Сатурация и десатурация на тъканите с азот

д-р Никола Шопов

 В предишната статия разгледах въпроса за начина по който се разтварят газовете в течната среда на организма. Сега продължавам с изясняването на особеностите на усвояването и отделянето на инертния газ (в частност – азота) в организма на водолаз, който е подложен на променящо се околно налягане. Или това е т. нар. процес сатурация – десатурация на тъканите с азот при повишаване на парциалното му налягане във вдишвания въздух.

Сатурация на тъканите на организма с азот
Азотът от въздуха се намира в човешките тъкани в състояние на прост физически разтвор. При нормално атмосферно налягане в организма има разтворен около 1 л азот (от това количество само 1/26 част се съдържа в кръвта) и парциалното му налягане в тъканите е равно на около 570 мм живачен стълб. При покачване на околното налягане парциалното налягане на азота (рN2) в алвеолите на белите дробове също нараства, което води до увеличаването на количеството му в артериалната кръв, а след това в тъканите. По-подробно ще обясня този процес: При повишаване на околното налягане водолазът диша въздух под по-високо налягане (равно на околното), като в алвеолите съответно има по-високо рN2 сравнено с това в кръвта. Тогава чрез дифузия азотът преминава от алвеолите към кръвта с цел да се изравнят наляганията. В клетките все още рN2 е ниско. Но при достигането на кръвта до тях, азотът започва да преминава от кръвта към клетките, докато разликата в налягането на азота между кръвта и клетките се изравни. Или се получава пренос (насищане) на тъканите с азот. Този процес се нарича сатурация и продължава докато рN2 в алвеолите, кръвта и тъканите се изравни с налягането на азота в околната среда и настъпи пълно насищане на организма с азот при съответната величина на налягането му във вдишвания въздух.

Установеното ново ниво на динамичното газово равновесие ще се отличава от изходното с по-голямо количество азот, разтворен във вътрешните среди на организма. Това е свързано с факта, че при повишаване на рN2 във вдишвания въздух сорбционният٭ капацитет на отделните тъкани по отношение на азота се увеличава. Ако при 1 ата въздух пълно насищане на организма се постига при 1000 мл азот (1л), то при 2 ата за това са необходими 2000 мл и т.н.

Газовото равновесие между алвеоларния въздух и артериалната кръв на това ново ниво настъпва практически мигновено. Във всеки случай вече няколко минути след завършване на компресията се установява постоянно налягане на азота в кръвта (равно на това в алвеолите). В системата артериална кръв – тъкани обаче скоростта на изравняване на наляганията значително намалява. Приближавайки се към тъканите, наситената с азот артериална кръв чрез дифузия им отдава част от азота, докато концентрациите му се уравновесят. При повторното протичане през белодробните капиляри кръвта отново се насища с азот и преминавайки през тъканите, пак им отдава излишък азот, но този път количеството азот е значително по-малко от предишния и т.н. Това става дотогава, докато всички кръвоснабдени тъкани (включително и кръвта) се наситят с азот напълно до налягане, под което този газ се намира в алвеоларния въздух, и рN2 в артериалната кръв стане равно на налягането му във венозната кръв.

Във връзка с непрекъснато спадащия градиент (разлика в наляганията) на рN2 темпът на насищане на тъканите с всеки кръговрат на кръвта се забавя. Той се осъществява с геометрично намаляваща скорост. Така, ако времето за насищане на една тъкан с 50% се приема за една условна единица (т.нар. период на полу-насищане – когато тъканта се насити на половина), то за две условни единици тази тъкан се насища с азот до 75%, за 3 периода на полу-насищане тъканта ще се насити до 87.5%, за 4 периода на полу-насищане – до 93.7%, за 5 – до 96.87%, за 10 – до 99.89% и т.н. Следователно процесът на насищане се подчинява на експоненциална функция. За пълното насищане на тъканите с азот обикновено се приема тяхната сатурация до 98.43%, която настъпва след изминаването на 6 условни единици време или както казах, на изтичането на 6 периода на полу-насищане на съответната тъкан.

