Даже кратковременное пребывание под водой требует как специального технического оснащения, так и соответствующей подготовки человека. Наибольшие трудности в подводной работе связаны с обеспечением водолаза дыхательной смесью.
Дело в том, что газовая смесь должна поступать в легкие водолаза обязательно под тем же давлением, которое создает столб воды на данной глубине. При нарушении этого соотношения внешнее давление просто сдавит грудную клетку, не давая сделать вдох. При таком дыхании резко увеличивается работа дыхательных мышц. Поэтому опытные водолазы дышат глубоко, но медленно. Некоторые из них делают всего 3 -4 вдоха в минуту, каждый раз забирая в легкие по 2– 2, 5 л воздуха.
Огромное значение для глубоководных погружений имеет и состав дыхательной смеси. Если для дыхания под водой применять сжатый воздух, то парциальное давление кислорода по мере погружения будет расти и на глубине 90 м превысит нормальное в 10 раз. На глубине 40 м водолаз получает смесь, содержащую 5% кислорода, а на глубине 100 метров – всего 2% (вместо обычных 20, 9%). При длительном вдыхании как чистого кислорода, так и под давлением около 3 атм. , может возникнуть нарушение функций нервной системы в форме судорожного припадка.
Небезразлично для организма и парциальное давление азота в дыхательной смеси. В привычной нам атмосфере, где азот составляет почти 79%, этот газ является простым разбавителем кислорода и ни в каких процессах, протекающих в организме, не участвует. Однако при высоком давлении азот становится коварным врагом. Он вызывает наркотическое состояние, похожее на алкогольное опьянение. Поэтому, начиная с глубины 60 м, водолазам подают азот - кислородную смесь, где азот частично или полностью заменяют гелием, который физиологически не активен.
Позже был изобретен кессон, представляющий собой колокол, обращенный отверстием вниз. Колокол опускается на дно, и под него накачивается воздух. Находящиеся в колоколе люди могут вести необходимые подводные работы.
Даже у водолаза, не говоря о кессонных рабочих, радиус действия под водой очень небольшой, ограниченный длиной шланга, по которому поступает воздух. Естественно, что поиски ученых продолжались. Совсем недавно, уже в нашем веке, удалось создать акваланг – автономный водолазный аппарат с баллонами сжатого воздуха или кислорода для свободного передвижения под водой на значительные расстояния.
Примерно с такой же проблемой столкнулись животные, когда им пришлось переселиться в жидкую среду. Некоторые из них шли тем же путем, что и люди, и на десятки миллионов лет предвосхитили создание водолазных приспособлений.
Легко растяжимый и очень длинный сифон, как настоящий водолазный шланг, имеют личинки еристалис. Живут они на дне водоемов, зарывшись в ил. Если водоем в этом месте очень мелок, личинки имеют возможность, не вылезая из ила, выставлять на поверхность воды свой шланг и преспокойно дышать.
Предки водяных насекомых были наземными животными. Переселение в воду иногда не влекло за собой никаких существенных изменений в их дыхательной системе. Дышат они только воздухом. Единственное приспособление к водной среде выразилось в способности делать запасы воздуха, как поступают аквалангисты, отправляясь в подводное странствие. У жуков плавунцов эти запасы помещаются под надкрыльями, а у гладышей на брюшке. Пузырьки воздуха удерживаются с помощью особых не смачиваемых водой волосков. Отверстия дыхательной системы находятся в местах прикрепления воздушных пузырьков; из этих резервуаров и черпают насекомые необходимый для жизни кислород.
То же самое относится и к паукам. Подавляющее большинство из них – характерные наземные животные, дышащие при помощи особых легочных мешков. Тем замечательнее единственный в нашей фауне перебежчик в водную стихию из этого отряда животных – водяной паук серебрянка. Тело его покрыто мелким несмачиваемым пушком. Когда паук погружается в воду, к пушку пристают мельчайшие пузырьки воздуха, покрывая все тело сплошной воздушной оболочкой. В воде эта оболочка блестит, и паук становится похож на живой шарик ртути. Кроме того, выставляя из воды кончик брюшка, паук забирает более крупный пузырек воздуха и, придерживая его задними лапками, отправляется в царство Нептуна.
