2020-06-08
191
На земле человек существует во взаимодействии с природными механизмами круговорота веществ и энергии. В СК пригодный для жизни мир кончается за пределами оболочки, поэтому контур человека в комплексе «человек – СК» замыкается при помощи специальных устройств.
Для выяснения характеристик этих устройств и оценки их применения в различных сочетаниях, в первую очередь, следует рассмотреть с инженерной точки зрения основные физиологические процессы взаимодействия человека с внешней средой.
В процессе эволюции жизни на Земле газообмен между организмом и внешней средой сформировался как многозвенный процесс, в основе которого лежат различные биохимические и физические механизмы. У млекопитающих основными звеньями этого сложного процесса является поддержание газового равновесия между атмосферой и легкими, альвеолами и кровью, транспорт газов кровью, газообмен между кровью и тканями, а также и метаболические процессы в тканях.
В настоящее время при проектировании СК, используют параметры стандартного (условного) человека, без учета индивидуальных особенностей организма. Вес, размер, характеристики обмена веществ и энергообмена, а также биомеханические и некоторые другие характеристики человеческого организма входят в состав нормируемых параметров, включаемых в схему защитного снаряжения в качестве составного звена комплекса «человек – СК». При этом учитывают не только их средние значения, но и допустимые отклонения. Принято считать средними количественные характеристики организма мужчины нормального телосложения в возрасте 20¸40 лет, имеющего рост 175 см и вес 70 кг..
Газообмен с внешней средой поддерживается респираторной и гемодинамической системами. Поступление О2, использование его при биологическом окислении органических веществ и удаление из организма СО2 результат деятельности функциональной системы, представляющей собой множество взаимодействующих между собой элементов и составляющих определенную структуру. По функциональному признаку можно выделить следующие составные части общей системы газообмена: СЛАЙД 1.
1. Внешнее или легочное дыхание, осуществляющее газообмен между наружной и внутренней средой организма (между воздухом и кровью), включающее:
- вентиляцию – конвекционный транспорт в альвеолы.
- диффузию из альвеол в кровь легочных капилляров.
2. Гемодинамическую систему, обеспечивающую транспорт газов к тканям и от них, а также рациональное распределение крови в организме.
3. Кровь как специфическую газотранспортную среду.
4. Внутреннее или тканевое дыхание, осуществляющее непосредственный процесс клеточного окисления.
5. Нейрогуморальный аппарат регуляции.
В процессе тканевого дыхания (окисления, происходящего в основном в митохондриях) образуется СО2, поступающий в кровь капилляров большого круга кровообращения. Количество потребляемого О2 и образующегося СО2 зависит от уровня тканевого метаболизма, который может изменяться в широких пределах. Доставка необходимого О2 для удовлетворения потребностей организма обеспечивается на стадии внешняя среда – артериальная кровь системой внешнего (легочного) дыхания, а на стадии легкие – ткани гемодинамической системой. Интенсивность тканевого газообмена и метаболические потребности организма определяют интенсивность легочного газообмена.
Перенос газов кровью, осуществляется благодаря особым свойствам системы крови, совокупность которых обозначают как дыхательную функцию крови. В условиях постоянства газовой среды организма количество О2, поступающего из альвеолярного воздуха в кровь легочных капилляров (и СО2, поступающего в альвеолярный воздух из крови легочных капилляров), равно количеству О2, поступающего из крови капилляров большого круга в ткани (соответственно и СО2 из тканей в кровь этих капилляров). Благодаря этому процессу поддерживается постоянный газовый состав как крови, оттекающей от легких и притекающей к тканям (артериальной крови), так и крови, оттекающей от тканей и притекающей к легким (смешанной венозной крови).
Обеспечение дыхательной функции организма разделено между органами в их анатомическом выражении, и является проявлением деятельности комплекса анатомо-физиологических образований, объединенных между собой единством выполняемой задачи. Но в то же время, любой орган является полифункциональной структурой и участвует в выполнении многих функций. Так, легкие как орган не только участвуют в газообмене, но и играют важную роль в регуляции кислотно-основного состояния организма, теплообмена, водного обмена, синтезируют многие биологические продукты. Но ни одна из перечисленных функций не осуществляется только легкими, которые, одновременно входят как один из элементов во многие системы организма. Собственно легкие являются лишь одним из звеньев этого сложного анатомо-физиологического комплекса – участком замкнутой системы циркуляции и местом депонирования крови и т.д.
Таким образом, внешнее дыхание является одним из звеньев газообмена организма, находится в тесной связи с другими элементами системы, обладая определенной самостоятельностью и свойственными ей закономерностями функциональной организации.
