В главе рассмотрено дыхание при различном уровне физической активности, при недостатке и избытке кислорода, в условиях низких температур внешней среды, а также дыхание при воздействии на организм высоких температур.
ПОВЫШЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ
Постоянная физическая тренировка ведёт к перестройке:
— органов дыхания;
— дыхательных мышц;
— вентиляции и перфузии лёгких;
— системы транспорта дыхательных газов;
— системы регуляции дыхания;
— окислительных процессов в клетках тканей и органов. Долговременные приспособительные реакции организма при
этом направлены на развитие мощности системы дыхания, её эффективности и экономичности.
Вентиляция лёгких в условиях покоя у спортсменов и лиц, постоянно занимающихся физическим трудом различной интенсивности (тренированных), характеризуется:
• снижением частоты дыхательных актов;
• снижением МОД (в среднем на 30\%);
• увеличением вентиляционного эквивалента кислорода — объё- ма дыхания, затрачиваемого на 1 л потреблённого О2 (основной причиной повышения вентиляционного эквивалента О2 является оптимальное соотношение альвеолярной вентиляции и перфузии, а также возросшая диффузионная способность лёгких).
Индекс экономичности внешнего дыхания (ЭВД). Для оценки ЭВД введён специальный индекс — уровень ЭВД в покое и при физической деятельности (УЭВД), позволяющий определить уровень физической работоспособности человека. Этот индекс определяют по формуле:
УЭВД = УЖЕЛ + УМВЛ/УМОД X 50,
где:
ЖЕЛ, МВЛ и МОД рассчитаны в \% к должным величинам; в условиях физической активности УЭВД определяется отношением физической работы (кгхм/мин) к МОД во время физической работы (л/мин) и измеряется в кгхм/л.
Изменения УЭВД подразделяют на два основных типа — резерв и дефицит.
‘Резерв ЭВД (УЭВД больше 100\%), свидетельствующий о высокой экономичности внешнего дыхания, наблюдается у здоровых людей с хорошим физическим развитием. Наиболее высок резерв ЭВД у высококвалифицированных спортсменов и у лиц тяжёло- го физического труда.
‘Дефицит ЭВД (УЭВД меньше 100\%), характеризующий недостаточную экономичность внешнего дыхания, характерен для большинства детей и пожилых людей, а также для лиц, длительное время находящихся в условиях гипокинезии и детренированности.
Оптимальная экономизация дыхания на протяжении всей жизни человека — важный фактор гармоничного развития организма. Высокий резерв ЭВД должен препятствовать её снижению в среднем и пожилом возрасте. Резерв ЭВД у лиц среднего возраста в пределах 30-40\%, т.е. при УЭВД 130-140\%, позволяет сохранить УЭВД в пожилом возрасте в пределах 100-115\%.
Большое значение ЭВД приобретает при физической деятельности. Физическая работоспособность человека при выполнении им работы с возрастающей мощностью в значительной мере лимитируется степенью повышения МОД. Интенсивный прирост МОД при этом уменьшает экономичность лёгочной вентиляции и снижает физическую работоспособность.
• Фаза повышения ЭВД при физической деятельности (с 16,6 до 25,8 кгХм/л) наблюдается при возрастании мощности физической работы в пределах режима минимальной и средней физической нагрузки (до 800 кгхм/мин).
• Фаза дезэкономизации физической работы происходит в режиме субмаксимальной нагрузки. Так, при нагрузке 1400 кгХм/мин ЭВД снижается до 15,2 кгХм/л.
Таким образом, для наибольшего повышения ЭВД, а также для восстановления утраченной ЭВД вследствие патологических нарушений необходимы систематические физические тренировки с минимальной и средней физической нагрузкой.
Параметры лёгочной вентиляции
У спортсменов и лиц физического труда увеличены максимальные величины лёгочной вентиляции (МВЛ).
Например, у бегунов-стайеров во время бега на длинные дистанции лёгочная вентиляция длительное время поддерживается на уровне 120-140 л/мин. Прирост лёгочной вентиляции у тренированных людей идёт преимущественно за счёт увеличения дыхательного объёма. У нетренированных людей того же возраста и пола МВЛ не превышает 70-100 л/мин.
Мощность и выносливость человека при выполнении физических нагрузок определяется уровнем максимального потребления кислорода (МПК) и способностью длительное время поддерживать высокую скорость потребления О2.
У высококвалифицированных спортсменов значение МПК увеличено (до 80 мл/минХкг веса), что превышает показатели нетренированных людей на 60-80\%.