Среди водных растений паук натягивает нити своей паутины точно так же, как это делают его наземные сородичи. Сначала паутина имеет плоский вид. Но по мере того как паук переносит под нее пузырьки воздуха, она начинает выпячиваться, принимая форму наперстка. Получается миниатюрный кессон. В этом кессоне и проводит большую часть жизни паук. Здесь же самка откладывает яички, из которых выводятся молодые паучата.
Сходство с аквалангом и кессоном чисто внешнее. Происходящие здесь процессы гораздо сложнее. Пузырьки воздуха, которые несут на себе насекомые, с одной стороны, являются запасными резервуарами, а с другой – помогают извлекать кислород из окружающей воды. Это приспособление даже получило специальное название – физические легкие.
В воде, как известно, растворены все газы, входящие в состав воздуха, в количестве, пропорциональном их концентрации в атмосфере. По мере того как насекомое дышит, концентрация кислорода в воздушном пузырьке уменьшается, и, когда станет меньше 16 процентов, в воздушный пузырек начинается диффузия кислорода, растворенного в воде. Таким образом, запас кислорода в пузырьке все время пополняется.
Если расход кислорода небольшой, например когда насекомое находится в состоянии покоя, физическое легкое может обеспечить потребность в кислороде в течение неограниченно долгого времени. Если же расход кислорода велик, диффузия его из воды не может своевременно восполнять потерю, процентное содержание кислорода в воздушном пузырьке резко уменьшается, а процентное содержание остальных газов (и в первую очередь азота) повышается и делается значительно большим, чем это обычно бывает в воздухе. Поэтому азот начинает растворяться в воде. Объем воздушного пузырька уменьшается за счет расхода части кислорода на дыхание и растворения азота в воде, насекомое вынуждено всплывать на поверхность для пополнения своих запасов.
Количество воздуха, которое насекомое может унести на себе, невелико, и, если бы не происходило пополнения запасов кислорода из воды, его хватало бы очень ненадолго. Это отчетливо проявляется в тех случаях, когда диффузия газов невозможна. Например, если поместить плавунцов и гладышей в кипяченую воду, они вскоре погибнут, так как в кипяченой воде нет никаких растворенных газов и, следовательно, пополнять запасы кислорода неоткуда.
То же самое произойдет, если посадить этих насекомых в воду, в которой растворен только кислород, и в качестве запаса дать тот же кислород в чистом виде. Запаса хватит не больше чем на полчаса, так как в таких условиях диффузия идти тоже не будет. Обычно же гладыши могут находиться в воде, не пополняя запаса воздуха 6 часов. Так благодаря диффузии кислорода из воды в воздушный пузырек продолжительность пребывания насекомых в воде без возобновления запаса воздуха увеличивается во много раз.
Мелкие насекомые, расход кислорода у которых невелик, могут очень долго не пополнять запас воздуха. Причем, оказывается, они не так страдают от уменьшения запасов кислорода, как от убыли из воздушного пузырька азота. Если водяного клопа посадить в воду, насыщенную кислородом, предварительно тонкой кисточкой убрав под водой воздушные пузырьки и заменив их пузырьками из чистого азота, то насекомые долгое время будут чувствовать себя нормально, так как в пузырек азота очень скоро из воды выделится достаточное для дыхания количество кислорода.
Физическими легкими пользуется икра лабиринтовых рыб, для которой родителям приходится сооружать специальную постройку, так называемое гнездо. Оно строится из пузырьков воздуха, заключенных в слюнообразную жидкость. Окруженная лишь тонкой пленкой жидкости, икра, плавая среди воздушных пузырьков, получает достаточное количество кислорода. Убыль кислорода пополняется из воздуха.
