Особенности дыхания под водой

Для нормальной жизнедеятельности человека, так же как и абсолютного большинства живых организмов, необходим кислород. В результате обмена веществ кислород связывается с атомами углерода, образуя диоксид углерода (углекислый газ). Совокупность процессов, обеспечивающих обмен этих газов между организмом и окружающей средой, называется дыханием.

Поступление в организм человека кислорода и выведение из организма углекислого газа обеспечивается дыхательной системой. Она состоит из дыхательных путей и легких. К верхним дыхательным путям относятся носовые ходы, глотка и гортань. Дальше воздух поступает в трахею, которая делится на два главных бронха. Бронхи, постоянно раздваиваясь и истончаясь, формируют так называемое бронхиальное дерево легких. Каждая бронхиола (самые тонкие разветвления бронхов) заканчивается альвеолами, в которых и происходит газообмен между воздухом и кровью. Общее количество альвеол у человека - приблизительно около 700 миллионов, а их суммарная поверхность равна 90-100 м2.

Поверхность дыхательных путей, кроме поверхности альвеол, непроницаема для газов, поэтому пространство внутри воздухоносных путей называют мертвым пространством. Его объем у мужчин в среднем составляет около 150 мл, у женщин -100 мл.

Воздух попадает в легкие вследствие отрицательного давления, создаваемого при их растяжении диафрагмой и межреберными мышцами во время вдоха. При обычном дыхании активным является только вдох, выдох происходит пассивно, благодаря расслаблению мышц, обеспечивающих вдох. Лишь при форсированном дыхании включаются в работу мышцы выдоха, обеспечивающие в результате дополнительного сжатия грудной клетки максимальное уменьшение объема легких.

Частота и глубина дыхания зависят от физической нагрузки. Так, в состоянии покоя взрослый человек совершает 12-24 дыхательных цикла, обеспечивая вентиляцию легких в пределах 6- 10 л/мин. При выполнении тяжелой работы частота дыхания может повышаться до 60 циклов в минуту, а величина легочной вентиляции достигать при этом 50-100 л/мин. Глубина дыхания (или дыхательный объем) при спокойном дыхании составляет обычно небольшую часть общей емкости легких. При увеличении легочной вентиляции дыхательный объем может возрасти за счет резервного объема вдоха и выдоха. Если зафиксировать разницу между самым глубоким вдохом и максимальным выдохом, то получается величина жизненной емкости легких (ЖЕЛ), в которую не входит только остаточный объем, удаляемый лишь при полном спадении легких.

Регуляция частоты и глубины дыхания происходит рефлекторно и зависит от количества в крови углекислого газа, кислорода и от рН крови. Главным стимулом, управляющим процессом дыхания, является уровень углекислого газа в крови (с этим параметром связана также величина рН крови): чем выше концентрация СО2, тем больше легочная вентиляция. Уменьшение количества кислорода влияет на вентиляцию легких в меньшей степени. Это связано со спецификой связывания кислорода с гемоглобином крови. Значительное компенсаторное увеличение легочной вентиляции наступает только после падения парциального давления кислорода в крови ниже 12-10 кПа.

Как же влияет на процесс дыхания погружение под воду? Рассмотрим сначала ситуацию плавания с трубкой. Дыхание через трубку значительно затрудняется уже при погружении на несколько сантиметров. Это происходит вследствие того, что повышается сопротивление дыханию: во-первых, при погружении мертвое пространство увеличивается на величину объема дыхательной трубки, а во-вторых, чтобы совершить вдох, дыхательные мышцы вынуждены преодолевать повышенное гидростатическое давление. На глубине 1 м человек может дышать через трубку не более 30 с, а на больших глубинах дыхание практически невозможно в первую очередь из-за того, что дыхательные мышцы не могут преодолеть давление столба воды, чтобы сделать вдох с поверхности. Оптимальными считаются дыхательные трубки длиной 30-37 см. Использование более длинных дыхательных трубок может привести к нарушениям работы сердца и легких.

Еще одной важной характеристикой, влияющей на дыхание, является диаметр трубки. При малом диаметре трубки не поступает достаточно воздуха, особенно если возникает необходимость выполнить какую-либо работу (например, быстро плыть), а при большом диаметре значительно увеличивается объем мертвого пространства, что также сильно затрудняет дыхание. Оптимальные значения диаметра трубки 18-20 мм. Использование нестандартной по длине или по диаметру трубки может привести к непроизвольной гипервентиляции.

