Работоспособность человека в экстремальных условиях окружающей среды

Работоспособность в условиях пониженного атмосферного давления

Рассмотрим изменения, происходящие в окружающем воздухе и как следствие в организме человека при подъеме в горы. До высоты 1500 м видимых изменений в функционировании организма не происходит. Начиная с этой высоты наблюдаются нарастающие изменения в организме. Для обозначения не безразличных для человека высот (начиная с 1500 м) используется понятие высокогорье. Для обозначения коридора высот от 1500 до 2500 м используется термин среднегорье.

На уровне моря (до 500 м над уровнем моря), где действует сила тяжести в 1 g, давление воздуха составляет 760 мм рт. ст. Давление обычно колеблется в пределах 730−760 мм рт. ст. Поскольку содержание кислорода в воздухе — 20,93%, его парциальное давление равняется 153 мм рт. ст. При подъеме в горы вес столба воздуха и, соответственно, давление, под которым он находится, уменьшаются при неизменном процентном/долевом соотношении между газами, входящими в состав смеси (табл. 6). Это означает, что в каждом объеме вдыхаемого воздуха содержится меньше молекул кислорода, чем на уровне моря, и парциальное давление О2 уменьшено. В альвеолярном воздухе содержание кислорода и его парциальное давление также уменьшены. В артериальной крови парциальное напряжение кислорода близко к его парциальному давлению в альвеолярном воздухе и, следовательно, также снижено. Таким образом, к периферическим тканям, в частности к мышцам, доходит меньше кислорода под меньшим парциальным напряжением, т. с. условия снабжения мышц кислородом ухудшаются.

Таблица 6.

Характерной особенностью высокогорных условий является низкая температура окружающего воздуха. При подъеме на каждые 1000 м температура воздуха уменьшается на 6,5°. Если на уровне моря она составляет 15 °C, то на Эвересте она равняется — 40 °C. Влажность воздуха зависит от температуры, поэтому в горах она очень низкая. Вследствие этого в горах при дыхании человек теряет много влаги с неощущаемой перспирацией.

Дыхательная система. Уменьшение содержания кислорода в артериальной крови вызывает изменение импульсации, идущей от хеморецепторных зон дуги аорты и каротидного синуса, и активирует дыхательный центр. Происходит усиление легочной вентиляции, на высоте 4000 м в покое и при умеренно интенсивной работе достигающее 50%. Усиление легочной вентиляции способствует некоторому увеличению парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе, но оно все равно остается ниже, чем на уровне моря. Потребление кислорода также остается уменьшенным. Отношение легочной вентиляции к потреблению кислорода увеличивается, т. с. эффективность внешнего дыхания в горах снижена.

Усиление легочной вентиляции способствует усиленному выделению углекислого газа из организма и, следовательно, уменьшению его содержания в крови. Таким образом, дыхательный центр оказывается под действием двух химических стимулов, действующих в противоположных направлениях: стимулирующее деятельность дыхательного центра низкое содержание кислорода в крови и тормозящее, низкое, содержание углекислого газа. Величина легочной вентиляции оказывается результирующей действия этих двух противоположно направленных стимулов. Уменьшение углекислого газа при неизменном содержании бикарбоната вызывает защелачивание крови, что плохо переносится организмом. Кислотно-основное равновесие (КОР) выравнивается в течение нескольких дней за счет выведения почками «излишка» бикарбоната.

Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе на уровне моря составляет примерно 120 мм рт. ст. На высоте 2500 м оно уменьшается до 95 мм рт. ст., т. с. процессы оксигснации крови находятся еще в пределах плоской части кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 9). Процентное насыщение гемоглобина кислородом в этих условиях составляет 90%. При дальнейшем подъеме в горы давление кислорода в альвеолярном воздухе и его напряжение в крови попадают на крутую часть кривой диссоциации оксигемоглобина, и способность крови к связыванию и транспортировке кислорода значительно снижается. Уменьшение насыщения крови кислородом до 80% от нормы сопровождается развитием глубокой гипоксии, вызывающей усталость, головную боль, нарушения сна. Этот комплекс симптомов называется " горная болезнь" .

