Экстремальные условия гипербарической среды обитания

Освоение человеком подводного мира особенно стремительно прогрессирует в течение последнего столетия. Это связано с необходимостью разработки шельфовой зоны полезных ископаемых, строительством и эксплуатацией плавучих буровых установок, расширением сферы специфических задач надводных и подводных флотов вооруженных сил, научными задачами, обусловленными биологическими, океанологическими, гидрографическими проблемами.

При использовании нормобарических подводных лодок и аппаратов человек защищен от воздействия высокого давления среды прочным корпусом батискафа или лодки. При осуществлении водолазных работ человек подвергается комплексному воздействию факторов повышенного давления водной и газовой среды, что при определенных условиях может создавать повышенные и высокие нагрузки на гомеостатику организма.

Схема 41

Формирование системы компенсаторно-защитных, адаптационных механизмов, в процессе подготовки, полета и возвращения космонавта

Выделяют три группы специалистов, работающих под водой: водолазы, осуществляющие различные виды работ в течение нескольких часов под давлением методом кратковременных погружений с использованием кислорода (до глубин 20 м вод.ст.), сжатого воздуха и искусственных газовых смесей (до 60 м). Затем, водолазы-глубоководники, производящие работы от нескольких минут до нескольких часов методом кратковременных погружений с использованием для дыхания искусственных газовых смесей, на глубинах 60 – 200 м вод.ст. И акванавты – водолазы и водолазы-глубоководники, работающие в условиях постоянного пребывания под повышенным давлением, от одних суток до нескольких месяцев методом длительных погружений на глубинах от 5 до 30 м вод.ст. на сжатом воздухе и на глубинах от 5 до 500 м вод.ст. и более с использованием искусственных газовых смесей.

Действию повышенного давления подвергаются также кессонщики-специалисты, работающие под водой без специального снаряжения в особых устройствах – кессонах, в которых создается повышенное давление при постоянной вентиляции сжатым воздухом до давлений 40 м вод.ст.

Если учесть, что подводный любительский спорт в последнее время (особенно после изобретения акваланга) получил массовое распространение, то можно представить себе, какое количество людей подвергается воздействию факторов повышенного давления водной и газовой среды. Несмотря на довольно жесткие правила и требования к технике безопасности погружений, подобная массовость приводит и к неоправданно большому количеству экстремальных ситуаций, связанных с неопытностью людей, пренебрежением и несоблюдением правил декомпрессии и состоянию техники.

Показано, что человек может опускаться и эффективно работать на глубинах до 500 м. При этом, с использованием специальных гипербарических береговых комплексов – до 700 м с пребыванием на глубине до нескольких суток, используя кислородно-гелиевые смеси (КГС), кислородно-азотно-гелиевые смеси (КАГС), кислородно-азотно-водородно-гелиевые смеси (КАВГС) или дыхательные газовые смеси (ДГС). Все это стало возможно благодаря широкому комплексу научно-исследовательских работ, в которых изучалось действие высокого гидростатического давления и повышенного парциального давления индифферентных газов, кислорода и смесей их на организм человек. Здесь следует отметить, что в группу инертных газов входят: криптон, ксенон, неон, аргон, гелий, водород и азот. Большинство из них используется в газовых смесях при глубоководных погружениях.

Гипербарическая физиология, изучающая реакции человеческого организма (или организма животных в эксперименте), является одним из разделов экстремальной физиологии. Было установлено, что повышенное гидростатическое давление оказывает неоднозначное действие на организм. На первых стадиях оно стимулирует, а затем угнетает физиологическую активность и моторные функции. Оказалось, что чем сложнее организация живых существ, тем они менее устойчивы к действию повышенного давления. В исследованиях П. Бриджмена (1948) и М. Гоникберга (1960) было установлено, что высокое гидростатическое давление угнетает биохимические реакции, идущие с увеличением объема конечных продуктов и стимулирует реакции, протекающие с уменьшением их объема.

Интересно отметить, что гидростатическое давление свыше 500 – 700 МПа вызывает изменения в структуре белка, аналогичные с изменениями под действием высокой температуры. При снижении давления гидростатическая «коагуляция» белка обратима.

