нем составляла не более 2%:

4x+0,5у = 2Q; x+y=Q.

При Q = 800 см3 x оказывается равным 343 см3.

Величина вредного пространства в резиновых шлемах первых (устаревших в настоящее время) противогазов доходила до 350 см3. В современных масках эта величина снижена до200 см3.

В самоспасателях для горнорабочих, рассчитанных не только на ходьбу, но и на отсиживание в ожидании помощи горноспасательных частей, при легочной вентиляции 0,4 л/мин, уменьшение вредного пространства имеет особо важное значение. Желательно, чтобы оно не превосходило 100 см3 во избежание заметного увеличения вентиляции легких и ускорения отработки самоспасателя.