Вентиляционный анаэробный порог. У хорошо тренированных людей повышается вентиляционный анаэробный порог, то есть мощность работы, начиная с которой лёгочная вентиляция растёт быстрее, чем интенсивность нагрузки.
У нетренированных людей вентиляционный анаэробный порог соответствует мощности нагрузки в пределах 50-60\%; у тренирован- ных спортсменов — 80-85\% от максимального потребления О2.
Транспорт дыхательных газов зависит от ряда факторов:
— работа сердечно-сосудистой системы;
— объём циркулирующей крови;
— количество эритроцитов и гемоглобина.
У тренированных людей все перечисленные звенья транспорта дыхательных газов имеют более высокую мощность. В частности, систолический (ударный) объём сердца, его величина в полной мере характеризуют уровень тренированности сердечно-сосудистой системы.
• В условиях покоя ЧСС значительно уменьшается — у спортсменов находится на уровне 40 и ниже уд./мин, ударный объём
сердца уменьшается на 20-40\%, МОК остаётся таким же или увеличивается незначительно (в среднем на 10\%).
• При физической нагрузке ударный объём сердца и МОК увеличивается по сравнению с нетренированными на 50-60\%, т.е. функциональные резервы миокарда у тренированных лиц намного выше и легко включаются в работу.
Артерио-венозная разница по О2. Высокий уровень работоспособности спортсменов и лиц физического труда зависит не только от величины ударного объёма сердца и МОК, но и от способности его эффективного использования. Эту способность характеризует величина артерио-венозной разницы по О2. Чем она выше, тем эффективней МОК.
По мере тренированности к физическим нагрузкам величина артерио-венозной разницы по О2 закономерно увеличивается. Содержание О2 в смешанной венозной крови у нетренированных лиц снижается в среднем до 55 мл О2/л крови, а у тренированных — до 25 мл О2/л крови.
Таким образом, тренированные люди более эффективно используют один и тот же объём крови, протекающий по тканям и органам, извлекая из него больше О2.
Объём циркулирующей крови (ОЦК). Система крови у лиц с высокой мышечной активностью характеризуется увеличением её объёма в циркуляции. Увеличение объёма крови идёт преимущественно за счёт плазмы, а не массы эритроцитов, что не приводит к увеличению вязкости крови.
У высококвалифицированных спортсменов ОЦК увеличивается на 10-20\% по сравнению с нетренированными лицами.
Кислородная ёмкость крови, которая определяется количеством эритроцитов и гемоглобина, у тренированных и нетренированных лиц остаётся примерно одинаковой.
В то же время кривая диссоциации оксигемоглобина у лиц, тренированных к высоким физическим нагрузкам, приобретает особые качества: сдвиг верхней крутой части влево, а нижней — вправо, т.е. сродство к кислороду гемоглобина в резервуаре лёгочных капилля- ров увеличивается, а в резервуаре тканевых капилляров уменьшается. Этому способствует, прежде всего, повышенное содержание в эритроцитах у тренированных лиц 2,3-дифосфоглицерата. У спортсменов, тренирующих выносливость, концентрация 2,3-дифосфо- глицерата увеличивается в среднем на 15-20\%, что способствует облегчённой отдаче О2 тканям.
Потребление О2 тканями у лиц с повышенной физической активностью также интенсифицируется путём следующих механизмов:
— увеличивается суммарная площадь тканевых капилляров, особенно в мышцах (у спортсменов-стайеров плотность капил- ляров в мышцах составляет 400-500 на 1 мм2 вместо 300-350 на 1 мм2 у нетренированных);
— улучшается транскапиллярный обмен жидкостью и дыхательными газами.
Повышение работоспособности и выносливости к физическим нагрузкам на этапе тканевого дыхания связано также со значитель- ными адаптивными изменениями мышц и метаболических процессов в них:
— у спортсменов и лиц физического труда гипертрофируются работающие мышцы;
— гипертрофия мышечных волокон приводит к значительному увеличению центральных (до 50\%) и поверхностных митохондрий (до 300\%);
— в мышцах увеличивается концентрация миоглобина в 1,5- 2 раза, содержание энергетических субстратов — на 30-50\%, содержание и активность ферментов окислительного метаболизма — в 2-3 раза;
— в такой ситуации мышечные клетки усиливают способность использовать гликоген и жиры. В окислительном метабо- лизме при этом происходит своеобразный сдвиг в сторону жирового обмена, так как он более энергоёмкий, чем углеводный.