Установлено, что под действием высокого гидростатического давления у теплокровных животных возникают эффекты так называемого нервного синдрома высоких давлений (НСВД). При этом вначале наблюдается общее возбуждение, вслед за которым появляется мелко– и крупноамплитудный тремор, далее следуют отдельные миоклонии, клонические, клонико-тонические судороги, параличи и наступает гибель.

Было обнаружено, что индифферентные газы обладают наркотическим действием на организм. При этом ксенон и криптон выявляют наркотический эффект даже при нормальном барометрическом давлении, аргон свыше 0,2 МПа, азот при 0,6 МПа, водород при 2,0 МПа. Наркотическое действие неона и гелия в экспериментах обнаружено не было, поскольку под давлением раньше возникают симптомы НСВД.

Еще в 1919 г. Э. Томпсоном было предложено использовать кислородно-гелиевую смесь для дыхания водолазов при глубоководных погружениях. А в 1934 г. А. Барач впервые успешно использовал кислородно-гелиевую смесь для лечения бронхиальной астмы и обструкций гортани.

Здесь необходимо подчеркнуть, что наиболее важный для жизни газ – кислород, при дыхании в чистом виде и при повышенном давлении более 0,2 – 0,4 МПа становится токсичным. При этом, в диапазоне давлений 0,3 – 0,4 МПа кислород (без эритроцитов и гемоглобина) может обеспечивать основные жизненные функции за счет физического растворения в жидких тканях и средах организма.

Установлено, что резкие перепады давления (в 0,03 МПа и более) между внешней средой и воздухоносными полостями организма человека приводят к различным баротравмам. Однако, китообразные (особенно киты и кашалоты) при нырянии на большие глубины в процессе эволюции выработали ряд специфических физиологических механизмов, позволяющих в 3 – 5 раз увеличивать содержание миоглобина в мышцах. У этих животных гораздо большее количество альвеол и капилляров, иное перераспределение крови в органах и тканях.

Кашалоты, например, ныряют на глубины до 2000 м и при этом могут задерживать дыхание до 1,5 ч.

В результате процессов сатурации и десатурации газов в тканях организма, происходит насыщение тканей газами или обратный процесс – выделение газов, причем для разных тканей с различной скоростью. Чем выше скорость снижения давления (при подъеме на поверхность), тем быстрее идет процесс свободного газообразования в тканях, лимфе, крови. Симптоматика проявлений декомпрессионной болезни достаточно характерна: от легких болей в суставах до клиники газовой эмболии с потерей сознания и летальным исходом.

При высокой степени насыщения тканей организма индифферентными газами проявляется определенный комплекс приспособительных реакций, который во многом обусловлен психофизиологическими резервами организма. Этот принцип используется для осуществления так называемых длительных погружений (ДП). Физиологический предел возможности пребывания человека в условиях гипербарии, согласно современным представлениям, ограничен глубинами 800 – 1000 м вод.ст. При использовании кислородно-азотно-гелиевых смесей достигнута глубина 666 м (П. Беннетт, университет Дьюка). В экспериментальном барокомплексе фирмы «Комекс» с использованием кислородно-азотно-водородно-гелиевой смеси испытателями была достигнута «глубина» 701 м (Б. Гардетт, 1993).

Современная гидронавтика рассматривает различные гипербарические объекты: подводные лодки, батискафы, скафандры, подводные жилища и гипербарические комплексы; как экологические системы со своими специфическими особенностями, т.е. как гипербарические экосистемы. Эти системы можно определить, как пространственно замкнутые системы длительного поддержания жизнедеятельности человека в условиях повышенного давления газовой и водной среды обитания. В отличие от природных экосистем, существующих за счет энергии Солнца, гипербарические экосистемы должны поддерживаться искусственными энергетическими устройствами. Вполне понятно, что все гипербарические экосистемы по способу питания являются гетеротрофными, так как получают готовое питание извне.

