Работоспособность в условиях пониженного атмосферного давления

ТЕМА 5. РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Работоспособность в условиях пониженного атмосферного давления

В этой главе описываются 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. В Москве 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. 1). 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.е. условия снабжения мышц кислородом ухудшаются.

Таблица 1

Барометрическое давление и парциальное давление кислорода на разных высотах

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°С, то на Эвересте она равняется - 40°С. 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.е. 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 120мм рт. ст. На высоте 2500 м оно уменьшается до 95 мм рт. ст., т.е. процессы оксигенации крови находятся еще в пределах плоской части кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 1). 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 60мм рт. ст. Парциальное напряжение кислорода в мышечной ткани составляет примерно 20 мм рт.ст. и практически не изменя­ется с высотой.

Рис. 1. Кривая диссоциации оксигемоглобина

Стрелки показывают процент насыщения гемоглобина кисло­родом на разных высотах.

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 40мм 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). Максимальные концентрации лактата в работающих мыш­цах и крови в первый период пребывания на высоте уменьшаются. Это уменьшение может быть связано с неспособностью организма развивать интенсивности работы, вызывающие образование энергии с околомаксималь­ными скоростями. Вместе с тем нельзя исключить возможность уменьшения активности ферментов системы анаэробного гликолиза.

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. (рис. 19.2). 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. Повидимому, 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 из-за неощущаемой перспирации 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. Увеличение концентрации эритроцитов может положительно сказаться на обеспечении выполнения субмаксимальной аэробной работы. Одновременно уменьшение объема циркулирующей крови должно оказать негативное действие на проявление максимальной аэробной выносливости. Для борьбы с развивающейся дегидратацией в горах рекомендуется много пить. Поскольку мы обычно не ощущаем недостатка воды организме, пить следует больше, чем хочется.

Рис. 2.Снижение МПК при понижении барометрического давления в услови­ях высокогорья.

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, артерио-венозная разница по кислороду увели­чивается, и, согласно уравнению Фика (1), потребность в увеличенном МОК пропадает:

ПК =МОК-АВР 0₂ (1),

где: ПК - потребление кислорода, МОК - минутный объем крови, АВР 0₂ - артерио-венозная разница по кислороду.

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.

При работе на высоте происходит повышение давления в легочных артериях. Причины этого явления неизвестны.

Выполнение физических упражнений в высокогорье. Условия пониженного атмосферного давления и гипоксии наиболее глубоко влияют на выполнение тех видов мышечной деятельности, которые предъявляют высо­кие требования к кислородтранспортной системе. Это виды спорта, разви­вающие выносливость, с длительным пребыванием на дистанции. Вместе с тем пребывание на высоте не оказывает отрицательного действия на выпол­нение коротких упражнений анаэробного характера, поскольку энергия для выполнения таких упражнений образуется при анаэробном расщеплении фосфагенов и мышечного гликогена. Кроме того, разреженный воздух способствует уменьшению сопротивления при движении, т.е. при той же скорости внешняя работа оказывается меньше. Это способствует повышению ре­зультативности спортивной работы в спринтерском беге, скоростном беге на коньках, спринтерских дистанциях велоспорта.

Акклиматизация к пребыванию в условиях высокогорья. Термин «акклиматизация» используется в физиологии как синоним термина «адаптация» в случае, когда действующим на организм фактором является фактор природной среды, в данном случае пониженное давление воздуха. При дли­тельном пребывании на высоте в организме развиваются адаптивные измене­ния, направленные на минимизацию последствий вдыхания обедненного ки­слородом воздуха. В то же время полностью компенсировать воздействие ги­поксии на организм не удается. Основные изменения, происходящие при длительном пребывании в горах, можно разделить на две категории: усиление транспорта кислорода к тканям и усиление эффективности его использо­вания в тканях для получения энергии аэробным путем.

