Эколого-физиологические особенности дыхательной системы человека

Вероятность возникновения кессонной болезни может быть значительно снижена при дыхании специальными газовыми смесями, например гелиево-кислородной. Гелий почти нерастворим в крови, он быстрее диффундирует из тканей.

 

 

Гипероксия может встречаться при повышении атмосферного давления и увеличении процентного содержания кислорода в воздухе.

В настоящее время в медицине используется гипербарическая и нормобарическая гипероксия. В первом случае повышение атмосферного давления и процентного содержания О2 приводит к значительному увеличению растворимости О2 в крови. При дыхании чистым кислородом в альвеолярном воздухе составит 760-47 = 713 мм рт.ст. При увеличении в 7 раз растворимости О2 в крови вместо 3 мл/л будет 21 мл/л O2. Показано, что человек некоторое время может дышать чистым кислородом под давлением 3 атм без большого ущерба для себя.

В связи с этим в хирургии используют метод гипербарической оксигенации при оперативных вмешательствах, в частности на «сухом» сердце - без использования аппарата для искусственного кровообращения. В этом случае в альвеолах достигает 3X713 = 2139 мм рт.ст., а количество растворимого О2 в крови увеличивается в 21 раз, т.е. будет около 65 мл/л. Хотя гемоглобин свяжет такое же количество кислорода, как и при дыхании обычным воздухом, суммарная прибавка доли растворённого в крови О2 будет достаточно ощутимой (65X5 = 325 мл). Использование гипербарической оксигенации в сочетании с гипотермией, когда потребность тканей в О2 резко снижается, даёт возможность хирургу выполнять сложные операции.

Нормобарическая оксигенация, при которой воздух содержит до 35% О2, используется в терапевтических целях у больных, имеющих эндогенную кислородную недостаточность вследствие поражения органов дыхания, сердечно-сосудистой системы и крови.

Гипероксическая ситуация возникает при дыхании газовыми смесями под водой. Повышение атмосферного давления приводит к повышению в альвеолярном воздухе и напряжения О2 в крови. В связи с этим для работы под водой используют газовые смеси с низким содержанием О2, например, на глубине 40 м дают смесь, содержащую 5% О2, на глубине 100 м - 2% О2.

Дыхание газовыми смесями при повышенном атмосферном давлении связано и с другими проблемами.

• Возрастание парциального давления азота в крови вызывает наркотический эффект. Поэтому начиная с 60 м азотно-кислородная смесь заменяется гелио-кислородной смесью. Гелий менее токсичен, он начинает оказывать наркотический эффект лишь на глубине 200-300 м.

• При быстром снижении давления в замкнутом пространстве (быстрый подъём водолаза с глубины) возникаетдекомпрессия. При этом газовая эмболия, вызванная «вскипанием» растворён- ных газов крови, приводит к тяжёлым расстройствам кровообращения. В связи с этим требуется медленная декомпрессия, например, подъём с глубины 300 мтребует двухнедельной декомпрессии. Летательные герметизированные аппараты подчинены тем же закономерностям.

ДЫХАНИЕ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Холодный воздух, кроме низких температур, имеет повышенную плотность и сухость. Эти особенности предъявляют к органам дыхания повышенные требования, и, прежде всего, к калориферной и увлажняющей функциям верхних дыхательных путей.

Издавна бытует мнение, что на Крайнем Севере в атмосфере не хватает кислорода. Это вызвано тем, что у многих вновь прибывших на Север возникает так называемая «полярная одышка». На самом деле процентное содержание О2 в воздухе соответствует норме, а весовое содержание О2 в 1 м3 даже превышает показатели средних широт на 20-40%. Причина «полярной одышки» лежит в повышенной потребности организма в кислороде, когда организм человека включает все имеющиеся механизмы, чтобы ликвидировать кислородную задолженность.

Экологически обусловленные адаптивные изменения дыхательной системы целесообразно рассматривать на стадиях начальной адаптации (до 6 месяцев), стабильной адаптации (свыше 3-х лет проживания) и естественной адаптации (коренные жители). Наиболее характерная приспособительная реакция - гипервентиляция лёгких.

Начальная стадия адаптации

Верхние дыхательные пути у вновь прибывших в условиях низких температур подвергаются экстремальным воздействиям. Частота дыхания изменяется в зависимости от внешней температуры, может повышаться или снижаться: чем ниже температура внешней среды, тем более часто и поверхностно внешнее дыхание. В процессе адаптации изменение частоты дыхания и дыхательных объёмов на Севере в комфортных условиях (тёплом помещении) заметно изменяется в сторону урежения дыхания и увеличения его глубины.

