Oddychanie w zmiennych warunkach,
lotnictwo, duże
wysokości, przestrzeń kosmiczna,
przyspieszenia
Dariusz Nowak
Zakład Fizjologii Klinicznej UM Lodz
Oddychanie w zmiennych warunkach, lotnictwo,
duże wysokości, przestrzeń kosmiczna,
przyspieszenia
• Osiągamy coraz wyższe wysokości – lotnictwo,
wspinaczki wysokogórskie, pojazdy kosmiczne –
trzeba znać wpływ niskich ciśnień gazu,
przyspieszeń na organizm człowieka
• Ciśnienie atmosferyczne na różnych wysokościach
• Poziom morza – 760 mmHg (pO2 159 mm Hg)
• 10 000 stóp (stopa to 30.48 cm) - 523 mm Hg
(pO2≈ 21% p atm.)
• 50 000 stóp 87 mm Hg (pO2 = 18 mm Hg)
Ciśnienie (pO2) w powietrzu pęcherzykowym
na różnych wysokościach
• CO2 i para wodna obniżają pAO2 (ciśnienie w
pęcherzykach)
• CO2 jest cały czas wydychany a H2O paruje do
wydychanego powietrza pęcherzykowego i obniża
pAO2
• Ciśnienie pary H2O = 47 mmHg (nie zależy od
wysokości a tylko od temperatury ciała)
• PACO2 spada na dużych wysokościach bo rośnie
wentylacja. – osoba zaaklimatyzowana która
zwiększa swoją wentylację 5 X ,PACO2 spada do 7
mmHg (normalnie jest 40 mmHg) – z powodu
zwiększonej wentylacji
Ciśnienie (pO2) w powietrzu pęcherzykowym
na różnych wysokościach
• Jesteśmy na czubku Mount Everest (29028 stóp
npm) – p atm = 253 mmHg
• Z tego 47 mmHg jest na parę wodną, 7 mm Hg
na CO2 – to pozostawia 199 mmHg na pozostałe
gazy (N2 i O2)
• 4/5 tego ciśnienia na N2 a 1/5 na O2 czyli PAO2
≈ 40 mmHg
• ponieważ część O2 cały czas dyfunduje do krwi
ustala się PAO2 równowagi około 35 mmHg
• W tych warunkach tylko najlepiej
zaaklimatyzowani ludzie mogą przeżyć
oddychając powietrzem
PAO2 i wysycenie hemoglobiny tlenem na różnych
wysokościach - wpływ aklimatyzacji( np.
zwiększonej wentylacji pęcherzykowej)
PAO2 i wysycenie hemoglobiny tlenem na
różnych wysokościach - wpływ oddychania
czystym tlenem
• Kiedy oddychamy czystym O2 większość
objętości pęcherzyków która była zajęta przez
N2 jest teraz zajęta przez O2
• Na wysokości 30 000 stóp gdy oddychamy
czystym O2 – PAO2 jest 139 mmHg a gdy
powietrzem to = 18 mmHg
• Samolot z nie-hermetyczną kabiną – można
zwiększyć pułap lotu gdy pilot oddycha
czystym tlenem – dla powietrza granica – 23
000 stop, dla czystego O2 – 47 000 stóp (w
obu przypadkach sat Hb będzie około 50% (to
jest maksymalny szybki spadek saturacji jaki
człowiek „toleruje”)
Ostre następstwa hipoksji
Osoba nie-zaaklimatyzowana oddycha powietrzem-
objawy zaczynają się już na wysokości 12 000 stóp
Senność, znużenie, zmęczenie psychiczne, zmęczenie
mięśni , czasami ból głowy, nudności, euforia
Leci wyżej (do 18 000 stóp) – progresja – stadium
pod-denerwowania, ataku
Leci jeszcze wyżej – objawy znikają ale przy wysokości
23 000 stóp – zapada w śpiączkę – po tym szybko
zgon.
Hipoksja obniża sprawność umysłową
Nie zaaklimatyzowany lotnik:
15 000 stóp, po 1 h – sprawność spada o 50%
15 000 stóp, po 18 h – spada o 80%
Adaptacja do niskiego PO2
• Trwa dni, tygodnie, nawet lata – tacy ludzie mogą
pracować ciężej na dużych wysokościach (lub wyżej
wejść) bez objawów hipoksji.
• Główne mechanizmy adaptacji:
1 – wzrost wentylacji płuc
2 – wzrost liczby erytrocytów
3 – wzrost pojemności dyfuzyjnej płuc
4 – wzrost liczby naczyń w tkankach obwodowych
5 – zwiększona zdolność komórek do
wykorzystania
O2 mimo niskiego PO2
Wzrost wentylacji płuc
• Niskie PO2 stymulacja chemoreceptorów → szybka odpowiedź,
wzrost wentylacji o 1.65 razy. Gdy dłużej przebywa na
wysokości (kilka dni) wentylacja rośnie do 5 razy.