Полиакант, живущий в более богатой кислородом среде, строит свои гнезда не на поверхности, а где нибудь под широким листом подводного растения, под камнем или корягой. Раз в воде есть кислород, физические легкие будут работать и на глубине. Интересно, что полиакант строит свое гнездо в любое время года, а не только в период размножения и пользуется им сам, дыша воздухом из гнезда. Это позволяет рыбе не подниматься на поверхность, где может подстерегать опасность, а оставаться у дна в густых зарослях растений, в завалах коряг. Полиакант забирает из своих кладовых воздух, богатый кислородом, а взамен для обогащения кислородом и очистки от углекислоты возвращает пузырек азота с примесью углекислого газа. Только когда в гнезде станет мало азота, полиакант поднимается на поверхность, чтобы пополнить свои запасы.
Чем выше поднимается человек в горы или чем выше поднимает его самолет, тем более разреженным становится воздух. На высоте 5,5 км над уровнем моря атмосферное давление уменьшается почти вдвое; в той же мере снижается и содержание кислорода. Уже на высоте 4 км нетренированный человек может заболеть так называемой горной болезнью. Однако путем тренировки можно приучить организм к пребыванию и на более значительных высотах. Даже при покорении Эвереста герои-альпинисты не пользовались кислородными приборами. Как же организм приспосабливается к бедному кислородом воздуху?
Основную роль здесь играет увеличение числа , а значит, и нарастание количества гемоглобина крови. У жителей горных областей количество эритроцитов доходит до 6 и более миллионов в 1 мм 3 (вместо 4 млн в обычных условиях). Понятно, что при этом кровь получает возможность захватывать больше кислорода из воздуха.
Между прочим иногда люди, побывавшие в Кисловодске, относят увеличение количества гемоглобина в их крови за счет того, что они хорошо отдохнули и поправились. Дело, конечно, не только в этом, но и просто во влиянии горной местности.
Водолазы и те, кто трудится в кессонах - особых камерах, применяемых при постройке мостов и других гидротехнических сооружений, вынуждены, наоборот, работать при повышенном давлении воздуха. На глубине 50 м под водой водолаз испытывает давление почти в 5 раз выше атмосферного, а ведь ему иногда приходится опускаться под воду на 100 м и более.
Давление воздуха сказывается очень своеобразно. Человек работает в этих условиях часами, не испытывая от повышенного давления никаких неприятностей. Однако при быстром подъеме наверх появляются острые боли в суставах, кожный зуд, ; в тяжелых случаях отмечались смертельные исходы. Отчего это происходит?
В обыденной жизни мы не всегда задумываемся над тем, с какой силой давит на нас атмосферный воздух. Между тем его давление весьма велико и составляет около 1 кг на каждый квадратный сантиметр поверхности тела. Последняя у человека среднего роста и веса равна 1,7 м 2 . В итоге атмосфера давит на нас с силой в 17 тонн! Мы не ощущаем этого огромного сдавливающего воздействия потому, что оно уравновешивается давлением жидкостей тела и растворенных в них газов. Колебания атмосферного давления вызывают ряд сдвигов в организме, что особенно ощущают больные гипертонией и болезнями суставов. Ведь при изменении атмосферного давления на 25 мм рт. ст. сила давления атмосферы на тело меняется более чем на полтонны! Организм должен уравновесить этот сдвиг давления.
Однако, как уже сказано, пребывание под давлением даже в 10 атмосфер относительно неплохо переносится водолазом. Почему же быстрый подъем может оказаться смертельным? Дело в том, что в крови, как и во всякой другой жидкости, при повышенном давлении соприкасающихся с ней газов (воздуха) эти газы растворяются более значительно. Составляющий 4/5 воздуха азот, совершенно безразличный для организма (когда он находится в виде свободного газа), в больших количествах растворяется в крови водолаза. Если давление воздуха быстро снижается, газ начинает выходить из раствора, кровь «кипит», выделяя пузырьки азота. Пузырьки эти образуются в сосудах и могут закупорить жизненно важную артерию - в , мозгу и т. п. Поэтому водолазов и рабочих кессонов очень медленно поднимают на поверхность, чтобы газ выделялся только из легочных капилляров.
