Основы физиологии дыхания человека

Источником энергии для жизнедеятельности человека являются химические реакции окисления пищевых продуктов кислородом, потребляемым при дыхании. При вдохе воздух через носоглотку, трахею и бронхи попадает во внутреннюю полость легких. Легкие являют собой ткань, состоящих из мелких, соединенных между собой пузырьков – альвеол с диаметром около 0,2 мм.

Внутренняя поверхность альвеол, контактирующая с вдыхаемым воздухом, представляет пленку – биологическую полупроницаемую мембрану. Такая мембрана пропускает в одном направлении только определенный вид газов. В данном случае она пропускает из альвеол в кровь кислород, а в обратном направлении – углекислый газ и пары воды.

Газообмен между воздухом и легкими осуществляется через стенки альвеол, которые со стороны легочной ткани густо оплетены кровеносными сосудами – капиллярами. Общая поверхность альвеол у человека достигает 90...120 м². На 1 см³ вдыхаемого воздуха приходится более 300 см² активной поверхности легких. Толщина стенки (пленки) альвеол составляет около 4 мкм. В нормальных условиях в одном литре крови содержится 0,185 л кислорода, химически связанного с гемоглобином, и 0,0024 л находящегося, в состоянии физического раствора.

Переход кислорода в кровь и выделение углекислого газа из крови осуществляется по законам диффузии, интенсивность которой определяется парциальным давлением газов в тех средах, между которыми происходит их обмен.

Парциальное давление кислорода в воздухе Р_кисл определяется:

Р_кисл = Р_H Г / 100 , кПа, (1.1)

где Р_H – общее атмосферное давление воздуха, (кПа); Г – процентное содержание кислорода в воздухе.

Наличие в дыхательной полости и в альвеолах легких паров воды и углекислого газа соответственно снижает парциальное давление кислорода в альвеолах легких:

= (Р_H – 6,25) Г / 100 – 5,3, (кПа), (1.2)

где 6,25 – парциальное давление водяных паров (кПа) в трахее;

5,3 – парциальное давление углекислого газа (кПа) непосредственно в альвеолах.

Изменение парциального давления P_кисл в атмосфере и некоторых участках человеческого тела показаны на рис. 1.2. В земных условиях P_кисл =14,0…13,7 кПа, что соответствует нормальному насыщению крови до (96…98)% кислородом. Нижний предел допустимого насыщения составляет80%.Это соответствует парциальному давлению кислорода в альвеолах = 6,7 кПа. Из графика рис. 1.2 это давление соответствует высоте полета приблизительно 4...4,5 км.

Парциальное давление кислорода Р_кисл. в различных участках тела в земных условиях представлено в следующей таблице:

Границей удовлетворительного насыщения крови кислородом считается = 6,7 кПа. С уменьшением процесс насыщения крови падает, и человеческий организм начинает испытывать недостаток кислорода, называемой гипоксией, которая, в первую очередь, вызывает кислородное голодание мозга.

Рис. 1.2. Парциальное давление кислорода по высоте. 1 – вдыхаемый воздух; 2 – альвеолярный воздух; 3 – венозная кровь.

Организм человека не обладает способностью запасать кислород, поэтому, приблизительно, через минуту после прекращения его подачи, наступает потеря сознания, а спустя 10 минут, наступает смерть. С подъемом на высоту снижение парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе вызывает у человека ряд функциональных расстройств под общим названием – высотная болезнь.

До высоты 2 км человеком не ощущаются понижение давления, и эта высота называется индифферентной зоной. Однако, на этой высоте возможно ослабление глубинного зрения. Поэтому при ночных полетах рекомендуется пользоваться кислородом при высотах с 1,5 км до захода на посадку, а при дневных – с 3,5 км.

На высотах от 2 км до 3,5...4 км уменьшение кислорода во вдыхаемом воздухе компенсируется более учащенным ритмом сердца и интенсивностью дыхания. Этот интервал высот называется зоной полной компенсации, т.к. организм человека с таким недостатком кислорода вполне справляется в течение 3...4 часов. При большой продолжительности полета в организме начинают испытывать кислородное голодание.

На высоте 3,5...4 км, называемой "порогом нарушения", = 7,2...6,3 кПа увеличивающаяся активность работы сердца и легких не обеспечивают нужного снабжения кислородом организма. Приняв среднее значение допустимого насыщения крови при = 6,7 кПа по формуле (1.2) находится атмосферное давление Р_н. В соответствии с этим давлением по международной стандартной атмосфере определяется искомая высота Н ≈ 4000 м.

Высота атмосферы от 4000 м до 6000 м называется зоной неполной компенсации. Организм большинства здоровых людей справляется с недостатком кислорода за счет реакции организма – более активной сердечной и легочной деятельности.

При длительном пребывании на высотах 5000...6000 м гипоксия проявляется нарушением основных нервных процессов (возбуждение или торможение). Замедляется скорость ответных реакций, ухудшается координация движений, логическое мышление, внимание, память, острота зрения и т.д. Интенсивность кислородного голодания возрастает с увеличением тяжести выполняемой работы.

На высотах более 6000 м учащаются случаи критического состояния организма, гдебез дополнительной подпитки кислородом возможны нарушения работоспособности и потери сознания.

Если принять минимально допустимое парциальное давление кислорода в венозной крови = 2,6 кПа, то предельная высота, на которой прекратится легочный газообмен по формуле (1.2) (принимая = ) будет соответствовать 6700 м. Считается, что у здорового нетренированного человека на высоте 6000...7000 м наступает полная утрата работоспособности и часто – потеря сознания (обморок). На высоте 8000 м эти проявления могут закончиться смертельным исходом.

Нормальная жизнедеятельность человека может быть обеспечена при =14,7 кПа, (что соответствует условиям дыхания на уровне Земли). С возрастанием высоты полета это достигается техническими средствами:

- увеличением содержания кислорода во вдыхаемой смеси до 100%;

- повышением абсолютного давления кислорода, подаваемого для дыхания.

Если для первого случая принять =14,7 кПа, то по формуле (1.2) высота, где Г = 100%, будет соответствовать Н = 8000 м (при минимально допустимом значении =6,7 кПа предельная высота полета составляет 12500 м).

При полетах в разгерметизированной кабине на высотах более 12000 м необходима подача кислорода под избыточным давлением таким образом, чтобы парциальное давление кислорода не зависело от высоты. Следует отметить, если парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе составит более 56 кПа, то это может вызвать токсичное воздействие на организм (воспаление и отек легких).