К постоянным признакам адаптивных изменений внешнего дыхания у мигрантов на этапе «атмосферный воздух-альвеолярный воз- дух» относятся:

•  увеличение остаточного объёма лёгких и МОД;

•  снижение резервного объёма выдоха, ЖЕЛ и МВЛ.

У многих новосёлов газообмен на этапе «альвеолярный воздухкровь» напряжён, при повышенном метаболическом запросе организма в кислороде возникает его дефицит и развивается гипоксия. Кроме того, в результате спазма периферических сосудов, направленного на повышение эффективности терморегуляции, увеличивается скорость линейного кровотока и общего сосудистого сопротивления в большом круге кровообращения.

Таким образом, у новосёлов Крайнего Севера в результате срочной адаптации:

•  кислородный режим организма находится в состоянии напряжения;

•  физиологические системы, ответственные за дыхание, значительно лимитированы в своей деятельности, имеют низкую экономичность и нередко недостаточную мощность для обеспечения повышенных потребностей организма в энергообмене.

Стадия стабильной адаптации

Для достижения состояния адаптированности, т.е. повышения мощности, эффективности и экономичности всех этапов дыхания, в условиях Крайнего Севера человеку необходим длительный период времени. Он составляет в среднем 3 года. В результате сложной приспособительной перестройки органов дыхания внешнее дыхание адаптированных мигрантов приобретает новые черты.

•  Урежается частота дыхания, увеличивается дыхательный объём.

•  ЖЕЛ нормализуется, но гипервентиляция остаётся, хотя и несколько снижается.

•  Показатели форсированного дыхания (в частности, МВЛ), улучшаются, но остаются ниже должных величин. Остаточный объём лёгких продолжает быть увеличенным.

•  Артериальная лёгочная гипертензия. У большей части северян сохраняется артериальная лёгочная гипертензия, которая способствует снижению гравитационного эффекта крови и включению функциональных резервов лёгких в газообмен.

•  Эффективность внешнего дыхания и газообмена в лёгких закономерно повышается, но у некоторой части северян экономичность лёгочной вентиляции и кровообращения остаётся низкой в результате значительной неравномерности альвеолярной вентиляции и перфузии, а также развития синдрома гиподинамии миокарда левого желудочка.

•  Миокард. Длительная адаптация к условиям Крайнего Севера приводит к выраженной гипертрофии миокарда правого желудочка сердца. Эта гипертрофия сопровождается повышением концентрации миоглобина в мышечных волокнах как правого, так и левого отдела сердца, а также увеличением плотности кровеносных капилляров в миокарде.

•  Кислородная ёмкость крови у адаптированных северян увеличивается в абсолютном значении за счёт увеличения её объёма. Количество гемоглобина и эритроцитов в единице объёма крови при этом остаётся в пределах физиологической нормы.

•  Скорость потребления кислорода. В тканях у северян, так же как и у горцев, скорость потребления кислорода возрастает в результате повышения активности окислительных ферментов и интенсификации метаболизма.

Таким образом, длительная адаптация мигрантов к экологическим условиям Севера сопровождается сложной приспособительной перестройкой всех этапов дыхания, направленной на обеспечение организма высоким уровнем энергетического обмена и работоспособности. Функциональные системы, ответственные за кислородный режим организма, у адаптированных мигрантов по своим характеристикам приближаются к функциональным системам аборигенов, но не достигают их уровня.

Естественная адаптация

Постоянные жители Крайнего Севера (русские поморы) и аборигены (северные народности) имеют естественную адаптацию к экстремальным факторам высоких широт и обладают более совершенными механизмами приспособительных реакций.

•  У них, как правило, не встречаются «полярная одышка», синдромы «полярного напряжения» и «полярной гипоксии».

•  Постоянные жители и аборигены имеют хорошо развитые органы дыхания, которые характеризуются увеличением дыхательных объёмов и ёмкостей, высокими показателями МВЛ и максимального потребления кислорода (МПК).

•  Частота дыхания чаще снижена, калориферная и увлажняющая функции дыхательных путей хорошо выражены, их мукоцилиарный аппарат отчётливо гипертрофирован.

•  Увеличенная площадь альвеолярной и капиллярной поверхности лёгких закономерно приводит к увеличению их диффузионной способности.

•  В бронхиолах и альвеолах у аборигенов повышен синтез сурфактанта, аэрогематический барьер заметно истончён.

Таким образом, у постоянных жителей и аборигенов Севера в процессе их естественной адаптации все этапы дыхания приобретают более высокую, чем у мигрантов, мощность, эффективность и экономичность.