Как ни различны эффекты от пребывания высоко над уровнем моря и глубоко под водой, есть одно связывающее их звено. Если человек очень быстро поднимается на самолете в разреженные слои атмосферы, то выше 19 км над уровнем моря нужна полная герметизация. На этой высоте давление снижается настолько, что вода (а стало быть, и кровь) закипает уже не при 100 °С, а при . Могут возникнуть явления декомпрессионной болезни, по своему происхождению аналогичной кессонной болезни.
По мере подъема в горы давление кислорода в воздухе неуклонно снижается, что ведет к падению этого давления в альвеолах и, как следствие этого, к падению напряжения кислорода в крови. Если напряжение кислорода падает ниже 50-60 мм ртутного столба, насыщение кислородом гемоглобина начинает очень быстро уменьшаться.
Характеристика физиологических сдвигов при дыхании в горах
У большинства людей при дыхании в горах до высоты 2,5 км не наступает расстройств. Это не значит, что на высоте 2 км организм есть в таком же состоянии, как при барометрическом давлении на уровне моря. Хотя на высоте до 3 км кровь насыщена кислородом не меньше, чем на 90% своей емкости, но напряжение кислорода, растворенного в крови, здесь уже снижено и этим объясняется ряд наблюдаемых сдвигов при дыхании в горах. К ним относятся:
- углубление и небольшое учащение дыхания;
- учащение пульса и рост минутного объема;
- некоторое увеличение ОЦК;
- увеличенное новообразование эритроцитов;
- небольшое, улавливаемое лишь очень тонкими методами, падение возбудимости рецепторов, исчезающее через двое-трое суток пребывания на указанной высоте.
Все эти изменения при дыхании в горах у здорового человека, однако, являются именно регуляторными процессами, нормальное протекание которых обеспечивает работоспособность на высоте. Недаром пребывание на высоте 1-2 км иногда используется как терапевтический прием при борьбе с некоторыми заболеваниями.
С высоты 3 км, а у ряда людей (при отсутствии мышечной работы) лишь с высоты 3,5 км, начинают обнаруживаться разные расстройства, что преимущественно зависит от изменения деятельности высших центров. При дыхании в горах уменьшается напряжение кислорода, растворенного в крови, падает также количество кислорода, связанного гемоглобином. Симптомы дыхательной гипоксии есть, когда насыщение крови кислородом падает ниже 85% кислородной емкости крови. Если же насыщение кислородом при дыхательной гипоксии падает ниже 50-45% кислородной емкости, то у человека наступает смерть.
Когда подъем на значительную высоту совершается медленно (например, при восхождении), то развиваются симптомы гипоксии, которые не обнаруживаются при быстро развивающейся гипоксии, ведущей к потере сознания. В этом случае вследствие расстройства высшей нервной деятельности отмечаются усталость, сонливость, дрожание, одышка, сердцебиение, часто тошнота, иногда кровотечения (высотная болезнь или горная болезнь).
Изменение нервной деятельности может начаться еще до уменьшения в крови количества оксигемоглобина, завися от снижения напряжения кислорода, растворенного в крови. У собак некоторые изменения нервной деятельности отмечаются иногда уже на 1000 м, выражаясь сначала в увеличении условных рефлексов и ослаблении тормозных процессов в коре мозга. На большей высоте условные рефлексы уменьшаются, а затем (на высоте 6-8 км) исчезают. Уменьшаются и безусловные рефлексы. В коре мозга усиливается торможение. Если на небольшой высоте (2-4 км) изменения условных рефлексов отмечаются лишь в первое время, то на значительных высотах нарушения условнорефлекторной деятельности не уменьшаются при продолжающейся гипоксии, а скорее углубляются.
Обусловленные гипоксией от дыхания в горах изменения состояния коры мозга, конечно, влияют на протекание всех физиологических функций. Торможение, развивающееся в коре, может переходить и на подкорковые образования, что сказывается и в нарушении двигательных актов, и в усилении рефлексов на импульсы с интерорецепторов.