Последните изследвания, особено проведените с радиоактивни изотопи, показаха, че за пълното насищане на човешкия организъм с азот при определено налягане на въздуха или с други азотни смеси могат да бъдат необходими 2.5 – 3.5 денонощия.

Сатурацията на дадена тъкан с азот зависи и от други фактори, като най-важните са: вида на клетъчната структура, скоростта на дифузията на газа, способността на клетъчната цитоплазма да разтваря и задържа в разтвор даден газ и др. В богатите на вода тъкани поглъщането на допълнително количество азот при повишено налягане в кръвта става относително бързо, а мастната тъкан се насища по-бавно, въпреки че разтворимостта на азота в нея е 5 пъти по-голяма от тази във водата и кръвта (в норма мастната тъкан представлява 10-20 % от телесната маса, а в нея се депонира около 35% от намиращия се в организма азот). Бавното насищане на мастната тъкан освен това е свързано с лошото им кръвоснабдяване. Колкото е по-добро кръвоснабдяването на тъканите, толкова по-бързо при равни други условия настъпва насищането им. Ако обилно кръвоснабдените тъкани (сивото вещество на мозъка, бъбреците и др.) се насищат с азот за няколко минути, то за насищането на лошо кръвоснабдените тъкани , (като сухожилия, хрущяли) са необходими десетки часове.

Дълго време за степента на сатурация на организма (както и за хода на десатурацията) с инертен газ се е съдело само въз основа на косвени показатели, получени чрез съпоставяне на броя случаи декомпресионна болест и продължителността на пребиваване при повишено налягане, докато сега скоростта на тези процеси се изчислява с помощта на радиоактивни изотопи, тъканен газанализ и други съвременни „преки” методи на изследване.

По такъв начин степента и скоростта на насищане на организма с инертен газ представляват функция с голям брой променливи. Към тях се отнасят не само парциалното налягане на дадения газ и продължителността на пребиваване под това налягане, но и съставът на вдишваната газова смес, температурните условия, сорбционният капацитет на отделните тъкани. тяхното кръвоснабдяване, проницаемостта на различните тъканни мембрани (от това зависи скоростта на дифузия) и редица други фактори, които ние не винаги можем да вземем под внимание. Във връзка с това изчислението на сатурацията за всеки конкретен случай може да ни даде само ориентировъчна информация. Точното познаване на динамиката на насищането на тъканите във времето би позволило по-обосновано да определим оптималната за дадени условия скорост на десатурация на организма от инертния газ. Двата процеса (сатурация и десатурация) протичат еднотипно и се подчиняват на едни и същи закономерности (има и теории за известни разлики в процеса на десатурацията спрямо този на сатурацията), а това има важно значение за профилактиката на декомпресионната болест.

Десатурация на тъканите на организма от азота
При спадане на околното налягане започва десатурация (отсищане) на тъканите в организма от излишъка на разтворения в тях азот. Десатурацията продължава дотогава, докато рN2 в тъканите, венозната кръв и алвеолите се уравновеси. При бавна декомпресия азотът вследствие на молекулна дифузия прониква от тъканите в кръвта, тя го транспортира до белите дробове и от тях се издиша в околния въздух. Ако външното налягане пада много бързо, излишъкът на азот изцяло се отделя вътре в тъканите, т.е. той не може вече да попадне в белите дробове и да се издиша. Тъканите стават своеобразна “уловка“ на азота, а отделящият се в тях газ във вид на мехурчета представлява причина за развитие на декомпресионна болест.

В основата на декомпресионната болест лежи пренасищането на тъканите с азот. Както е известно, за разлика от наситения разтвор, намиращ се в равновесие с разтварящото се в него вещество или газ, пренаситеният разтвор съдържа значително повече вещество, отколкото е необходимо за насищане при дадена температура и налягане, като представлява неустойчива система. Вярно е, че благодарение на колоидалната си природа тъканите на организма могат, в известни граници на пренасищане, да задържат в разтвор допълнително количество газ, но при по- нататъшното спадане на налягането суперсатурацията (пренасищането) на тъканите предизвиква нарушение на стабилното равновесие на системата газ-течност и обуславя преминаването на азота, разтворен в течните среди на организма, в свободно (газообразно) състояние с образуването на газови мехурчета в тъканите.

