Fizjologia oddychania

Powietrze atmosferyczne jest roztworem gazów chemicznie obojętnych., zawierających zawsze pewną ilość pary wodnej. W praktyce górniczej stosowane jest również pojęcie powietrza suchego, standardowego. Skład powietrza atmosferycznego przedstawia tabela

nazwa gazu	symbol chemiczny	objętościowa zawartość gazu, %	wagowa zawartość gazu, %
azot	N2	78,04	75,47
tlen	O2	20,96	23,20
Dwutlenek węgla	CO2	0,03	0,05
argon	Ar	0,93	1,28
inne (hel, neon, ozon, krypton, xenon, jod, radon, wodór)		ślady

Powietrzem kopalnianym przyjęto nazywać roztwór gazów i par wypełniający podziemne wyrobiska górnicze. Zmiany składu tego powietrza zachodzą w wyniku oddziaływania czynników naturalnych i technologicznych. Jeżeli nieznacznie zmieniają one skład powietrza atmosferycznego to nazywamy go powietrzem świeżym, w przeciwnym przypadku mamy do czynienia z powietrzem zużytym. W czasie tych zmian maleje stężenie O₂, rośnie N₂, i CO₂ oraz pojawiają się CH₄, CO, NO, NO₂, SO₂, H₂S, pyły, a także rośnie temperatura i wilgotność.

Przepisy górnicze wprowadzają nieprzekraczalne normy, które określają czy w danych warunkach można pracować, czy też praca jest zabroniona. Nakazują one wycofać załogę gdy:

O₂<19%,

CO₂>1%,

CO>0,002%,

NO₂>0,00025%,

SO₂, H₂S>0,0007%,

CH₄>2%.

Człowiek przystosowany jest do oddychania powietrzem atmosferycznym, o stały składzie. Wymiana gazów między atmosferą i płucami zachodzi wskutek periodycznie wytwarzanych różnic ciśnień. Gdy mięśnie układu oddechowego pobudzone impulsem z ośrodka oddechowego rozciągną klatkę piersiową, zwiększa się pojemność płuc i powstaje w nich podciśnienie. Do płuc wpływa wtedy powietrze przez górne drogi oddechowe dążąc do wyrównania ciśnień. Wydech jest zjawiskiem biernym, spowodowanym elastycznością klatki piersiowej powracającej do swej pierwotnej objętości.

Tlen wdychany wraz z powietrzem dostaje się do płuc, gdzie przez bardzo liczne i drobne pęcherzyki płucne przenika do krwi. Błon pęcherzyków ma grubość 0,003-0,004 mm, jest pokryta gęstą siatką włosowatych naczyń krwionośnych i ma zdolność przepuszczania gazów. Wskutek różnicy ciśnień cząstkowych gazów zawartych w powietrzu i we krwi następuje proces dwustronnej wymiany gazowej - tlen przepływa z powietrza do krwi a dwutlenek węgla z krwi do powietrza. Łączna powierzchnia pęcherzyków płucnych u zdrowego człowieka wynosi od 85 do 100 m². Ogólna ilość tlenu w organizmie człowieka ważącego ok. 70 kg wynosi około 1l co przy zużyciu ok. 300 ml/min wystarcza na ok. 4 min.

Człowiek dorosły podczas odpoczynku wykonuje przeciętnie 15 do 18 oddechów na minutę, pobierając przy każdym ok. 500 ml powietrza (7,5 l/min). W czasie bardzo intensywnego wysiłku (możliwy jedynie przez bardzo krótki czas) ilość powietrza wentylującego płuca wzrasta nawet dwudziestopięciokrotnie ponieważ głebokość pojedynczego wdechu wzrasta do 5l, a ich ilość do 40 na minutę (200 l/min). Podczas wdechu nie cała ilość powietrza dochodzi do płuc. Około 140 ml powietrza pozostaje w górnych drogach oddechowych , w tak zwanej przestrzeni martwej. Powietrze to nie bieże udziału w wymianie gazowej. Również podczas wydechu w górnych drogach oddechowych pozostaje powietrze wydychane, które podczas wdechu ponownie, jako piwerwsze, wpływa do płuc. Oddychanie w masce gazowej powoduje znaczne zwiększenie się przestrzeni szkodliwej (martwej), a zatem znacznie pogarsza się wymiana gazowa. Wentylację płuc w funkcji wykonywanej pracy przedstawia poniższa tabela.