• Ostra odpowiedź na hipoksje jest hamowana przez spadek
PCO2 i wzrost pH , to działa na ośrodek oddechowy i ogranicza
wzrost wentylacji
• W ciągu kilku dni spada stężenie wodorowęglanów w płynie
mózgowo rdzeniowym i rośnie wentylacja do ok.
5 razy. Dlaczego ?
Nerki kompensują zasadowicę oddechową (redukcja wydalania
H+ i zwiększone wydalanie HCO3-), nie ma hamowania
stymulacji oddychania (sygnał z chemoreceptorów w wyniku
hipoksji)
Wzrost liczby erytrocytów i stężenia
hemoglobiny
• Hipoksja → wzrost produkcji erytrocytów
po kilku tygodniach :
Hct 40-45% rośnie do 60%
Hgb 15g/dl rośnie do 20 g/dl
Całkowita objętość krwi też rośnie o ≈ 20-30%, co
powoduje że całkowita zawartości hemoglobiny w
organizmie rośnie nawet o ≥ 50%
Wzrost pojemności dyfuzyjnej płuc
• Pojemność dyfuzyjna dla O2 w normie ≈ 21
ml/mmHg/min. W czasie wysiłku i na wysokości
rośnie ≈ 3 razy.
• Bo rośnie ilość krwi w kapilarach → rozciągnięcie
kapilar i wzrost powierzchni dyfuzji.
• Bo rośnie objętość powietrza w płucach i dalej ten
sam mechanizm
• Bo rośnie ciśnienie w krążeniu płucnym i
poprawia się perfuzja, zwłaszcza w górnych
partiach płuc
Wzrost liczby naczyń w tkankach
• Rzut minutowy serca rośnie o ≈ 30% po tym po
tygodniach spada do normy równolegle ze
wzrostem Hgb i Hct
• Wzrost liczby kapilar (angiogeneza) w obwodowych
tkankach – widoczne zwłaszcza u osób urodzonych
(i rosnących) na dużych wysokościach
• Kapilary – wyraźny wzrost w mięśniu prawej komory
– bo większa prac z powodu wzrostu ciśnienia w tt
płucnych + efekt hipoksji
• Adaptacja komórkowa- Organizmy żyjące na
wysokości 13000-17000 stóp mają więcej
mitochondriów- lepsze wykorzystanie O2 na
poziomie komórkowym
Naturalna aklimatyzacja u ludzi urodzonych i
żyjących na dużych wysokościach
• Himalaje, Andy Peruwiańskie ludzie żyją > 13 000
stóp
• Populacja ludzi w Andach ≈ 17 500 stóp a pracują na
wysokości 19 000 stóp
• Urodzeni i żyjący na tych wysokościach są zawsze
lepiej zaadaptowani do tych warunków niż ludzie z
nizin nawet po 10 letnim (i >) pobycie w górach.
• Aklimatyzacja zachodzi już w życiu płodu i w
niemowlęctwie – maja większa klatkę piersiową a cale
ciało mniejsze – daje to większy stosunek zdolności
do wentylacji / masy ciała
• Większe wymiary serca, lepiej hemoglobina „działa”.
Zdolność do wykonywania wysiłku jest obniżona na
dużych wysokościach (wysokość 17 000 stop,
normal = zdolność na poziomie morza)
Ostra choroba wysokościowa i obrzęk płuc
na dużych wysokościach
• Pewien (%) ludzi gdy szybko wejdą na duża
wysokość – maja ostre objawy chorobowe i mogą
umrzeć jeśli nie dostaną O2 do oddychania lub
nie zostaną przeniesieni na niższą wysokość
• Objawy zaczynają się po kilku h – do 2 dni po
osiągnięciu wysokości, najczęściej są dwie postaci
1. ostry obrzęk mózgu (lokalne rozszerzenie
naczyń z powodu hipoksji)
2. ostry obrzęk płuc – nie wiadomo dlaczego
(skurcz naczyń a przez inne duży przepływ i
lokalny obrzęk ?)