По такъв начин декомпресионната болест се развива тогава, когато скоростта на декомпресията е значително по-голяма и освобождаващият се от тъканите значителен по количество азот не успява да премине от тъканите в кръвта и от кръвта в белите дробове и да се издиша. В резултат на това в различните тъкани, влючително и в кръвта, започват да се отделят мехурчета, които предизвикват симптомите на декомпресионната болест.

٭ Сорбция (от латински sorbeo – поглъщане) включва адсорбция – поглъщане на вещества на повърхността на фазите, и абсорбция – поглъщане на вещества от целия обем на сорбента.

Влияние на повишеното газово налягане върху човешкия организъм

д Никола Шопов

 Човек е приспособен да живее при условия на атмосферно налягане и когато попадне в среда с повишено налягане, се подлага на въздействието на необичайни за него фактори. Основно условие за нормалната жизнена дейност на човешкия организъм е запазването на относително постоянство на химическите свойства на вътрешната му среда. Това съществено зависи от външни фактори, по-конкретно от големината на външното (околното) налягане и състава на вдишвания въздух. Във връзка с това престоят на човека в атмосфера с повишено налягане в определени условия може да доведе до нарушение на постоянството (равновесието) на вътрешната му среда и до съществени промени във функциите на различните органи и системи.

Действието на повишеното налягане върху организма представлява комбинацияот механични влияния, които се предават върху тъканните структури чрез външните обвивки, и физико-химически въздействия, чиито ефекти са свързани с проникването на значително количество газ (или газова смес) във вътрешните среди на организма при дишането.

В настоящото изложение ще очертая най-общата представа за механичното влиянието на повишеното налягане върху организма на водолаза, а в следващо ще ви запозная с физико-химичното въздействие на повишеното налягане върху водолаза.

МЕХАНИЧНО ДЕЙСТВИЕ НА ПОВИШЕНОТО НАЛЯГАНЕ

Когато човек се намира в атмосфера на сгъстен въздух, на повърхността на тялото му (която средно възлиза на 1.7÷1.8 кв.м) действа допълнително налягане от десетки тонове. Така при повишяване на налягането с 1 атмосфера допълнителното налягане достига 34÷36 тона, с 2 атмосфери – 51÷54 тона, с 3 атмосфери – 68÷82 тона и т.н. Това огромно налягане дълго време обърква лекарите, които го отъждествяват с действието на товар с аналогично тегло, поставен върху определена част на тялото. По- късно в резултат на наблюдения става ясно, че има съществена разлика между влиянието на високото атмосферно (или хидростатично – водно) налягане, което въздейства равномерно от всички страни, и едностранния натиск на товар, поставен върху някаква част от човешкото тяло, който може да доведе до механично увреждане на тъканите.

Влиянието на повишеното налягане на газовата среда върху организма сеопределя от големината на това налягане, а също от възникващите при това промени в обема, плътността, вискозитета, температурата, топлопроводимостта и влажността на даден газ. Свиването на газа при компресия (повишаване на налягането) предизвиква загряването му, а разширението на газа при декомпресия (намаляване на налягането) се съпътства с охлаждането му. Колкото е по-високо налягането, толкова е по-висока топлопроводимостта на сгъстения въздух, поради което при ниски температури се увеличава охлаждащата способност на сгъстения въздух, а при високи температури – нагревателната му способност. При сгъстяване на въздуха се покачва влажността му за сметка на съответното увеличение на концентрацията на водните пари, които са се съдържали в него преди компресията. Това на свой ред повишава охлаждащата способност на въздуха.

Нормалното атмосферно налягане, т.е. налягането на целия стъб въздух наморското равнище, е равно на 760 мм живачен стълб (1.033 кг на 1 кв.см – закон на Торичели). Тази физическа атмосфера (атм) е еквивалентна на налягането предизвикано от 10.3 м воден стълб или на 1.01 х 105 нютона/кв.м. В техниката и водолазното дело налягането се измерва в технически атмосфери (килограм сила/кв.см) и се означава като „ат”. Ще дам някои приравнявания между по-често изпозваните мерни единици за налягане:

1 ат = 1 кгс/кв.см = 735.6 мм жив.стълб = 10 м воден стълб = 0.98 бар = 9.8 х 104нютона/кв.м = 9.8 х 104 Па (паскала) = 14.7 psi (pounds per square inch).