Поскольку плотность газовой среды в условиях высокого давления в 6 – 10 раз выше, чем при обычных условиях, функция внешнего дыхания человека значительно затруднена. Значительные сложности создают длительные сроки (до двух недель) выведения человека из условий пребывания под повышенным давлением. Это связано с медленным выделением из тканей и жидкостей организма растворенных в них газов. В большинстве глубоководных спусков периоды компрессии и декомпрессии занимают до 60 – 90% всего времени.

Необходимо отметить, что высокое давление, измененные параметры микроклимата и необычная газовая среда могут вызвать неоднозначные и непредсказуемые реакции микроорганизмов, которыми буквально насыщен человеческий организм и которые могут находиться в воздушной замкнутой среде. Эти особенности проявлений микрофлоры могут быть неблагоприятны для здоровья и работоспособности человека.

Из всего вышесказанного с полной очевидностью следует, что исследование гипербарических экологических систем представляется сложнейшей задачей технического, биологического и медицинского планов. Не менее очевидно также, что условия обитания в замкнутых гипербарических экосистемах для человека являются экстремальными.

Одно из современных направлений науки – экстремальная физиология и медицина – изучает реакции человеческого организма на воздействие различных, экстремальных факторов внешней среды, в том числе и связанных с условиями гипербарии.

Специфические и неспецифические экстремальные факторы, воздействующие на водолаза, можно разделить на три группы:

1. Факторы, связанные с физико-химическими свойствами газов под давлением.

2. Факторы, связанные с физико-химическими свойствами воды и гидросферой.

3. Факторы, связанные со свойствами замкнутого газового пространства, создаваемого гипербарической техникой.

Вполне очевидно, что в условиях повышенного давления действует весь комплекс вышеперечисленных факторов, но ведущими факторами являются, прежде всего, гидростатическое и атмосферное давление и измененное парциальное давление кислорода и индифферентных газов-разбавителей кислорода.

Анализ литературных данных и собственных исследований позволили автору (д.м.н. Б.Н. Павлов) сформировать картину действия на организм человека гидростатического давления и высокого парциального давления индифферентных газов (схема 42).

Схема 42

Взаимодействие главных факторов: гидростатического давления и высокого парциального давления индифферентных газов на организм

Таблица 6

Физиологические критерии, определяющие вклад гидростатического давления в формирование НСВД на разных уровнях организма

Исследования психофизиологических реакций организма человека при воздействии гипербарии были ориентированы на поиск воздействий и газового состава, которые формировали индукционно-анаболическую фазу адаптации.

Динамика электрофизиологических показателей и показателей умственной работоспособности служили основанием для определения перехода организма во вторую стадию адаптации – стадию снижения резистентности. При проявлении симптоматики такого перехода нагрузочные пробы отменялись и проводилась декомпрессия. Этот прием позволил во всех экспериментах с участием человека избежать перехода к третьей стадии адаптации к гипербарии – стадии истощения, которая чревата декомпенсацией жизненно важных функций и возникновением патологических состояний.

В экспериментах на животных исследовались три последних симптома НСВД (клонические судороги, клонико-тонические судороги, паралич и смерть). Исследовалось также токсическое действие кислорода, скрининг и доклинические испытания фармацевтических препаратов, используемых в условиях гипербарии, острое гипоксическое состояние и декомпрессионная болезнь.

Б.Н. Павловым, на основании исследований механизмов гипербарии, была сформулирована концепция «Целенаправленной, активной адаптации человека к условиям гипербарии», суть которой заключается в том, что адаптация человека к гипербарической среде целенаправленно реализуется им самим в плановом порядке по трем основным направлениям:

1. Целенаправленное повышение неспецифической и специфической гипербарической резистентности к экстремальным факторам гипербарической среды осуществляется путем совершенствования, тренировки механизмов приспособляемости.

2. Оптимизация, на основе научного подхода, состава гипербарической среды обитания, параметров микроклимата, режимов декомпрессии, компресс труда и отдыха для уменьшения агрессивности воздействия на организм неблагоприятных факторов и повышение безопасности труда и жизни в сочетании с конструированием (созданием) индивидуального снаряжения гермообъектов с высокоэффективными техническими средствами жизнеобеспечения, средств обеспечения безопасности водолазных спусков и подводных работ.