Результатом деятельности внешнего дыхания является оксигенация крови в легких, т.е. поддержание постоянства газового состава артериальной крови путем обогащения О2 и освобождения СО2. Оксигенацию крови в легких обеспечивают три процесса: во-первых, непрерывная вентиляция альвеолярных пространств для поддержания постоянного состава альвеолярной газовой смеси; во-вторых, диффузия газов через альвеолярно-капиллярную мембрану со скоростью, достаточной для достижения равновесия напряжения газов в альвеолярном воздухе и крови; в-третьих, непрерывный легочный кровоток, причем вся кровь должна проходить через капилляры и распределяться в различных зонах легких.
Даже в совершенно здоровых легких может наблюдаться пространственная неоднородность, существенно влияющая на функцию легких в целом. Причинами неоднородности легочного газообмена могут явиться как неодинаковые условия вентиляции и потери при диффузии газов через легочную мембрану, так и анатомическое строение: наличие проводящих воздушных путей, т. е. анатомического мертвого пространства.
Структура воздухоносных путей. Газообмен между легкими и внешней средой осуществляется вентиляцией легких – попеременным поступлением в легкие атмосферного воздуха осуществляемого циклическим процессом вдоха и выдоха. Свежий воздух поступает в участки легких по системе ветвящихся трубопроводов, состоящей из воздухоносных путей (ВП) и альвеолярного пространства (АП). По мере того, как вдыхаемый воздух входит в легкие, одна его часть распределяется по ВП, главной функцией которых является доставка воздуха в АП, в котором непосредственно осуществляется газообмен и ВП, в которых содержится газ, не принимающий участие в газообмене, называется «мертвым пространством» (МП). Во время выдоха воздух из МП выходит первым и имеет тот же состав, что и влажный вдыхаемый воздух. Суммарный выдыхаемый воздух представляет собой смесь воздуха из МП и АП. При выдохе СО2 разряжается газом МП. Это приводит к падению концентрации СО2 в выдыхаемом газе по сравнению с альвеолярным.
Поэтому различают понятия «легочная вентиляция» и «альвеолярная вентиляция».
Легочной вентиляцией называют тот объем наружного воздуха (или смеси газов), который поступает в верхние дыхательные пути в единицу времени, а альвеолярной вентиляцией ту часть этого объема, которая достигает альвеол.
Газообмен между кровью и легкими осуществляется через альвеолярно-капиллярные мембраны, в обмене с кровью участвует только альвеолярный газ. В момент дыхательной паузы (при прекращении движения воздуха в легких) состав воздух, находящегося в МП (во рту, в носу, глотке, трахее, бронхах и бронхиолах) остается неизменным, так как он почти не вступает в газообмен с альвеолами и с кровью легочных капилляров. В связи с этим, газообмен между легкими и атмосферой целесообразнее характеризовать не величинами полной вентиляции легких и составом смешанного выдыхаемого воздуха, а величинами альвеолярной вентиляции и составом альвеолярного воздуха. Поэтому альвеолярная вентиляция служит показателем эффективности дыхания в целом.
Анатомическое и функциональное мертвое пространство. В связи с вышесказанным выделяют анатомическое МП и функциональное МП. Анатомическим мертвым пространством называют объем воздухоносных путей, в которых не происходит газообмена. Это пространство включает носовую и ротовую полости, глотку, гортань, трахеи, бронхи и бронхиолы. Объем мертвого пространства зависит от роста и положения тела. Приближено можно считать, что у сидящего человека объем МП в (миллилитрах) равен удвоенной массе тела (в килограммах). Таким образом, у взрослых он около 150 мл.
Под функциональным (физиологическим) МП подразумевают объем, в котором не происходит обмена газов между воздухом и кровью легочных капилляров. Функциональное МП всегда больше анатомического и включает в себя последнее. К функциональному МП относят альвеолы, которые вентилируются, но не перфузируются кровью и которые перфузируются, но не вентилируются. Остальной объем воздуха, находящегося в легких, входит в контакт с альвеолярно-капиллярной мембраной и образует собственно альвеолярную газовую смесь.
Участки альвеол, которые вентилируются, но лишены кровотока, формируют важную часть функционального МП. Воздух, проникающий в такие участки, имеет тот же состав, что и находящийся в анатомическом МП, он не используется для газообмена на уровне альвеолярно-капиллярной мембраны.
В противоположном случае, когда некоторые альвеолы снабжены достаточной сетью капилляров, но не вентилируются, газообмен также не совершается. Оттекающая кровь, поэтому не отличается от венозной крови, поступающей из правого желудочка.
В обоих случаях функциональное МП оказывает неблагоприятное влияние на дыхательную функцию. С одной стороны, снижается эффективность альвеолярной вентиляции, с другой – венозная кровь проникает в артериальную систему.