Налягането свръх атмосферното се нарича допълнително и се определя по показанията на манометъра. Ако допълнителното налягане се измерва в технически атмосфери, то се означава като „ати” (от руски-„атмосфера избыточная”). Абсолютното налягане (ата) представлява сума от атмосферното и допълнителното налягане. 

АТА = АТ + АТИ

Или абсолютното налягане на дълбочина 10 метра под водата на морското равнище е равно на:

1 (ат) + 1 (ати) = 2 ата
на дълбочина 20 метра: 1 (ат) + 2 (ати) = 3 ата
на дълбочина 25 метра: 1 (ат) + 2.5 (ати) = 3.5 ата и т.н.

Човешкото тяло е нееднородно, в състава му влизат 70÷85% течности, но освен това то съдържа множество изпълнени с газ кухини. Такива са: синусите, средното ухо, белите дробове, стомашно-чревния тракт. За да разберем процесите, протичащи в човешкия организъм, намиращ се в условия на повишено налягане, трябва да познаваме основните закономерности, на които се подчинява поведението на течностите и газовете в тези условия. Газовите закони описват промените в състоянието на газовете под действие на различни фактори (налягане, температура и др.), тяхната дифузия и разтворимост в течностите.

Молекулите газ, затворен в даден обем, се движат безредно и се удрят в стените на кухината, като по тази начин упражняват налягане върху тях. Следователно налягането на газа представлява сумарен импулс (съвкупност от удари) на хаотично движещи се молекули, който се предава на единица площ за единица време. Всички фактори, които увеличават броя на сблъскванията на газовите молекули със стените на кухината (обема), в който той се намира, в крайна сметка водят до повишаване на налягането на газа.

Налягането на газа е право пропорционално на броя на молекулите в единица обем и средната кинетична енергия на тези молекули, поради което то зависи от степента на компресията (колкото е по-малък заеманият от газа обем, толкова е по- голям броят на молекулите в него и толкова по-често тези молекули ще се удрят в стените на кухината, съдържаща съответния газ) и температурата на газа (с повишаване на температурата се увеличава скоростта на движение на молекулите). Тези положения са отразени в закона на Бойл-Мариот, който се явява един от основните закони на водолазната физика.

Той може да се формулира по следния начин: При постоянна температура обемът на дадена маса газ е обратно пропорционален на упражненото върху него налягане. Или тази зависимост може да се представи със следните формули:

V . P = constanta и V1. P1 = V2 . P2
където V е обемът на газа, а Р е неговото налягане

Следователно при двукратно увеличаване на налягането на газа неговият обем трябва да се намали точно наполовина, а десетократното увеличение на налягането води до съответното десетократно свиване на газа и т.н. С увеличаването на налягането сравнителното изменение на обема газ става по-слабо изразено. При увеличаване на налягането от 1 на 2 ата (т.е. с 1 кгс/кв.см) обемът на газа намалява наполовина (50%), а при повишаване на налягането от 19 на 20 ата (също с 1 кгс/кв.см) намаляването на обема възлиза само на 4.8% от първоначалната стойност. Този много важен от практическо гледище факт свидетелства за това, че в началния период на компресията възникват по-резки изменения на газовия обем, отколкото при по-нататъшното увеличаване на налягането. Подобни съотношение се наблюдават и в крайните етапи на декомпресията, затова най-често баротравми и други декомпресионни нарушения настъпват в повърхностните слоеве на водата (до към 10÷15 метра дълбочина).