3. Фармакологическая профилактика и защита организма человека от неблагоприятного действия факторов гипербарии.

В результате проведенных скрининговых исследований было установлено, что при развитии НСВД наиболее эффективно повышают порог возникновения тремора и судорог препараты бенздеазепинового ряда, особенно гидазепам. Клинические испытания эффективности гидазепама по профилактике и купированию НСВД, возникающего у человека в условиях быстрой компрессии (0,2 МПа в мин) до 200 м вод.ст. при дыхании кислородно-гелиевой смесью, позволили разработать и утвердить инструкцию по использованию гидазепама в качестве средства профилактики НСВД при быстрой, аварийной компрессии до глубин 300 м.

Было установлено перспективное применение водорода для уменьшения неблагоприятного действия на организм высокого давления, проявляющегося в последовательном возникновении постурального и динамического тремора, отдельных миоклоний, клонических судорог, клонико-тонических судорог и гибели. Как уже указывалось выше, последние стадии НСВД изучаются только на животных.

Для оценки безопасности пребывания и изучения механизмов адаптации организма человека к среде, содержащей аргон, были проведены исследования с участием человека, целью которых было изучение дыхательной функции, сердечнососудистой системы, умственной к физической работоспособности, показателей крови и мочи в гипербарических условиях насыщенного погружения.

В результате этих исследований была доказана принципиальная возможность и безопасность жизнедеятельности и работы человека при длительном пребывании в нормоксической кислородно-азотно-аргоновой среде под давлением 10 м вод.ст. в течение 7 суток. В этих исследованиях было также установлено, что присутствие аргона в дыхательных смесях оказывает положительное влияние на адаптацию организма к кратковременной гипоксии, что подтверждается данными исследований физической работоспособности, ЭЭГ исследованиями, исследованиями умственной работоспособности, функции внешнего дыхания и сердечнососудистой системы.

Исследования с участием человека позволили установить, что длительное (до 5 суток) пребывание людей в гипоксических кислородно-азотно-аргоновых и кислородно-азотных средах, в которых при избыточном давлении газовой среды 5 м вод.ст. концентрация кислорода составляет 10 об.%, является безопасным, так как по данным исследований сердечнососудистой и дыхательной систем, клинико-биохимичecких анализов крови и мочи, умственной и физической работоспособности не отмечено изменений, выходящих за пределы физиологической нормы.

В следующих экспериментах с увеличением длительности до 18 суток в кислородно-азотно-аргоновой среде, при избыточном давлении 5 м вод.ст. и объемным содержанием кислорода 15% подтверждена безопасность пребывания людей в этой искусственной газовой среде и высокая умственная и физическая работоспособность.

В сравнении с гипоксической кислородно-азотной средой получены данные о положительной роли аргона при адаптации организма человека к длительной гипоксической гипоксии. Эти результаты убедительно свидетельствуют о том, что в гермообъектах может быть создана пожаробезопасная среда, длительно поддерживающая жизнедеятельность человека. Как известно, среда с 10% кислорода практически является пожаробезопасной. В качестве такой среды может быть предложена кислородно-азотно-аргоновая среда с содержанием 10% кислорода, 30 – 60% азота и 30 – 60% аргона при избыточном давлении 5 м вод.ст. Полученные результаты позволяют говорить о физиологическом действии аргона при нормальном барометрическом давлении, отличающимся от биологического наркотического действия аргона, начинающего проявляться при избыточном давлении более 20 м вод.ст. В исследованиях с участием человека при нормальном барометрическом давлении показано, что потребление кислорода при выполнении физических нагрузок в гипоксических аргон-содержащих смесях больше, чем в гипоксических азотных смесях.