При плавании в автономных дыхательных аппаратах основные затруднения при дыхании также связаны с повышением сопротивления вдоху и выдоху. Менее всего влияет на повышение сопротивления дыханию расстояние между так называемым центром давления и коробкой дыхательного автомата. «Центр давления» был установлен Джарреттом в 1965 г. Он находится на 19 см ниже и на 7 см сзади от яремной впадины. При разработке различных моделей дыхательных аппаратов его всегда учитывают и коробку дыхательного автомата размещают как можно ближе к этой точке. Вторым фактором, влияющим на повышение сопротивления дыханию, является объем дополнительного мертвого пространства. Особенно велик он в аппаратах с толстыми гофрированными трубками. Большую роль играет также суммарное сопротивление различных клапанов, мембран и пружин в системе понижения давления дыхательной смеси. И последним фактором является повышение плотности газа вследствие возрастания давления при увеличении глубины.

В современных моделях регуляторов конструкторы стремятся свести к минимуму эффекты повышения сопротивления дыханию, создавая так называемые сбалансированные дыхательные автоматы. Но у подводников-любителей до сих пор находится довольно много аппаратов старых моделей с повышенным сопротивлением дыханию. Такими аппаратами, в частности, являются легендарные АВМ-1 и АВМ-1м. Дыхание в этих аппаратах приводит к большим энерготратам, поэтому в них не рекомендуется выполнять тяжелую физическую работу и совершать длительные погружения на глубину свыше 20 м.

Оптимальным типом дыхания при плавании с автономным дыхательным аппаратом следует считать уреженное и углубленное дыхание. Рекомендуемая частота - 14-17 вдохов в минуту. При таком характере дыхания обеспечивается достаточный газообмен при минимальной работе дыхательных мышц, облегчается деятельность сердечно-сосудистой системы. Частое дыхание затрудняет работу сердца и ведет к его перегрузке.

Влияет на функционирование дыхательной системы и скорость погружения в глубину. При быстром повышении давления (компрессии) жизненная емкость легких уменьшается, при медленной - практически не изменяется. Снижение ЖЕЛ обусловлено несколькими причинами. Во-первых, при погружении в глубину для компенсации внешнего давления в легкие устремляется дополнительный объем крови и, по-видимому, при быстрой компрессии происходит пережатие некоторых бронхиол «отекшими» кровеносными сосудами; этот эффект сочетается с быстрым увеличением плотности газа, и в результате происходит закупорка воздуха в некоторых участках легких (возникают «воздушные ловушки»). «Воздушные ловушки» чрезвычайно опасны, так как значительно повышают риск возникновения баротравмы легких как при продолжении погружения, так и при всплытии, особенно если не соблюдается режим и скорость всплытия. Чаще всего такие «ловушки» образуются у водолазов, находящихся под водой в вертикальном положении. Существует еще один нюанс, связанный с вертикальным положением водолаза. Это неоднородность газообмена в вертикальном положении: под действием силы тяжести кровь поступает в нижние отделы легких, а газовая смесь скапливается в верхних, обедненных кровью. Если же водолаз находится под водой в горизонтальном положении лицом вниз, значительно, по сравнению с вертикальным его положением, увеличивается относительная величина альвеолярной вентиляции, улучшается газообмен и насыщение артериальной крови кислородом.

В период декомпрессии и некоторое время после нее ЖЕЛ также оказывается уменьшенной в связи с увеличенным притоком крови в легкие.

Отрицательно влияет на дыхательную систему еще и тот факт, что воздух, поступающий из баллонов, обычно холодный и практически не содержит влаги. Вдыхание холодного газа способно вызвать нарушения дыхания, проявляющиеся дрожью дыхательных мышц, болями в грудной клетке, повышенной секрецией слизистых оболочек носа, трахеи и бронхов и затруднением акта дыхания. При плавании в холодной воде особенно обостряется проблема секреции слизи: затрудняются глотательные движения, необходимые для выравнивания давления в полости среднего уха. А из-за того, что поступающий воздух практически не содержит влаги, могут развиться раздражения слизистых глаз, носа, трахеи, бронхов. Усугубляющим фактором здесь является также охлаждение организма.