Таким образом, длительная тренировка с физическими нагрузками динамического характера приводит к повышению мощности и выносливости организма за счёт приспособительных изменений всех этапов дыхания. Общая схема адаптивных изменений системы дыхания в условиях тренированности к высоким физическим нагрузкам представлена на рис. 7-1.
ПОНИЖЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ
Снижение метаболических процессов в мышечных клетках при длительной гипокинезии приводит к ухудшению функций сокращения и расслабления мышц, в том числе и дыхательных, значительному снижению их силы и выносливости, а, следовательно, и работоспособности.
Рис. 7-1. Адаптивные изменения всех этапов дыхания человека в условиях тренированности к физическим нагрузкам
При отсутствии значительных физических нагрузок в органах дыхания наблюдают нижеперечисленные изменения.
• Сниженные дыхательные объёмы и ёмкости.
• Низкая экономичность внешнего дыхания; как правило, присутствует дефицит УЭВД.
• Грудная клетка малоподвижна, лёгкие расправляются не полностью.
• Частое, неглубокое дыхание со слабым развитием дыхательной мускулатуры и сниженной эластической тягой нередко сопровождается увеличением резистивного и респираторного сопротивления лёгких. Это приводит к снижению форсированного дыхания и МВЛ.
• Сниженная активность синтеза сурфактанта сказывается на расправлении альвеол.
• Слабо развитая капиллярная сеть и уменьшенная площадь альвеолярной поверхности лёгких ведут к снижению диффузионной способности лёгких, особенно при физических нагрузках.
• Диффузия дыхательных газов между тканевыми капиллярами и интерстициальной жидкостью, а также скорость потребления О2 тканями отвечает низкому уровню окислительных процессов в клетках.
Изменения системы дыхания у человека в условиях длительной гипокинезии представлены на рис. 7-2.
Рис. 7-2. Изменения системы дыхания у человека в условиях длительной гипокинезии
ДЫХАНИЕ В УСЛОВИЯХ КИСЛОРОДНОЙ НЕДОСТАТОЧНОСТИ
Термин «экзогенная гипоксическая гипоксия» подразумевает кислородную недостаточность, возникающую при понижении pO2 во вдыхаемом воздухе. В зависимости от длительности воздействия гипоксическая гипоксия может быть острой и хронической.
• Острая гипоксия может развиться в течение нескольких секунд и минут, иногда часов при быстром подъёме на высоту более 5000 м над уровнем моря или вдыхании газовых смесей, содержащих менее 10\% кислорода.
— Критическое значение парциального давления О2 в альвеолярном воздухе для возникновения острой гипоксии составляет от 27 до 33 мм рт.ст.
— Непродолжительное действие острой гипоксии (в течение нескольких минут), как правило, носит обратимый характер.
— Продолжительное действие острой гипоксии приводит к тяжё- лым (часто необратимым) последствиям, вплоть до летального исхода.
• Хроническая гипоксия характеризуется кислородной недостаточностью организма. Например, на высоте 3000 м над уровнем моря во вдыхаемом воздухе составляет 100 мм рт.ст. вместо 149 мм рт.ст., характерного для уровня моря.
Длительное или постоянное пребывание человека в гипоксической среде ведёт к приспособительному изменению органов дыхания,
кровообращения, крови и других функциональных систем, т.е. всех пяти этапов дыхания. Ниже рассмотрены изменения дыхания в начальный период адаптации, при длительном или постоянном пребывании в гипоксических условиях.
Начальный период адаптации
В условиях высокогорья в начальный период адаптации у человека развивается ряд изменений:
• развивается гипервентиляция лёгких за счёт учащения дыхания и увеличения дыхательного объёма;
• увеличивается остаточный объём лёгких за счёт снижения резервного объёма выдоха;
• благодаря усиленной вентиляции раскрываются резервные альвеолы, растёт функциональная остаточная ёмкость лёгких, что приводит к появлению так называемой «функциональной эмфиземы» и увеличению объёма альвеолярного воздуха;
• в первые дни пребывания человека в горах ЖЕЛ снижается за счёт повышения тонуса дыхательных мышц и поднятия диафрагмы в результате вздутия кишечника. При дальнейшей адаптации к высокогорью ЖЕЛ нормализуется.
Частота дыхания зависит от высоты над уровнем моря.
• Дыхание у людей, кратковременно пребывающих в горах, изменяется уже на высоте 1000 м над уровнем моря (в основном за счёт некоторого увеличения глубины дыхания).
