Влияние углекислого газа на дыхание в изолирующих средствах индивидуальной защиты. Влияние углекислого газа на человека Влияние концентрации углекислого газа на человека

Без углекислого газа, как и без кислорода, жизнь человека невозможна. Углекислота стимулирует защитные системы нашего организма, помогая справляться с физическими и интеллектуальными нагрузками. Но только в определенных дозах. Когда же наступает момент, при котором углекислый газ начинает нас медленно убивать?

Мало кто знает, что свежий морской или загородный воздух содержит около 0,03-0,04% углекислого газа и это тот уровень, который необходим для нашего дыхания. Одновременно большинству из нас знакомо ощущение духоты в помещении и симптомы связанные с этим т.е. усталость, сонливость, раздражительность. Такое состояния многие связывают с нехваткой кислорода. На самом деле, это симптомы вызваны превышением уровня углекислого газа в воздухе. Кислорода еще достаточно, а углекислота уже в избытке.

Предельно допустимой нормой содержания углекислого газа в воздухе внутри помещений считается 0,1-0,15%. Исследования, проведенные в Великобритании в 2007г., выявили, что при уровне углекислого газа 0,1% (т.е. в два с небольшим раза выше, чем нормальный атмосферный уровень) в офисном помещении сотрудники испытывают головную боль, усталость, не могут сконцентрировать внимание. Все это в конечном итоге приводит к увеличению числа больничных листов и не способности продуктивно работать. Особенно страдают носоглотка и верхние дыхательные пути.

Группа итальянских ученых в 2006г. представила результаты своих исследований на Конгрессе Европейского Респираторного Общества. В результате исследований было выявлено, что два школьника из трех в Европе испытывают на себе негативное воздействие повышенного уровня углекислого газа в классе. У них наблюдалось тяжелое дыхание, отдышка, сухой кашель, ринит и проблемы с носоглоткой гораздо чаще, чем у их сверстников.

В США, Канаде и ЕЭС в настоящее время качеству воздуха в школах уделяется большое внимание, есть организации, которые занимаются замерами уровня содержания углекислого газа в школьных помещениях. В России таких организаций практически нет, а точнее сказать, не видны плоды их деятельности. Исследования того, как влияет повышенный уровень СО2 в классе на здоровье и успеваемость детей не проводились, хотя нужно понимать, что эта проблема в школах России стоит не менее остро, чем в Европе или США.

Более того, недавние исследования индийских ученых показали, что углекислый газ даже в небольших концентрациях (т.е. уже при уровне 0,06%) является для человека таким же токсичным, как двуокись азота. Выяснено, что даже в низких концентрациях углекислый газ в помещении становится токсичным, поскольку воздействует на клеточную мембрану и в крови человека происходят биохимические изменения, такие, как ацидоз (изменение кислотно-щелочного равновесия в организме).

Длительный ацидоз в свою очередь приводит к заболеванию сердечно-сосудистой системы, прибавлению в весе, снижению иммунитета, заболеванию почек, появление суставных и головных болей, к общей слабости.

Занимаясь в фитнес- или тренажерных залах вы также можете столкнуться с проблемой повышенного уровня углекислого газа, и вместо пользы нанесете вред своему организму. Это особенно актуально потому, что при физических нагрузках уровень концентрации углекислоты в крови и так повышается, и в плохо проветриваемом помещении человек почувствует признаки гиперкапнии (избыток углекислого газа).

Вызванные гиперкапнией испарину, головную боль, головокружение и одышку списывают на физическое утомление и воспринимают чуть ли не как доказательство своей двигательной активности. На самом деле, это может говорить о переизбытке углекислого газа. в артериальной крови. Длительная гиперкапния характеризуется расширением сосудов миокарда и головного мозга, может привести к росту кислотности крови, вторичному спазму кровеносных сосудов, замедлению сердечных сокращений.

Нет сомнения, что проблема повышенного уровня углекислого газов в помещении присуща всем городам с плохой экологией. Если в экологически чистых местах можно просто открыть окно и дышать свежим воздухом, то в районе Садового кольца или Невского проспекта этого делать не стоит. Здесь уровень СО2 может быть выше нормального атмосферного в несколько раз.

Как же можно решить эту проблему в наш техногенный век? Во-первых, с помощью комнатных растений. Но поскольку поглощение ими избыточной углекилоты из воздуха происходит только на свету, то одним им вряд ли справиться, если, конечно, вы не работаете в зимнем саду или в оранжерее.

Углекислый газ можно удалять из воздуха помещения специальными приборами. Эти приборы называются абсорберами (поглотителями) углекислого газа. В основе действия абсорбера углекислого газа заложен принцип захвата молекул СО2 специальным веществом.

На работе

Не устанавливаете воздухоочистители, которые не в состоянии удалять углекислый газ. Не забывайте, что кондиционеры лишь охлаждают внутренний воздух. Проверяйте то, как работает вентиляция, какое количество воздуха она подает в расчете на каждого сотрудника. Желательно, чтобы принтеры, фотокопировальные аппараты находились в отдельном помещении и использованный воздух из комнат, где они стоят, не подавался в офисное помещение.