Przewlekła choroba wysokogórska
• Czasami u osób które za długo przebywają na
dużej wysokości rozwija się choroba wysokogórska
(chronic mountain sickness) – następujące
odchylenia/objawy:
1. masa erytrocytów i Hct są wyjątkowo wysokie
2. nadmierny wzrost ciśnienia w tętnicy płucnej
3. duże powiększenie prawej komory
4. spada ciśnienie tętnicze na obwodzie
5. rozwija się niewydolność serca
6. zgon często występuje jeżeli osoba nie będzie
przeniesiona niżej (wtedy poprawa w ciągu kilku
dni-tygodni)
Przewlekła choroba wysokogórska
• Patomechanizm:
1. wielokrotny wzrost lepkości krwi → b. duże
opory przepływu → spada przepływ przez tkanki i
spada dostawa O2 do tkanek
2. Skurcz hipoksemiczny tt. płucnych → wzrost
oporu i wzrost ciśnienie w krążeniu płucnym →
niewydolność prawej komory
3. hipoksja obejmuje wszystkie pęcherzyki →
uogólniony skurcz tętniczek płucnych → wzrost
oporu → wzrasta przepływ krwi przez naczynia
oskrzelowe → narasta przeciek żylny
Przeciążenia
• Przyspieszenie i opóźnienie liniowe
• Ruch po okręgu a= V
2
/r = ω
2
x r
• F = M x a
• Wyrażenie przyspieszenia jako wielokrotność G :
np. + 2G, +5G , -3G , -7G
wpływ sił odśrodkowych na organizm – najbardziej
wrażliwy układ krążenia bo krew się przemieszcza
lotnik poddany np. +3G – krew przemieszcza się do
najniższych części ciała.
Np. +5G – pozycja stojąca – ciśnienie w żyłach stóp
450 mmHg, gdy siedzi to – 300 mmHg
Przeciążenia
• Naczynia w sposób bierny rozciągają się i krew z
górnych części ciała przemieszcza się do dolnych
naczyń
• Serce nie może dobrze pompować krwi bo ona nie
wraca do prawego przedsionka – spada rzut serca
• Poddany a = +3.3 G – spada RR a później wzrost
na skutek działania baroreceptorów
• a = +4G - +6G = „czarna zasłona przed oczami”
w czasie kilku sekund a później utrata
przytomności a później śmierć
• Pozycja siedząca, a≥ +20G ułamek sekundy –
złamanie kręgosłupa
Changes in systolic (top of curve) and diastolic
(bottom of curve) arterial pressures after abrupt and
continuing exposure of a sitting person to an
acceleratory force from top to bottom of 3.3. G.
Przeciążenia
• Ujemne G – zewnętrzna pętla samolotu – a = -4G
do -5G bez uszkodzenia ale okresowo duże
przekrwienie głowy, zaburzenia psychiczne
trwające 15-20 min (jako wynik obrzęku mózgu)
• Czasami a jest tak duże np. (-20G) , ze ciśnienie
krwi w głowie osiąga 300-400 mmHg, czasami
powoduje to pękanie drobnych naczyń na
powierzchni głowy i w mózgu
• Naczynia w mózgu znacznie rzadziej pękają niż te
na powierzchni głowy. Dlaczego ? – rola płynu
mózgowo rdzeniowego
• Przekrwienie oczu- nie widzi – widzi „czerwoną
zasłonę”
Przeciążenia
• Jak się zabezpieczyć przed przeciążeniami
(dodatnimi) ?
• Lotnik napina swoje mięsnie brzucha jak
najmocniej i pochyla się by ucisnąć brzuch →
zapobiega to przemieszczeniu się krwi do dużych
naczyń jamy brzusznej z głowy - opóźnia to
pojawienie się „czarnej zasłony” przed oczami
• Specjalne kombinezony w których rośnie ciśnienie
działające na nogi i brzuch gdy rośnie +a.
• Teoretycznie najlepiej by miał gdyby był zanurzony
w wodzie – ale i w tym przypadku odporność na
„+a” ogranicza obecność powietrza w płucach – z
tego powody graniczne a < +10G.
Przeciążenia liniowe
• W odróżnieniu od samolotu statek kosmiczny nie skręca
gwałtownie
• Przyspieszenia związane ze startem (odpaleniem) rakiety i
lądowaniem (opóźnienia)
• 3-stopniowa rakieta: odpalenie I silnika a = 9G, II silnika (II
człon rakiety) – a = 8G
• W pozycji stojącej kosmonauta nie wytrzyma tych
przeciążeń ! – musi być w pozycji półleżącej – poprzecznej
do osi przyspieszenia
• Lądowanie przy prędkości 1 Mach – 0.12 mili potrzebne na
bezpieczne wyhamowanie, przy 100 Mach (przypuszczalna
prędkość w lotach międzyplanetarnych) – potrzebny
dystans 10 000 mil.
Acceleratory forces during takeoff of a
spacecraft.