• Учащение дыхания хорошо заметно на высоте 2000 м.
• На высоте 3000 м дыхание может не только учащаться, но становиться периодическим, напоминая дыхание Чейна-Стокса. Периодическое дыхание проявляется чаще ночью, во время сна. Механизм этого явления плохо изучен, предполагают, что парадоксальная реакция в дыхании может проявляться в результате снижения чувствительности хеморецепторов к гипоксемии.
Адаптационные реакции дыхания
Благодаря учащению и углублению дыхания на высоте увеличивается минутный объём дыхания (МОД).
Гипервентиляция лёгких способствует повышению напряжения О2 в альвеолах.
Например, при атмосферном давлении 457 мм рт.ст., pO2 во вдыхаемом воздухе 96 мм рт.ст.; благодаря усиленной лёгочной вентиляции pO2 в альвеолах возрастает с 38,5 до 52-55 мм рт.ст. Это спо-
собствует повышению насыщения артериальной крови кислородом
с 65 до 85\%.
Альвеолярная гипервентиляция также понижает парциальное давление углекислого газа в артериальной крови (раСО2).
Кроме положительного эффекта, гипервентиляция на высоте ведёт к отрицательным явлениям, так как она заметно снижает напряжение СО2 в альвеолах и крови. Как следствие развивается респираторный алкалоз — pH крови заметно повышается. Однако выраженная гипокапния и алкалоз удерживаются непродолжительное время, так как включаются другие механизмы компенсации, в частности, изменяется щелочной резерв крови. Через несколько дней пребывания на высоте pH в артериальной и венозной крови нормали- зуется, а щелочной резерв понижается.
Заметно изменяется структура дыхательных путей.
• Слизистая оболочка верхних дыхательных путей, трахеи и бронхов становится отёчной, бокаловидные клетки выделяют значительное количество секрета.
• Реснитчатый эпителий находится в активном состоянии.
• Стенки дыхательных путей содержат полнокровные сосуды.
• Отёк слизистой оболочки и полнокровие стенок дыхательных путей в первые дни пребывания на высоте могут привести к повышению аэродинамического сопротивления при дыхании.
• Со временем отмеченные изменения структуры дыхательных путей нормализуются, но в составе эпителия слизистой оболочки количество бокаловидных клеток остаётся увеличенным.
Несмотря на напряжённую функцию внешнего дыхания в период кратковременного пребывания в горах, насыщение кислородом артериальной крови падает, но в меньшей степени, чем следовало бы ожидать. Это достигается увеличением в альвеолах.
Таким образом, относительное снижение экономичности внешнего дыхания у неадаптированных к горам людей всё-таки позволяет организму адаптироваться к кислородной недостаточности. Этому способствуют реакции сердечно-сосудистой системы и крови.
• В первые дни пребывания в условиях высокогорья увеличиваются ЧСС, ударный объём сердца и МОК.
• Возрастает ОЦК за счёт мобилизации крови из депо.
• Увеличение МОК сопровождается увеличением центрального объёма крови и содержанием крови в капиллярах лёгких.
• Увеличивается линейная скорость кровотока в сосудах.
• У здоровых лиц в первые дни пребывания на высотах 3200- 3600 м над уровнем моря обнаруживается снижение венозного давления, вызванное парадоксальной дилатацией венозных сосудов большого круга в ответ на симпатическую активацию.
• Транспорт О2 к тканям облегчается за счёт увеличения кислородной ёмкости крови и увеличения количества функционирующих капилляров, проницаемость которых также повышена.
Кривая диссоциации оксигемоглобина. Усиление поглощения О2 гемоглобином из воздуха альвеол и отдачи его тканям у человека в условиях высокогорья может осуществляться за счёт изменения сродства гемоглобина к кислороду и изменения кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 7-3).
Рис. 7-3. Влияние напряжения СО2 на кривую диссоциации оксигемоглобина
Реакции миокарда. Наиболее выраженные сдвиги в газотранспортной функции сердечно-сосудистой системы и крови выявляются в первые дни пребывания на горных высотах, так как организм мобилизует в экстренном порядке все механизмы защиты от дефицита О2. Так, происходит своеобразная перестройка фазовой структуры систолы левого желудочка. В целом эта перестройка свидетельствует об
усилении сократительной способности сердца, однако она часто приводит к развитию синдрома острого утомления миокарда. На высоте 3200 м этот синдром удерживается на протяжении 2-3 недель, а на высоте 3600 м этот срок растягивается на 4 нед и более. В дальнейшем миокард, особенно правого желудочка, начинает гипертрофироваться, а концентрация миоглобина в миокарде увеличиваться.