Адаптация дыхательной системы. При попадании человека в усло­вия высокогорья происходит усиление легочной вентиляции, направленное на повышение содержания кислорода в артериальной крови и сопровождаю­щееся уменьшением содержания углекислого газа в крови. Через некоторое время усиление легочной вентиляции в покое и при стандартной аэробной работе уменьшается. Это происходит, по крайней мере частично, из-за уменьшения чувствительности дыхательного центра к снижению напряжения кислорода и углекислого газа в крови. Диффузионная способность легких из­меняется в высокогорье очень медленно. После полугода пребывания на вы­соте она остается на прежнем уровне. У постоянных жителей высокогорных областей диффузионная способность легких и легочные объемы заметно вы­ше, чем у жителей равнины.

Уменьшение содержания углекислого газа в крови в начальный пери­од пребывания на высоте вызывает смещение кислотно-основного равнове­сия (КОР) в сторону защелачивания. Для предотвращения смещения КОР не­обходимо уменьшить содержание бикарбоната в крови, что и происходит благодаря выведению его излишка из организма почками. Снижение защелачивания способствует дальнейшему увеличению легочной вентиляции. В ре­зультате уменьшения содержания углекислого газа и бикарбоната в крови уменьшается емкость бикарбонатного буфера и как следствие снижается работоспособность при выполнении физической нагрузки, в энергетическом обеспечении которой задействован анаэробный гликолиз. Концентрация лактата в крови при выполнении стандартной работы по мере акклиматизации к высоте снижается. МПК, пониженное в начале пребывания на высоте, несколько повышается (оставаясь ниже "равнинного" уровня) в последующие несколько недель.

Адаптация системы крови и кровообращения. Недостаток кисло­рода в условиях высокогорья стимулирует выделение эритропоэтина - гор­мона, способствующего образованию эритроцитов. Концентрация эритропо­этина повышается уже через 3 ч после подъема в горы и достигает макси­мальных значений через 1-2 дня. Истинное увеличение количества эритроци­тов в крови становится заметным уже через 3-4 дня пребывания на высоте. Изменения концентрации эритроцитов при подъеме в горы представлены в табл. 2.

Отношение объема форменных элементов к общему объему крови -показатель гематокрита — у жителей высокогорных районов Перу составляет около 65% против 48% у равнинных жителей. При длительном (6-недельном) пребывании на высоге показатель гематокрита у жителей равнины может подняться до 59%. Концентрация гемоглобина также поднимается при пребывании на высоте, хотя и медленнее, чем концентрация эритроцитов. Степень увеличения концентрации эритроцитов и гемоглобина зависит от высо­ты: в среднегорье (до 2500 м) она невысока. На каждые 300 м увеличения вы­соты концентрация гемоглобина в крови увеличивается примерно на 2%.

Таблица 2

Концентрация эритроцитов у жителей гор на разных высотах

Через несколько часов после попадания в горы объем плазмы оказывается уменьшенным из-за респираторных потерь и неощущаемой перспира­ции. Со временем объем плазмы восстанавливается до исходного уровня. В среднегорье этот процесс занимает несколько месяцев. Нормальный объем плазмы в сочетании с увеличенным содержанием эритроцитов означает уве­личение общего объема крови. Эти изменения способствуют улучшению кислородтранспортной функции крови.

В начальный период пребывания на высоте МОК при стандартной работе выше, чем на уровне моря. Затем он постепенно снижается до уровня, характерного для условий равнины. Снижение МОК происходит по мере увеличе­ния кислородной емкости крови, связанной с повышением концентрации ге­моглобина. ЧСС при выполнении стандартной работы также постепенно снижается до равнинного уровня. У акклиматизированных к высоте людей периферическое сопротивление понижено. Причиной расширения периферических сосудов является гипоксия. Расширение сосудов минимизирует на­грузку на сердце, связанную с увеличением объема циркулирующей крови и повышением ее вязкости. Максимальные показатели МОК, систолического объема и ЧСС остаются пониженными.