Opóźnienia przy skokach spadochronowych
• Wyskakujemy z samolotu – po ≈ 12 s F oporu
powietrza = Fg – skoczek osiąga prędkość końcową
opadania – 109-119 mil/h
• Wtedy F związane z otwarciem spadochronu F ≈
1200 funtów (na linki spadochronu) i spadochron
zwalnia prędkość opadania ≈ 9 razy
• Siła uderzenia o ziemię jest mniejsza ≈ 81 razy niż
bez spadochronu (odpowiada to skokowi z wysokości
6 stóp)
• Trzeba lądować ze zgiętymi nogami w kolanach i
mięśniami napiętymi by zamortyzować siły związane
z opóźnieniem (nie na proste nogi)
Atmosfera w statku kosmicznym
• Ma być na tyle dużo O2 i na tyle mało CO2 by kosmonauci
się nie udusili
• Wczesne misje kosmiczne (Apollo) - atmosferą był czysty
O2 ale pod ciśnieniem ok. 260mmHg
• Obecnie w wahadłowcach atmosfera zbliżona do ziemskiej:
całkowite ciśnienie 760 mmHg, N2/O2 = 4/1. Obecność N2
zmniejsza ryzyko wybuchu i pożaru.
• Taka atmosfera zapobiega również powstawaniu lokalnych
obszarów (płytek) niedodmy w płucach, które mogą
wystąpić przy oddychaniu czystym O2 gdy jest on szybko
absorbowany przy jednoczesnym okresowym zablokowaniu
drobnych oskrzeli przez wydzielinę
• Loty trwające kilka miesięcy i dłużej – odzyskiwanie O2 –
elektroliza z H2O i/lub poprzez fotosyntezę (np. algi ,
chlorofil) z CO2)
Nieważkość
• Kiedy ? - Satelita (statek kosmiczny) krążący na orbicie,
statek poruszający się w kosmosie bez własnego napędu. W
samolocie też można uzyskać kontrolowaną nieważkość – tak
ćwiczą kosmonauci
• Oddziaływanie (efekty fizjologiczne) bez znaczenia gdy stan
nieważkości trwa krótko
• Problemy związane z nieważkością:
1) Choroba lokomocyjna
2) przemieszczenie płynów w obrębie ciała z powodu
braku grawitacji (powoduje właściwe ciśnienie
hydrostatyczne)
3) Obniżenie aktywności fizycznej – bo nie potrzeba siły
mięśniowej do przeciwstawiania się grawitacji
Nieważkość
• Prawie 50% astronautów ma nudności (czasem
wymioty) w ciągu pierwszych 2-3 dni podróży
kosmicznej – „dziwne” sygnały do narządu
równowagi w mózgu i brak sygnałów związanych z
grawitacją
• Zmniejsza się: objętość krwi, masa erytrocytów,
siła mięśniowa, zdolność mięsni do wykonywania
pracy, maksymalny rzut minutowy serca, masa
kości (odwapnienie, ↓ Ca i fosforanów).
• Większość tych efektów wystąpi też u osoby długo
leżącej w łóżku
• W ciągu długiej misji kosmicznej – niezbędny jest
zapobiegawczy program ćwiczeń gimnastycznych
Nieważkość
• We wcześniejszych misjach gdy program ćwiczeń
profilaktycznych nie był zbyt intensywny to po
lądowaniu na Ziemię: duże upośledzenie zdolności
do wysiłku, częste omdlenia (nawet z utratą
przytomności) – bo ↓ V krwi i ↓ wrażliwości i
funkcji ośrodków kontrolujących ciśnienie tętnicze
krwi.
• Badanie kosmonautów po misjach trwających kilka
miesięcy (nieważkości) – ćwiczenia profilaktyczne
nie zapobiegają „dekondycji” układu sercowo-
naczyniowego, mięśni szkieletowych i kości !
Nieważkość trwająca miesiące
• Miesięczne spadki masy kości o 1% mimo ćwiczeń
• Znaczna atrofia mięśnia sercowego i szkieletowych
(obniżenie zdolności do wysiłku)
• Upośledzone odruchy z baroreceptorów – obniżona
tolerancja „ortostatyczna”
• Obniżona objętość krwi
• Po powrocie maja problemy z utrzymaniem pionowej pozycji
ciała i dzienną aktywnością na poziomie jak przed lotem
• Zwiększone ryzyko złamań kości
• Aklimatyzacja po powrocie do ziemskich warunków trwa
kilka tygodni i osiąga aktywność fizyczną jak przed startem
Nieważkość trwająca miesiące, lata
• Wyprawa na Marsa – problem długotrwałej
nieważkości nie mniej ważny od problemu
zbudowania odpowiedniej rakiety
• Będą bardzo słabi po lądowaniu na Marsie czy na
Ziemi, problem awaryjnego lądowania
• Proponowane rozwiązanie – na statku – wirówka z
kapsułą do której wchodzi kosmonauta –
ekspozycja na 2G-3G przez 1h dziennie
•