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

•