Предел переносимых высот
Зависимо от индивидуальных особенностей, тренированности высота, когда наступают расстройства при дыхании в горах, может быть разной, но эти расстройства, хотя и на разных высотах, наступают обязательно у всех.
Для здоровых людей можно указать в среднем следующую шкалу высот, где наступают определенные функциональные изменения организма:
- до высоты 2,5 км большинство людей (а некоторые лица и до высоты 3,5-4 км) не испытывают значительных расстройств. Насыщение крови кислородом здесь еще выше 85% кислородной емкости, и из сдвигов в состоянии организма характерна лишь увеличенная деятельность дыхательной, сердечно-сосудистой системы, а также усиленное новообразование эритроцитов;
- на высоте 4-5 км начинают отмечаться расстройства высшей нервной деятельности, регуляции дыхания, кровообращения (эйфория или тяжелое самочувствие, легкая утомляемость, чейн-стоксово дыхание, резкое учащение пульса, иногда коллапс);
- на высоте 6-7 км эти симптомы становятся весьма серьезными для большинства людей, за исключением лиц, специально тренированных;
- дыхание в горах на высоте 7-8 км всегда ведет к тяжелому состоянию и опасно для большинства людей, а высота 8,5 км есть пределом, выше которого без вдыхания кислорода не может подняться человек.
У животных, постоянно обитающих в горах, отмечается значительное недонасыщение крови кислородом. Например, у овец на высоте 4000 м насыщение крови кислородом составляет лишь около 65% кислородной емкости, однако какие-либо патологические симптомы гипоксемии при этом отсутствуют.
При подъеме в горы из-за падения атмосферного давления снижается парциальное давление кислорода в альвеолярном пространстве. Когда это давление становится ниже 50 мм рт. ст. (5 км высоты), неадаптированному человеку необходимо дышать газовой смесью, в которой повышено содержание кислорода. На высоте 9 км парциальное давление в альвеолярном воздухе падает до 30 мм рт. ст., и практически выдержать такое состояние невозможно. Поэтому используется вдыхание 100% кислорода. В этом случае при данном барометрическом давлении парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе составляет 140 мм рт. ст., что создает большие возможности для газообмена. На высоте 12 км при вдыхании обычного воздуха альвеолярное давление равно 16 мм рт. ст. (смерть), при вдыхании чистого кислорода - всего лишь 60 мм рт. ст., т. е. дышать еще можно, но уже опасно. В этом случае можно подавать чистый кислород под давлением и обеспечить дыхание при подъеме на высоту 18 км. Дальнейший подъем возможен только в скафандрах .
Дыхание под водой на больших глубинах
При опускании под воду растет атмосферное давление. Например, на глубине 10 м давление равно 2 атмосферам, на глубине 20 м - 3 атмосферам, и т. д. В этом случае парциальное давление газов в альвеолярном воздухе соответственно возрастает в 2 и 3 раза.
Это грозит высоким растворением кислорода. Но избыток его не менее вреден для организма, чем недостаток. Поэтому один из путей уменьшения этой опасности - использование газовой смеси, в которой процентное содержание кислорода уменьшено. Например, на глубине 40 м дают смесь, содержащую 5% кислорода, на глубине 100 м - 2%.
Второй проблемой является влияние азота. Когда парциальное давление азота возрастает, то это приводит к повышенному растворению азота в крови и вызывает наркотическое состояние. Поэтому, начиная с глубины 60 м, азотно-кислородная смесь заменяется гелиокислородной смесью. Гелий менее токсичен. Он начинает оказывать наркотический эффект лишь на глубине 200-300 м. Сейчас проводятся исследования по использованию водородно-кислородных смесей для работы на глубинах до 2 км, т. к. водород очень легкий газ.
Третья проблема водолазных работ - это декомпрессия. Если быстро подниматься с глубины, то растворенные в крови газы вскипают и вызывают газовую эмболию - закупорку сосудов. Поэтому требуется постепенная декомпрессия. Например, подъем с глубины 300 м требует 2-х недельной декомпрессии .
