Влияние углекислого газа на дыхание в изолирующих средствах индивидуальной защиты

А.С.Голик, д.т.н., проф., СНПО «Горноспасатель»;
А.Ф.Син, к.т.н., ЦШ ВГСЧ; В.Р.Дингес, к.т.н., ОБР ВГСЧ

Успешные исследования подводных акваторий, космоса и воздушного пространства, использование регенеративных изолирующих аппаратов горноспасателями и шахтерами - напрямую зависят от содержания газового состава внутри помещения или дыхательного аппарата. Практика постоянного применения таких аппаратов обуславливает необходимость изучения влияния углекислого газа (CO2) на организм человека в сочетании с другими газами, например - с кислородом.

Представлению о физиологической роли СО2 в большей мере способствуют достижения в вопросах физиологии и биохимии клетки. Появилось новое понятие «внешняя среда» и «внутренняя среда», что имеет прямое отношение к рассматриваемому вопросу. Всем известно, что дыхание - это важнейшая потребность нашего организма в процессе его жизнеобеспечения. Процесс и функции дыхания очень тесно связаны со многими процессами нашего организма: с состоянием нервной системы, функцией кровообращения, обмена веществ и температуры тела и т.д.

В дыхании можно условно выделить внешнее дыхание (легочное - газообмен между атмосферой и клетками) и внутреннее - тканевое дыхание (окислительные процессы в клетках). Происходит постоянный газообмен между клетками нашего организма и атмосферой, который осуществляется через кровь и легочную ткань. Легочная ткань представляет собой образно «вторую кожу», которая защищает клетки от вредного, токсического действия кислорода. Воздух, содержащийся в легких, можно представить индивидуальной атмосферой в миниатюре. И основное ее отличие от окружающей атмосферы состоит в содержании углекислого газа. Разница в концентрации углекислого газа в альвеолах и в атмосфере - почти в 200 раз.


Содержание CO2 в атмосфере находится в пределах 0.03%, а в альвеолах легких - 5.7%. В непосредственной близости находятся как бы две разные атмосферы: одна внутри организма, другая снаружи. Причем они не смешиваются, усредняя газовый состав, а наоборот, организм старается поддерживать постоянство своей внутренней атмосферы. В легких происходит обмен кислорода и углекислого газа между альвеолами и кровью. При этом концентрация кислорода и углекислого газа в них различна. Газообмен происходит вследствие выравнивания этих концентраций, путем пассивной диффузии. Причем способность к продвижению через границу альвеола - капилляр (диффузионная способность), у углекислого газа выше, чем у кислорода в 25-30 раз. Диффузия газов в организме - это непрерывный процесс. Даже при остановке внешнего дыхания (например, при нырянии), прекратить газообмен в альвеолах произвольным усилием человека невозможно. В обычных условиях организмом используется лишь часть кислорода, поступающего в легкие. Во вдыхаемом воздухе содержание кислорода составляет 21%, CO2 - 0.3%, а в выдыхаемом, соответственно - 16% и 4.5%. В полости альвеол содержание кислорода 14%, а углекислого газа на уровне 5.5-6%. При гипоксической терапии на аппаратах гипоксикаторах возможно снижение кислорода до 10-12%. Это свидетельствует о том, что в нормальных условиях содержание кислорода в атмосфере и крови человека достаточное и с определенным «запасом прочности» [2] обеспечивает нормальную жизнедеятельность организма.


Альвеолы легких покрыты густой сетью капилляров, в которые поступает кислород. По кровеносному руслу он доставляется к органам и тканям эритроцитами. Для этого в нем имеется специальный белок-гемоглобин. В сосудах легких к гемоглобину присоединяются молекулы кислорода. К каждой молекуле гемоглобина присоединяется 4 молекулы кислорода, образуя оксигемоглобин. В таком связанном виде кислород транспортируется по сосудам в клетки. Проходя через сердце, насыщенная кислородом кровь растекается по всему организму, но отделение кислорода от гемоглобина происходит только в мельчайших сосудах - в капиллярах. Содержание CO2 напрямую влияет на процесс отделения кислорода от гемоглобина. Если углекислого газа мало, то, несмотря на высокое содержание кислорода в крови, клетки «голодают», испытывают дефицит кислорода. В клетках развивается состояние гипоксии. И чем меньше углекислого газа, тем хуже кислород отделяется от гемоглобина и меньше кислорода поступает в клетки. Если очень активно и глубоко подышать, то можно впасть в обморочное состояние или почувствовать головокружение. Это связано с тем, что при усиленном дыхании снижается содержание CO2 в крови, вследствие этого ухудшается отделение кислорода от гемоглобина и снижается его поступление в клетки. По образному выражению F. Mischer (1893 г.) «Над кислородным снабжением организма углекислый газ простирает свои охраняющие крылья».