ДЫХАНИЕ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

В условиях высоких температур внешней среды (по крайней мере летом) проживает около половины населения Земли. Кроме того, значительная часть населения планеты вынуждена сталкиваться с действием высоких температур в силу профессиональной необходимости, миграции и бытовых условий.

Тепловой стресс

При тепловом стрессе компенсаторно увеличиваются частота дыхания и дыхательный объём, что приводит к увеличению МОД и альвеолярной вентиляции, а значительная гипервентиляция лёг- ких способствует вымыванию СО2, что, в свою очередь, смещает pH крови в щелочную сторону. В связи с этим гипокапния и дыхательный алкалоз являются постоянными признаками перегревания организма человека.

В условиях длительного перегревания организма изменение лёгочного дыхания у человека сведено до минимума, так как у него отсутствует механизм тепловой одышки, столь резко выраженный у большинства млекопитающих и птиц. Основную нагрузку при этом несёт сердечно-сосудистая система, кровь и тканевой метаболизм.

Основная реакция человека на тепло - перераспределение крови между «ядром» и «оболочкой» тела за счёт расширения периферических кровеносных сосудов, преимущественно кожи, и сужением сосудов чревной области (печени, ЖКТ), а также почек и скелетной мускулатуры.

В результате этой реакции улучшается теплоотдача и одновременно уменьшается доставка О2 к внутренним органам с высоким уровнем обменных процессов и кратковременно снижается скорость потребления О2. В дальнейшем в результате развития циркуляторной гипоксии органов и тканей запускается каскад процессов, при- водящий к увеличению потребления О2 (рис. 7-4).

Рис. 7-4. Схема последовательного развития процесса повышения потребления О2 при остром тепловом воздействии

Срочная адаптация

Срочная адаптация к высокой внешней температуре закономерно сопровождается комплексным изменением функционирования дыхательной, сердечно-сосудистой систем и системы крови. Изменения в функционировании дыхательной системы затрагивают процессы диффузии и транспорта газов при тепловом воздействии.

•  Диффузионная способность лёгких при действии тепла большей частью остаётся нормальной или незначительно сниженной за счёт уменьшения кровотока в лёгких.

•  Кислородная ёмкость гемоглобина и транспорт дыхательных газов кровью также остаются в пределах нормы.

•  Проницаемость капилляров периферических тканей при воздействии тепла повышается, а значительное расширение и пол-

нокровие их обеспечивает повышение скорости потребления О2 тканями «оболочки» тепла.

•  В «ядре» (преимущественно в печени, ЖКТ и почках) потребление О2 снижается за счёт сниженного кровотока.

Естественная адаптация

У адаптированных к жаркому и сухому климату людей изменения дыхания и кровообращения менее выражены:

•  гипервентиляция лёгких отсутствует или слабо выражена;

•  ЧСС, ударный объём сердца и МОК снижаются до величин, характерных для жителей средних широт;

•  ОЦК за счёт плазмы остаётся увеличенным;

•  кровоток во внутренних органах снижен, но при этом гипоксическая нагрузка на печень, ЖКТ и почки также уменьшена.

Дыхание человека в условиях тропиков и жаркого морского климата изменяется практически так же, как и в условиях аридной зоны. Однако высокая влажность воздуха затрудняет процесс теплоотдачи за счёт замедления испарения с поверхности кожи.

 

 

Патологические типы дыхания

Паттерн дыхания существенно меняется при нарушении функции структур мозга, участвующих в регуляции процесса дыхания, а также в условиях гипоксии, гиперкапнии и при их сочетании (рис.5).

Рис. 5. Различные формы дыхания в норме (1, 2, 3} и патологии (4, 5, 6, 7)  
(по В.Ефимову и В.Сафонову с изм.) увеличить

Различают несколько типов патологического дыхания.

Гаспинг, или терминальное редкое дыхание, которое проявляется судорожными вдохами-выдохами. Оно возникает при резкой гипоксии мозга или в период агонии.

Атактическое дыхание, т.е. неравномерное, хаотическое, нерегулярное дыхание. Наблюдается при сохранении дыхательных нейронов продолговатого мозга, но при нарушении связи с дыхательными нейронами варолиева моста.

Апнейстическое дыхание. Апнейзис - нарушение процесса смены вдоха на выдох: длительный вдох, короткий выдох и снова - длительный вдох.

Дыхание типа Чейна-Стокса: постепенно возрастает амплитуда дыхательных движений, потом сходит на нет и после паузы (апноэ) вновь постепенно возрастает. Возникает при нарушении работы дыхательных нейронов продолговатого мозга, часто наблюдается во время сна, а также при гипокапнии.