Таким образом, проведенными исследованиями была подтверждена суть концепции о физиологической активности «метаболически индифферентных (в т.ч. инертных) газов», заключающаяся в том, что индифферентный газ (в данном случае – аргон) влияет на обмен веществ в тканях организма. Полученные результаты экспериментальных исследований экстремального воздействия гипербарической среды на организм человека позволили не только раскрыть механизмы адаптации к гипербарии, но и обосновать и апробировать новые методы профилактики неблагоприятного действия гипербарической среды, а также поставить ряд принципиально новых вопросов влияния индифферентных газов на жизненные процессы. Решение этих вопросов позволит создавать новые, более совершенные устройства и методы для освоения глубин Океана.

Несмотря на то, что человек, как и все живое, вышел из Океана, и жизнь без воды невозможна, все же водная среда, как среда обитания, чужда человеческому организму. На протяжении миллиардов лет организм млекопитающих приспосабливался к дыханию в воздушной, а не в водной среде. Однако загадкой для нас являются представители семейства китообразных. Что заставило далеких предков этих животных много миллионов лет назад покинуть сушу и возвратиться в Океан? Эти животные (копытные) уже тогда обладали достаточно развитым мозгом и вполне могли претендовать на создание цивилизации в будущем. Однако совсем другие существа (приматы) не только создали человеческую цивилизацию, но и поставили на грань катастрофы все живое на планете Земля. Китообразные (особенно дельфины) за фантастически короткий срок сумели так преобразовать конструкцию тела и адаптивные механизмы, что стали, в полном смысле этого слова, гармоничной частью водной среды. Сохранив при этом, черты организации теплокровных животных. Удивительно, но мозг дельфинов по отношению к весу тела в более выгодном положении, чем наш, человеческий мозг. Их кора имеет большее количество извилин, чем у приматов, а конструкция аппарата передвижения в водной среде вообще уникальна: при движении вокруг тела дельфина практически не создается турбулентных завихрений, на преодоление которых необходимо затрачивать значительное количество энергии. Способы коммуникации этих животных также не менее удивительны: при общении они используют ультразвук и, более того, знакомы с зонами океанической воды, в которых звук распространяется с минимальными потерями, вследствие скачкообразных изменений плотности и солености воды.

Об этих удивительных животных можно было бы рассказать еще очень многое, поскольку широко и давно известна их привязанность к людям, стремление к общению, которое человек, увы, пытается использовать далеко не в лучших целях...

Но задачи данного пособия и данного раздела несколько иные и нам остается только констатировать, что тщательное изучение природы поведения тех же дельфинов в водной среде, исследование внутренних механизмов регуляции их гомеостаза могло бы дать интересный и полезный материал для человека, ищущего пути в Океан. Только мы вторгаемся в него, порой, как интервенты, безжалостно эксплуатируя свою бывшую колыбель, вместо того, чтобы сохранить все, что подарил нам Океан и что он, несомненно, еще откроет перед нами, если, разумеется, не произойдет нечто непоправимое, и человек просто не успеет, подобно дельфинам (миллионы лет назад) стать такой же гармоничной частью водной среды, как и эти удивительные существа.

Такие исследования ведутся, в том числе и у нас, в России. Известны Севастопольский и Кара-Дагский дельфинарии, Беломорская биологическая станция, Дальневосточный дельфинарий. Остается только надеяться, что проблемы экстремальных состояний человека, связанные с необходимостью работы, спорта и отдыха под водой будут когда-нибудь успешно решены. В том числе и с помощью наших верных друзей – дельфинов.

Завершая этот раздел, хотелось бы еще раз подчеркнуть, что необходимость разработки методов и технических устройств для пребывания человека в водной среде, связаны не только с чисто техническими задачами, задачами медико-биологического плана и всем кругом организационных задач современной науки, разрабатывающей проблему «Человек – Океан».

Эта необходимость диктуется жесткими условиями, связанными с экстремальными проявлениями водной среды по отношению к человеку и человека по отношению к водной среде. Так, что рассматриваемая ранее система экстремум – антиэкстремум, в данном приложении должна учитывать все нюансы глубокой взаимосвязи между водной средой и человеком, между техникой, созданной человеком и последствиями вторжения этой техники в водную среду. Безопасность должна быть взаимной!