За разлика от газовете в твърдите тела и течностите молекулите са разположени доста близко една до друга и силите на междумолекулното взаимодействие играят съществена роля. В газовете разстоянието между молекулите е много по-голямо и сили на сцепление практически липсват – газът винаги заема обема, в който се намира и затова се казва, че в твърдите тела и течностите молекулите са „плътно опаковани”, т.е. са разположени много близо една до друга. Наличието на относително малки разстояния между молекулите, както и на сили на отблъскване между тях при опит да се сближат води до това, че свиваемостта на течностите и твърдите вещества е около 1000÷100 000 пъти по-малка от тази на газовете. Освен това даже и при обикновени условия налягането вътре в течностите е изключително високо, което също обуславя нищожно малката им свиваемост (при налягане 200 ат обемът на водата намалява само с 1%). Това е свързано с така нареченото молекулярно налягане, обусловено от факта, че молекулите на повърхностния слой на течността имат допълнителна потенциална енергия. В резултат на това повърхностния слой на течността се стреми да се движи навътре и върху течността се упражнява допълнително налягане (например молекулярното налягане на водата е около 11 000 ат). Силата на молекулярното налягане е винаги насочена навътре в течността, т.е. оказва върху нея свиващо действие. Върху намиращите се вътре в течността тела тази сила не действа.

Както казах по-горе, нашето тяло се състои от повече от ¾ вода. Телесните тъкани имат поведение на течности и при относително неголемите налягания, които въздействат върху човека при водолазните спускания, те практически не се свиват. При повишаване на околното налягане тъканите на организма поемат цялото налягане и не се разрушават. Това се обяснява с факта, че според закона на Паскал налягането на компримирания газ се предава по тъканите на организма мигновено и се разпространява еднакво по всички посоки. При това тъканите равномерно се свиват, в резултат на което в организма възникват еластични, т.е. изчезващи след спирането на натиска деформации, които водят до повишаване на напрежението вътре в тялото. Обикновено този процес завършва с бързо установяване на равновесие между външното и вътрешното налягане, което на свой ред предпазва тъканите от увреждане.

Следователно „несвиваемостта” на тъканите при равномерна (обемна) компресия на цялото тяло трябва да се разглежда като резултат на мигновено разпределение и изравняване на налягането вътре в организма, при което възникващото в тъканите хидростатично противоналягане по стойност е равно на налягането, действащо извън него. Именно бързото уравновесяване на външното и вътрешното налягане в целия обем на тялото позволява да се избегне увреждането на тъканите.

Както споменах, в човешкия организъм обаче наред с практически несвиваемите меки тъкани, хуморална среда и скелета има многобройни кухини, съдържащи газ. За да може налягането на газа в тях да се изравнява с околното те имат естествена връзка (синусови каналчета, евстахиеви тръби, дихателни пътища) с околната среда. Даже при равномерно свиване на целия организъм и нарушена комуникация на полузатворените кухини с околната среда скоростта на изравняване на вътрешното налягане може да изостава от външното.

В нормални условия налягането в тези кухини е равно на налягането, което се упражнява върху околните тъкани, а последното на свой ред съответства на външното налягане. Поради това при бързо изравняване на вътрешното с външното налягане компресията не оказва никаква вреда. Ако обаче това равновесие се наруши (даже за кратко време), възниква свиване на стените на кухината, което води до баротравма. Аналогична ситуация се получава при бързо спадане на околното налягане, когато обемът на намиращия се в някоя кухина газ значително се увеличава (по този механизъм най-често се увреждат белодробните тъкани).

За да се избегнат усложнения при водолазните спускания, е необходимо налягането на газа, затворен в някоя телесна кухина, точно да съответства на нивото на външното налягане. При промяна на околното налягане изравняването на налягането в кухините трябва да става мигновено. Това се осъществява както за сметка на промяната на обема на самата кухина при достатъчна еластичност на стените й (стомашно-чревен тракт), така и при ригидни (твърди) стени на кухината посредством синхронното постъпване на газа отвън с увеличаване на налягането му (средно ухо, синуси). Последното е възможно при свободно съобщаване на съдържащите въздух кухини на организма с външната среда. Тук главно значение придобива не абсолютната стойност на достигнатото барометрично налягане, а скоростта на спадането му. В случаите при които изравняването на налягането в кухината с околното налягане не се извърши своевременно се създават предпоставки за получаване на баротравми на засегнатите органи.