Итак, углекислый газ - первый фактор, влияющий на поступление кислорода из крови в клетки. Вторым фактором является проницаемость мембраны эритроцита. В мембране эритроцитов, при определенных ситуациях, возникают сквозные поры, через которые кислород выходит из эритроцита. Физики установили, что после выхода эритроцита из капилляров легких в кровеносное русло проницаемость его мембраны уменьшается в 104 раз. Для того, чтобы эти поры открылись, необходимо создать определенное давление на эритроцит.


Оказалось, что проницаемость мембраны зависит от напряженности электрического поля в оболочке эритроцита. При сильном сжатии, плотном контакте стенок эритроцита и капилляра, напряженность поля снижается, и проницаемость мембраны увеличивается. Открывается необходимое количество пор, через которые эритроцит выпускает порцию кислорода. На его место к гемоглобину присоединяются молекулы CO2 и эритроциты направляются к легким, чтобы отдать его альвеолам и взять новую порцию кислорода.

При переходе CO2 из тканей в кровь происходит ее гидратация, а при переходе CO2 из крови в альвеолярный воздух - дегидратация Н2СО3. Обе реакции гидратации и дегидратации протекают медленно. Установлено, что значительное ускорение этих реакций происходит благодаря фермен-

ту, названному угольной ангидразой или карбоангидразой, которая находится в эритроцитах. Углекислый газ в организме человека образуется как конечный продукт обмена веществ. Проходя через стенку тканевых капилляров, она частично растворяется в плазме крови. Большая ее часть находится в химически связанном виде с различными основаниями, образуя бикарбонаты: в плазме - №НС03, а в эритроцитах - КНС03. В костях CO2 находится в виде карбоната кальция.

Углекислый газ играет важную роль в поддержании кислотно-щелочного баланса в организме. Важнейшим условием нормального функционирования организма является постоянство активной реакции крови и тканевых жидкостей, что напрямую связано с тканевым дыханием.

В процессе обмена веществ существуют два понятия: аэробный процесс и анаэробный. Под аэробным процессом понимают обмен веществ в организме, связанный с использованием кислорода, его еще называют аэробный метаболизм. Если химические реакции протекают без участия кислорода, то такие процессы считают анаэробными (без-кислородными). Естественной моделью изучения резервов организма является спортивная деятельность. Об абсолютных и даже относительных величинах резервных возможностей человека известно еще очень мало. Предполагается, что человек в условиях повседневной жизни выполняет работу в пределах до 35% от своих абсолютных возможностей. Эта работа выполняется свободно, без затрат волевых усилий. При работе в диапазоне 35-50% возможностей требуются волевые усилия и такая работа приводит к утомлению. Выше 65% абсолютных возможностей лежит «порог мобилизации». За пределами этой границы остаются только автономно охраняемые резервы организма, использование которых невозможно при помощи волевого усилия. Аэробные процессы являются основными, ведущими, а анаэробные - вспомогательными или резервными. Анаэробные процессы почти постоянно сопровождают аэробные. Например, при усиленной физической нагрузке и большом поступлении кислорода в организм, помимо аэробного способа расщепления глюкозы, обязательно включается анаэробный. Если при интенсивной работе скелетных мышц аэробные процессы усиливаются в десятки раз, то анаэробные процессы усиливаются в сотни раз. Это природный, стратегический резерв организма. В начале своего жизненного пути человек вообще не нуждается в кислороде и, как показали исследования, устойчивость новорожденных к дефициту кислорода в 8-10 раз выше, чем у взрослых. Анаэробные процессы заложены как бы в памяти организма и, при необходимости, способны включаться в экстремальных случаях. Определенная концентрация СО2 в клетках является абсолютно необходимым условием нормального протекания всех биохимических процессов. Например, снижение СО2 в легких при углубленном дыхании сдвигает рН в щелочную сторону, что изменяет активность ферментов и витаминов. Это изменение активности регуляторов обмена веществ нарушает нормальное протекание обменных процессов и ведет к гибели клеток. Снижение концентрации углекислого газа в легких (гипо-капния) вызывает защитные реакции организма - спазм бронхов и сосудов, что уменьшает кровоток и вызывает гипоксию тканей. Кислородное голодание тканей, достигнув угрожающей организму степени, вызывает у некоторых индивидуумов повышение артериального давления (гипертонию). Гиперкап-ния (умеренное повышение углекислого газа во вдыхаемой смеси) естественно возбуждает все гиперкапнические хемо-рецепторы и дыхательный центр, что вызывает ответное усиление вентиляции легких, снижение тонуса гладкой мускулатуры бронхов и сосудов. Постепенным, медленным повышением уровня гиперкапнии удается добиться повышения устойчивости хеморецеп-торов и нейронов дыхательного центра

к гиперкапническому стимулу, что повышает устойчивость дыхательной системы при физических нагрузках, активизирует метаболические процессы в организме. Кроме того, углекислый газ значительно тормозит реакции образования активных форм кислорода (свободных радикалов), защищая, таким образом, клетки от разрушения. К сожалению, реакции анаэробного типа приводят к кислородному долгу и накоплению в тканях недоокисленных продуктов распада (например, молочной и пи-ровиноградной кислот), что вызывает болевую реакцию в мышцах, предопределяя, тем самым, кратковременность использования организмом механизма «второго дыхания». Постепенно использование анаэробного типа дыхания приводит к изменениям во внутренней среде, что в конечном итоге повышает устойчивость организма к действию этих неблагоприятных изменений.