Адаптация мышечной системы. При пребывании в высокогорье происходят значительные изменения в мышцах. В течение 4-6 недель нахождения на большой высоте, т.е. в условиях острой гипоксии, в мышцах ног происходит уменьшение площади поперечного сечения мышечных волокон обоих типов на 20-25%. Одновременно увеличивается количество капилляров на единицу площади мышечного среза. Причем это увеличение меньше, чем уменьшение сечения мышечных волокон, т.е. может быть результатом "съеживания" мышечных волокон. Активность ферментов энергетического обмена за 4-6 недель пребывания на высоте снижается. Более выражено сни­жение ферментов анаэробного обмена, чем митохондриальных ферментов аэробного обмена. Уменьшение поперечника мышечных волокон может быть связано с обезвоживанием. Вместе с тем известно, что продолжительное пре­бывание на высоте сопровождается уменьшением аппетита и снижением мас­сы тела. Последнее заведомо превышает потери жидкости. Поэтому одной из причин уменьшения сечения мышечных волокон и снижения активности ферментов при длительном пребывании на большой высоте могут быть изменения белкового обмена, связанные с потерей аппетита. Таким образом, у спортсменов после 4-б-не дельного пребывания на большой высоте помимо значительного снижения количества доставляемого к мышцам кислорода собственный энергетический потенциал мышц также заметно снижается. Данных о состоянии мышечного аппарата жителей высокогорья в настоящее время не имеется.

Спортивная тренировка в среднегорье. Возникает вопрос, могут ли адаптивные изменения в организме, происходящие при пребывании на высо­те, способствовать повышению спортивного результата на равнине? Резуль­таты большинства исследований отрицательны. В нескольких исследованиях, в которых после тренировки в среднегорье, т.е. на высоте до 2500 м зарегистрировано улучшение спортивного результата на равнине, принимали уча­стие спортсмены низкой квалификации. Поэтому трудно отделить эффект тренировки в среднегорье от собственно тренировочного эффекта, который на начальных стадиях систематических занятий спортом очень высок. Прове­дение аккуратного сопоставления эффектов тренировки на равнине и в горах весьма затруднительно: очень сложно уравнять условия тренировки. Перено­симость нагрузок в горах меньше, чем на равнине. Имеются проблемы, свя­занные с обезвоживанием и потерей аппетита. Поэтому проблема пока оста­ется нерешенной. В то же время очевидно наличие положительных, с точки зрения обеспечения выносливостной работы, изменений, возникающих на высоте. Это прежде всего гипоксические условия функционирования мышеч­ной системы, которые считаются непременным условием, триггером, запус­кающим цепочку адаптивных структурно-функциональных изменений в мышце, возникающих в результате тренировки. Кроме того, при пребывании на высоте происходит увеличение кислородтранспортных возможностей ор­ганизма (кислородной емкости крови). И хотя эти изменения через некоторое время после спуска пропадают или значительно снижаются, спортсмен после спуска с гор должен иметь определенные преимущества. Имеются положи­тельные отзывы спортсменов об эффективности тренировки в среднегорье, однако прямых экспериментальных доказательств этого явно не хватает. Большинство специалистов считают, что тренировки в среднегорье малоэф­фективны для высококвалифицированных спортсменов.

Имеется еще один очень важный практический вопрос, состоящий в том, как следует готовиться к соревнованиям, проводимым в условиях среднегорья Возможны два решения этого вопроса. Первое состоит в том, чтобы не дожидаться развития связанных с подъемом на высоту неблагоприятных изменений в организме (таких, как обезвоживание, расстройства сна) и участвовать в соревнованиях в первые сутки после прибытия. Второе решение -это прохождение акклиматизации, которая должна длиться не менее 2 недель. Следует иметь в виду, что указанный срок недостаточен для полной акклима­тизации, так как для нее в зависимости от высоты необходимо 4-6 недель. Границы высоты подъема, обеспечивающей эффективную акклиматизацию, - от 1500 до 3000 м. С увеличением высоты в указанных пределах эффектив­ность адаптивных изменений в организме увеличивается. Поскольку в первые дни жизни в горах работоспособность значительно снижена, тренировочные нагрузки в этот период должны составлять 60-70% от обычных. В последующие 10-14 дней нагрузки следует довести до обычного для данного спорт­смена уровня. Одним из основных воздействующих факторов при тренировке не высоте является гипоксия, связанная с низким содержанием кислорода во вдыхаемом воздухе. Логично предположить, что короткие периоды (1-2 ч в день) дыхания газовой смесью с пониженным содержанием кислорода будут способствовать развитию адаптивных изменений, характерных для трениров­ки на высоте.