Rodzaj wykonywanej pracy	Wentylacja płuc dm^3/min (l/min)
Stan spoczynku	8
Praca lekka	20
Praca średni ciężka	30
Praca ciężka	50
Praca bardzo ciężka	85

W pęcherzykach płucnych gdzie ciśnienie cząstkowe tlenu w krwi żylnej ma wartość 5,3 kN/m² (40 mm Hg), następuje wzbogacenie krwi w tlen do wartości ciśnienia cząstkowego 13,3 kN/m² (100 mm Hg). Nie jest to 152 mm Hg, co odpowiadałoby stężeniu 20% tlenu i ciśnieniu 760 mm Hg, ponieważ w płucach znajduje się dużo pary wodnej powodującej nasycenie powietrza wilgocią. Gradient równy ok. 7,9 kN/m² (60 mm Hg) powoduje przenikanie tlenu z powietrza do krwi. Część tlenu rozpuszcza się w osoczu, natomiast większość tlenu łączy się z hemoglobiną. Połączenie to nie ma charakteru związku chemicznego. Hemoglobina odgrywa jedynie rolę przenośnika tlenu we krwi. Jedna cząsteczka hemoglobiny wiąże cztery cząsteczki tlenu tworząc jaśniejszą oksyhemoglobinę. Wzbogacona w tlen krew tętnicza, w której prawie 100% hemoglobiny związało się z tlenem, przechodzi z płuc do lewej komory serca, skąd przetaczana jest do aorty i naczyń tętniczych, a następnie do wszystkich narządów i komórek ciała, w których zachodzi proces utleniania i wydzielania CO₂. Krew tętnicza, po oddaniu tlenu staje się krwią żylną mającą z kolei większą zdolność wiązania CO₂ będącego produktem przemiany materii. Krew zubożona z tlenu a bogata w dwutlenek węgla powraca układem żył do prawej komory serca, a stamtąd przetłaczana jest do płuc. Okres pełnego obiegu u zdrowego człowieka wynosi średnio 23 s.

Rozróżnia się dwa krwiobiegi:

- mały (serce-płuca-serce),

- duży (serce-narządy i tkanki-serce)

Tlen służy organizmowi do utleniania wodoru zwartego w pokarmach. Proces ten przebiega trakcie szeregu reakcji utleniająco-redukcyjnych.

Stu procentowe nasycenie hemoglobiny tlenem powoduje, że wzrost stężenia (ciśnienia cząstkowego) tlenu w powietrzu wpływa jedynie na ilość tlenu rozpuszczonego w osoczu. U człowieka oddychającego czystym tlenem występują objawy zatrucia. Następuje zmniejszenie częstości skurczów serca, a po kilkudziesięciu godzinach dochodzi do odoskrzelowego zapalenia płuc. Przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym, minimalna niezbędna do życia ilość tlenu wynosi 17%, a maksymalna, nie przynosząca szkody przez długi czas wynosi 60%. Zmniejszenie ciśnienia atmosferycznego staje się dla człowieka niebezpieczne przy wartości 37,2 kN/m² (280 mm Hg) co odpowiada wysokości ok. 7600 m n.p.m.

Dwutlenek węgla powstaje w komórkach organizmu w wyniku spalania. Mimo, że CO₂ jest produktem odpadowym przemiany materii spełnia on w organizmie bardzo ważną rolę regulatora oddychania i krążenia. Dwutlenek węgla rozpuszczając się w osoczu podnosi kwasowość krwi, a na to bardzo czułe są receptory układu oddechowego okresowo wzbudzającego skurcze mięśni oddechowych. Następuje pobudzenie ośrodka oddechowego, ruchy klatki piersiowej stają się szybsze, zwiększa się ilość powietrza wpływającego do płuc w jednostce czasu. W miarę wzrostu obciążenia mięśni wzrasta intensywność przemiany materii, wzrasta zatem ilość dwutlenku węgla we krwi żylnej. Wzrost stężenia dwutlenku węgla we krwi pobudza układ oddechowy aż do czasu gdy jego wzrost stężenia ulegnie zahamowaniu. W płucach następuje proces wydzielania się dwutlenku węgla do powietrza, jednak nie cały ten gaz jest usuwany z krwioobiegu. W powietrzu wydychanym jest ok. 16% tlenu i ok. 4% CO₂.

Wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze jest czynnikiem ograniczającym sprawność i wydajność organizmu, a w skrajnych przypadkach mogącym spowodować śmierć. Wzrost stężenia CO₂ do 5% powoduje podwojenie wentylacji płuc - wzrasta zarówno częstotliwość oddechów jak i ich głębokość. Gdy stężenia dwutlenku węgla wzrośnie do 8-9% zostaje osiągnięty pułap możliwości wentylacyjnych płuc. Dalszy wzrost stężenia CO₂ powoduje stopniowe wyłączanie komórek ośrodka oddechowego, wskutek czego wentylacja płuc stopniowo się zmniejsza. Ponieważ dwutlenku węgla jest stale wytwarzany w organizmie niemożność oddawania go w płucach do powietrza atmosferycznego powoduje gromadzenie się w krwi do momentu, w którym nastąpi całkowite zatrzymanie działania ośrodka oddechowego i uduszenie.

Niesłychanie niebezpiecznym dla człowieka jest również tlenek węgla. Współzawodniczy on z tlenem przy wiązaniu z hemoglobiną. Ma on jednak 200 razy większe powinowactwo z hemoglobiną i łatwo wypiera tlen z oksyhemoglobiny, zajmując jego miejsce. Połączenie to jest zwane karboksyhemoglobiną lub hemoglobiną tlenkowęglową, która jest fizjologicznie nieczynna. Jeżeli w powietrzu oddechowym znajduje się ponad 0,5% tlenku węgla, to ponad połowa hemoglobina zostaje zablokowana i tylko jej reszta może transportować tlen.

W powietrzu znajduje się także azot. Nie ma on znaczenia dla organizmu tak długo, jak długo człowiek nie ulega nagłym i znacznym zmianom ciśnienia powietrza. Azot znajduje się w organizmie w postaci rozpuszczonej w komórkach i płynach ustrojowych. Jego ilość przekracza 1l. Gdy organizm zostanie poddany szybkiej dekompresji, np. podczas wychodzenia z kesonu lub podczas wznoszenia się samolotu wówczas nastąpi nagłe i gwałtowne wydzielenie się azotu z tkanek i płynów ustrojowych powodując groźne dla życia zatory naczyń krwionośnych. Pęcherzyki wydobywające się z bogatych w tłuszcze tkanek nerwowych uciskają na komórki nerwowe oraz ich wypustki i powodują mechaniczne wyłączenie, a nawet uszkodzenia części układu nerwowego. Ze względu na to, że istotną przyczyną objawów jest nagłe zmniejszenie się ciśnienia powietrza, w którym przebywa człowiek, mówi się o chorobie dekompresyjnej. W przypadku pojawienia się jej objawów jedynym postępowaniem jest umieszczenie poszkodowanego w komorze dekompresyjnej, zwiększenie ciśnienia i powolna dekompresja. Azot zawarty w powietrzu można uznać za swego rodzaju rozvieńczalnik dla tlenu. W sytuacjach możliwej nagłej dekompresji, zostaje on zastąpiony przez hel, którego rozpuszczalność w tłuszczach jest zdecydowanie mniejsza niż azotu. Rozwiązanie to jest szczególnie zalecane dla płetwonurków, gdyż zastosowanie helu znacznie skraca czasy dekompresji.

Osobnym zagadnieniem jest problem oddawania ciepła podczas pracy człowieka w trudnych warunkach klimatycznych. Podczas akcji ratowniczych prowadzonych w wysokich temperaturach i znacznych wilgotnościach powietrza zdarzały się niejednokrotnie przypadki wypadków śmiertelnych wśród ratowników (Niwka Modrzejów).

W procesie przemiany materii, zachodżacym w organizmie człowieka, oprócz produktów substancjalnych (CO₂) powstaje ciepło, któ®e dla utrzymania stałej temperatury ciała musi być odprowadzone na zewnątrz. Ilości powstającego ciepła podczas niektórych czynności przedstawia poniższa tabela.

Rodzaj czynności	Metaboliczne wytwarzanie ciepła W/m^2
Leżenie	47
Siedzenie bez ruchu	58
Stanie	70
Chodzenie po równinie w=3,2 km/h	116
Chodzenie po równinie w=8,0 km/h	338
Chodzenie po pochyłości (5%) w=1,6 km/h	140
Chodzenie po pochyłości (5%) w=6,4 km/h	355
Chodzenie po pochyłości (25%) w=1,6 km/h	210
Chodzenie po pochyłości (25%) w=3,2 km/h	390
Piłowanie ręczne	233-280
Przenoszenie worków 50 kg	233
Prace wykonywane kilofem lub łopatą	233-280
Kopanie rowów	349