Дизадаптация и дезадаптация. Описанные изменения в системе дыхания и газообмена являются результатом адаптивных реакций в ответ на воздействие высокогорной гипоксии. Однако человек может адаптироваться лишь до определённой высоты, выше которой наблюдается нарушение и срыв приспособительных реакций, т.е. дизадаптация и дезадаптация. Пределом, где возможна адаптация человека, родившегося на уровне моря, является высота 4500-5200 м над уровнем моря.
Стадия стабильной адаптации
Через 3-4 недели пребывания на горных высотах наблюдаются следующие изменения.
• Частота дыхания урежается, а минутный объём дыхания (МОД) и объём альвеолярной вентиляции снижаются. Однако МОД остаётся у акклиматизированных мигрантов на высоком уровне, превышая равнинные нормативы.
• рO2 в альвеолах остаётся пониженным, а выраженность потери углекислоты заметно уменьшается — раСО2 оказывается несколько выше, чем на начальном этапе адаптации.
• Длительное пребывание на высоте ведёт к увеличению ЖЕЛ, резервных объёмов вдоха и выдоха, остаточного объёма и общей ёмкости лёгких.
• Адаптивная перестройка лёгочных объёмов и ёмкостей сопровождается увеличением площади альвеолярной и капиллярной поверхности лёгких.
• Увеличивается максимальная вентиляция и диффузионная способность лёгких.
• Потребление О2 и основной обмен чаще нормализуются, а максимальное потребление кислорода (МПК) повышается.
• Плотность капилляров в периферических тканях возрастает.
• Кислородная ёмкость крови увеличивается за счёт увеличения количества эритроцитов и гемоглобина.
• Артерио-венозная разница по О2 достоверно увеличивается.
• Лёгочная артериальная гипертензия у мигрантов, длительно
пребывающих в горах, сохраняется и сопровождается умеренно выраженной гипертрофией правого отдела сердца и мышечного слоя сосудов малого круга кровообращения.
• У адаптированных мигрантов показатели внешнего дыхания и газообмена не достигают уровня, характерного для аборигенов высокогорья.
• Адаптированные люди способны в большей степени увеличивать вентиляцию лёгких, имеют более выгодный уровень экономичности внешнего дыхания, чем неадаптированные. У адаптированных не наблюдается существенных сдвигов в кислотно-щелочном равновесии.
Таким образом, при длительном пребывании человека на высоте в горах мощность и экономичность всех этапов дыхания значительно увеличиваются, но не достигают уровня, характерного для абориге- нов высокогорья.
Естественная адаптация
У постоянных жителей (аборигенов) горных массивов наблюдают:
• некоторое учащение дыхания и увеличение лёгочной вентиляции;
• увеличение всех дыхательных объёмов и ёмкостей лёгких;
• увеличение диффузионной способности лёгких;
• повышение газотранспортной функции сердечно-сосудистой системы и крови;
• повышение диффузии дыхательных газов в тканях;
• повышение скорости потребления О2 тканями;
• повышение максимального потребления кислорода (МПК);
• увеличение мощности и экономичности всей системы дыхания;
• снижение чувствительности хеморецепторов к гипоксии.
Основное различие в адаптации аборигенов и мигрантов в условиях высокогорья сводится к тому, что у первых адаптация имеет естественный характер, тогда как у вторых она приобретается путём сложных перестроек всех функциональных систем, ответственных за дыхание.
ДЫХАНИЕ В УСЛОВИЯХ ИЗБЫТКА КИСЛОРОДА
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) возникает декомпрессия. 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 м требует 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.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. В каких структурах дыхательной системы происходят изменения при повышенной двигательной активности?
2. Какие изменения в вентиляции лёгких наблюдаются при повышенной двигательной активности?
3. Как реагирует система транспорта дыхательных газов на повышенную двигательную активность?
4. Какие адаптивные изменения в системе дыхания наблюдаются при адаптации к пониженной двигательной активности?
5. Назовите критическое значение парциального давления О2 в альвеолярном воздухе, при котором возникает острая гипоксия.
6. Какие адаптивные изменения в системе дыхания наблюдаются в начальный период адаптации к высокогорью?
7. Дайте определение первичной высотной артериальной лёгочной гипертензии.
8. Какие виды гипероксии вы знаете?
9. Какие изменения в системе дыхания наблюдаются при действии высоких температур?