Оценка влияния CO2, добавляемого к вдыхаемой газовой смеси, на потребление кислорода при острой гипоксии имеет парадоксальные результаты. По логике при кислородном дефиците увеличение CO2 в дыхательной смеси должно усугубить действие гипоксии и ухудшить и без того тяжелое состояние организма. В действительности все оказалось наоборот, и добавление углекислого газа к бедной кислородом дыхательной смеси только улучшае самочувствие человека. То же происходит и при высоком содержании кислорода в дыхательной смеси. Так, при проведении испытаний нового регенеративного самоспасателя в Кузбасссе было установлено, что за 2 часа 50 минут дыхания в самоспасателе содержание CO2 в выдыхаемом воздухе в последние 50 минут составляло 4.1-6.5%, кислорода 32-50 %. И, хотя артериальное давление и частота пульса у респи-раторщика Д.В. Емельянова повысились со 120/70 (PS = 70 мин-1) до 140/90 (PS = 100 мин-1), он абсолютно не чувствовал какого-либо дискомфорта или напряжения при дыхании (табл. 1).

При повторных испытаниях аппарата ситуация повторилась. Здесь уже 1 час 40 минут испытатель ( респира-торщик В.М. Татауров, 1961 г. рожд.) дышал смесью с повышенным содержанием CO2. Также отмечено незначительное повышение артериального давления со 120/85 (PS = 80 мин-1) до 130/90 (PS = 108 мин-1), и также не наблюдалось какого-либо дискомфорта при дыхании (табл. 2).

В процессе испытаний оба испытателя передвигались по горизонтальной поверхности со скоростью 5-6 км/ч.

Ранее в лаборатории известного физиолога М.Е. Маршака проводились исследования влияния гипер- и гипокап-нии на скорость вымывания азота из организма человека (Л.И. Ардашнико-ва, 1948 г. рожд.).

Регистрировалась динамика изменения количества выделяемого азота в разные отрезки времени после переключения на дыхание чистым кислородом или смесью кислорода и углекислого газа. В табл. 3 приводятся данные о выделении азота при

дыхании чистым кислородом и его смесью с 3-5% CO2 [4].

Данные табл. 3 показывают, что при вдыхании газовой смеси кислорода и 3-5% углекислого газа скорость выделения азота из организма человека уменьшается. И наоборот - после прекращения дыхания газовой смесью скорость выделения азота увеличивается. При гипоксии происходит понижение кислорода в артериальной крови, которое вызывает усиленное дыхание и вымывание CO2 из организма. Возникает гипокапния, которая, в свою очередь, предполагает повышенную потребность в кислороде. Добавление СО2 к бедной кислородом газовой смеси ликвидирует гипокап-нию и потребность в кислороде снижается, при этом улучшается снабжение кислородом головного мозга и сердца за счет уменьшения снабжения кислородом скелетных мышц.

Проблема в том, что эти исследования проводились при нормальном дыхании человека без использования каких-либо средств индивидуальной защиты органов дыхания. Современные изолирующие самоспасатели типа ШСС-1Т и ШСС-1У, применяемые в горнорудной промышленности, работают на химически связанном кислороде и имеют на вдохе концентрацию чистого кислорода 80-100%. Техническими условиями эксплуатации данных самоспасателей предусмотрено иметь на вдохе содержание CO2 не более 1%. Отсутствие влажности и высокая температура почти чистого кислорода на вдохе создают дискомфорт при дыхании, который выражается чувством жжения и першения в горле уже через 30-40 минут.

На наш взгляд, добавление углекислого газа в дыхательную смесь должно решить проблему комфортности дыхания в изолирующих СИЗ. Для этого необходимо провести медицинские исследования по установлению границ содержания CO2 в дыхательной смеси и времени, в течение которого можно дышать этой смесью без особого вреда для организма человека.

ЛИТЕРАТУРА:
1.    ГОСТ Р 12.4.220-2001 «Средства индивидуальной защиты органов дыхания. Аппараты изолирующие автономные с химически связанным кислородом (самоспасатели )», -М.: Госстандарт России.
2.    Зинатулин С.Н. Как я жил без кислорода. -Новосибирск: ООО «Динамика» 2005, с. 28.
3.    Правила безопасности в угольных шахтах. -М 2003 г.
4.    Маршак М.Е. Физиологическое значение углекислоты. -М.: «Медицина»-1969, с. 122
5.    Протоколы испытаний регенеративного изолирующего самоспасателя., -Кемерово, 2006 г.

Журнал "Горная Промышленность" №3 2006