Na wielkość obciążenia energetycznego ratowników podczas akcji prowadzonej w trudnych warunkach ma wpływ nie tylko rodzaj wykonywanej czynności, ale również rodzaj wyposażenia. Podczas akcji prowadzonej w atmosferze szkodliwej istotną rolę odgrywa ciężar noszonego aparatu oddechowego, odzież robocza oraz dodatkowe wyposażenie ratownika (lampa, hełm, maska itp.). Znacznym obciążeniem jest również wykonywanie wszystkich prac w aparacie oddechowym, czemu towarzyszy pojawienie się dodatkowych oporów oddychania. To, oraz wzmożona praca mięśni, powoduje znaczne obciążenie energetyczne organizmu i powstawanie dużej ilości ciepła. Utrudniona wymiana ciepła z otoczeniem może doprowadzić do wzrostu temperatury i w rezultacie do udaru cieplnego.

Oprócz małej ilości ciepła, która odprowadzana jest z płuc drogą oddychania, cały nadmiar ciepła jest oprowadzany przez powierzchnię skóry. Ciepło odprowadzane jest przez:

- promieniowanie,

- konwekcję i przewodnictwo cieplne,

- parowanie.

Wielkość strat cieplnych zachodzących tymi sposobami jest ściśle uzależniona od parametrów fizycznych powietrza. Graniczną temperaturą, w której może zachodzić promieniowanie jest 37⁰ C, a graniczną wilgotnością ϕ = 100%. Praktycznie wymiana ciepła drogą promieniowania i konwekcji jest możliwa gdy temperatura otoczenia jest niższa od temperatury powierzchni ciała (35⁰ C). Przy temperaturach wyższych może dochodzić tą drogą do ogrzewania ciała. Dodatkowym problemem w kopalniach podziemnych jest temperatura górotworu, która w głabokich kopalniach może przekraczać 40⁰ C i powodować ogrzewania ciała przy znacznie niższej temperaturze powietrza.

Należy przyjąć, że w warunkach komfortu meteorologicznego (t_s = 18-20⁰ C, ϕ = 40-60%, w = 0,2-0,3 m/s) wymiana ciepła z otoczeniem następuje:

- w 25-30% drogą przewodnictwa i konwekcji,

- w 45-50% drogą promieniowania,

- w 15-20% drogą parowania potu,

- 3-12% jest zużywane wewnątrz organizmu.

Takie proporcje utrzymują sie do temperatury otoczenia t_s = 28⁰ C. Gdy teperatury są wyższe, udziała parowania potu w procesie wymiany ciepła gwałtownie wzrasta, a w środowisku o temperaturze powyżej 33-35⁰ C oddawanie ciepła powietrzu może odbywać się jedynie drogą parowania. Aby zwiększyć wydzielanie potu i zapobiec wysychaniu tkanek należy ratownikom podawać regularnie duże ilości wody bogatej w soel mineralne. Aby utrzymać temperaturę ciała w normia przy temperaturze otoczenia 42⁰ C organizm ludzi musi odparować 1 kg potu w czasie 1 godziny.

Niebezpieczeństwo przegrzania ciała podczas prac w trudnych warunkach klimatycznych jest bardzo duże. Jeżeli proces wymiany ciepła jest utrudniony, wówczas zostają podgrzane do temperatury wnętrza ciała wszystkie zewnętrzne części ciała (twarz, ręce, ramiona). Bilans cieplny musi być wyrównany w krótkim czasie ponieważ dalsze jego zachwianie powoduje niebezpieczne dla zdrowia kosekwencje:

- odwodnienie organizmu i duża utrata soli mineralnych (osłabienie i zmęczenie),

- skurcze cieplne (spazmy, mdłości, zawroty głowy),

- wyczerpanie cieplne (omdlenia, zdrętwienie, skrajne wyczerpanie nerwowe),

- gromadzenie ciepła (wzrost temperatury ciała, bóle głowy, omdlenia),

- udar cieplny (wzrost temperatury ciała powyżej 41⁰ C, wstrzymanie procesu

wydzielania potu, śpiączka, śmierć).

Praca w takich warunkach obniża w bardzo istotny sposób wydajność człowieka aż do braku możliwości wykonywania ciężkiej pracy fizycznej (temp. powyżej 30⁰ C), oraz wpływa na ograniczenie aktywności umysłowej człowieka przyczyniając się do wzrostu zagrożenia wypadkowego.

6

---