Парциальное напряжение кислорода в артериальной крови несколько ниже, чем его парциальное давление в альвеолярном воздухе. На уровне моря в артериальной крови оно составляет примерно 100 мм рт. ст. На высоте 2500 м оно уменьшается до 60 мм рт. ст. Парциальное напряжение кислорода в мышечной ткани составляет примерно 20 мм рт.ст. и практически не изменяется с высотой. Это означает, что градиент давлений, определяющий транспорт кислорода из крови в мышечные клетки, равен 80 мм рт. ст. на уровне моря, а на высоте 2500 м он уменьшается до 40 мм рт. ст., т. е. на 50%. Это обусловливает значительное ухудшение транспорта кислорода в ткани. С ухудшением доставки кислорода в работающие мышцы связано усиление накопления лактата и водородных ионов при выполнении в горах стандартной мышечной работы. Накопление кислых продуктов на высоте начинается при работе меньшей интенсивности, чем на уровне моря (порог анаэробного обмена снижается).

Рис. 9. Кривая диссоциации оксигемоглобина. Стрелками показан процент насыщения гемоглобина кислородом на разных высотах

Максимальное потребление кислорода с увеличением высоты уменьшается, причем заметное снижение начинается с уровня около 1500 м, соответствующего парциальному давлению кислорода в атмосферном воздухе — 125 мм рт. ст. На высоте Эвереста МПК падает до 10−25% от его значения на уровне моря. Чем выше исходная величина МПК, тем больше оно будет на высоте. Поэтому при работе на высоте преимущества имеют спортсмены с более высоким исходным аэробным потенциалом. По-видимому, те немногие альпинисты, которым удалось покорить восьмитысячники без кислородных аппаратов, имели относительно высокие показатели МПК.

Система крови. При пребывании на высоте в результате значительных потерь жидкости при дыхании и развивается дегидратация, сопровождающаяся уменьшением объема циркулирующей крови. Объем плазмы в горах начинает уменьшаться уже через несколько часов после прибытия, и этот процесс продолжается в течение нескольких недель. Общее количество эритроцитов в крови при этом не меняется. В результате концентрация эритроцитов и показатель гематокрита увеличиваются, т. е. происходит увеличение кислородтранспортных возможностей данного объема крови. Для борьбы с развивающейся дегидратацией в горах рекомендуется много пить.

Сердечно-сосудистая система. Возникающее в результате усиленного выделения влаги из организма уменьшение объема циркулирующей крови и увеличение ее вязкости приводят к изменениям в функционировании сердечно-сосудистой системы. Происходит уменьшение систолического объема. Это означает, что для обеспечения того же сердечного выброса требуется увеличенная ЧСС. Поэтому в покое и при стандартной аэробной работе ЧСС в первые дни пребывания в горах выше, чем на уровне моря. Одним из механизмов увеличения МОК на высоте является усиленное сужение венозных сосудов, приводящее к увеличению венозного возврата и центрального объема крови. Усиление сужения вен происходит из-за снижения напряжения углекислого газа в крови. Уже через несколько дней начинается адаптация сердечно-сосудистой системы к пребыванию на высоте. Мышцы извлекают больше кислорода из крови, артериовенозная разница по кислороду увеличивается, потребность в увеличенном МОК пропадает.

Через 10 дней пребывания на высоте МОК уменьшается до исходного уровня и даже ниже. При выполнении на высоте максимальной аэробной работы максимальные ЧСС и систолический объем оказываются уменьшенными, следовательно, уменьшается и МОК. По-видимому, снижение содержания кислорода в артериальной крови, а также уменьшение МОК в сочетании со сниженным градиентом напряжения кислорода для его транспорта из крови в ткань определяют уменьшение МПК на высоте.