В школе

Вот о чем следует задуматься родителям, чтобы понять хорошее ли качество воздуха в школе, где учится ребенок: ваш ребенок кашляет и чихает больше, чем раньше, у него начали проявляться симптомы аллергии и участились заболевания верхних дыхательных путей, ваш ребенок лучше себя чувствует в выходные дни, когда не ходит в школу. Тогда, возможно, уровень углекислого газа в классе, где он учится выше нормы. Кстати, его можно замерить специальными приборами, которые должны быть в арсенале санэпидслужб.

В спальне

Для хорошего качества сна и здоровья человека необходимо, чтобы уровень СО2 в спальнях и детских комнатах был не выше 0,08%. Ученые Технологического Университета Делф (Delft University of Technology), Нидерланды, считают, что для сна важнее качественный воздух в спальне, чем продолжительность сна. Высокий уровень СО2 в спальнях может также усиливать храп.

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассмотрено влияние концентрации углекислого газа на организм человека. Данная тема актуальна в связи с частым нарушением уровня комфортной концентрации СО 2 в закрытых помещениях, а также в связи с отсутствием в России нормативов на содержание углекислоты.

ABSTRACT

In this paper, the effect of the concentration of carbon dioxide on the human body is considered. The actual topic is topical in connection with the frequent violation of the level of comfort of CO 2 concentration in enclosed premises, as well as in concentration with the absence in Russia of standards for the content of carbon dioxide.

Дыхание - физиологический процесс, гарантирующий течение метаболизма. Для комфортного существования человек должен дышать воздухом, состоящим из 21,5% кислорода и 0,03 – 0,04% углекислого газа. Остальное заполняет двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха, один из самых распространённых элементов на Земле – азот.

Таблица 1.

Параметры содержания кислорода и углекислого газа в различных средах

При концентрации углекислого газа выше 0,1% (1000 ppm ) возникает ощущение духоты: общий дискомфорт, слабость, головная боль, снижение концентрации внимания.Также увеличивается частота и глубина дыхания, происходит сужение бронхов, а при концентрации выше 15% - спазм голосовой щели. При длительном нахождении в помещениях с избыточным количеством углекислого газа происходят изменения в кровеносной, центральной нервной, дыхательной системах, при умственной деятельности нарушается, восприятие, оперативная память, распределение внимания.

Существует ошибочное мнение, что это проявления нехватки кислорода. На самом деле, это признаки повышенного уровня углекислого газа в окружающем пространстве.

В то же время углекислый газ, необходим организму. Парциальное давление углекислого газа влияет на кору головного мозга, дыхательный и сосудодвигательный центры, углекислый газ также отвечает за тонус сосудов, бронхов, обмен веществ, секрецию гормонов, электролитный состав крови и тканей. А значит, опосредованно влияет на активность ферментов и скорость почти всех биохимических реакций организма.

Уменьшение содержания кислорода до 15% или увеличение до 80% не существенно влияет на организм. В то время как на изменение концентрации углекислого газа на 0,1% оказывает существенное негативное воздействие. Отсюда можно сделать вывод о том, что углекислый примерно в 60-80 раз важнее кислорода.

Таблица 2.

В зависимость количества выделяемого углекислого газа от вида деятельности человека

СО 2 л/час	Деятельность
18	Состояние спокойного бодрствования
24	Работа за компьютером
30	Ходьба
36
32-43	Работа по дому

Современный человек очень много времени проводит в помещении. В условиях сурового климата люди пребывают на улице всего 10 % своего времени.

В помещении концентрация углекислоты растет быстрее, чем понижается концентрация кислорода. Данную закономерность можно проследить по графикам, полученным опытным путем в одном из школьных классов

Рисунок 1. Зависимость уровня углекислого газа и кислорода от времени .

Уровень углекислого газа в классе во время урока (а) постоянно растет. (Первые 10 минут - настройка приборов, поэтому показания скачут.) За 15 минут перемены при открытом окне концентрация СО 2 падает и затем снова растет. Уровень кислорода (б) практически не меняется.

При концентрации углекислого газа внутри помещения выше 800 - 1000 ppm, люди, работающие там, испытывают синдром больного здания (СБЗ), а здания носят наименование «больные». Уровень примесей, которые могли бы вызвать раздражение слизистых оболочек, сухой кашель и головную боль растет значительно медленнее, чем уровень углекислого газа. А когда в офисном помещении его концентрация опускалась ниже 800 ppm (0,08%), то и симптомы СБЗ становились слабее. Проблема СБЗ стала актуальна после появления герметичных стеклопакетов и низкой эффективности принудительной вентиляции из-за экономии электроэнергии. Бесспорно, причинами СБЗ могут выступать выделения строительных и отделочных материалов, споры плесени и т д. при ненадлежащей вентиляции концентрация этих веществ будет расти, но не так быстро, как концентрация углекислоты.

Таблица 3.

Как разные количества углекислого газа в воздухе влияют на человека

Уровень СО 2 , ррm	Физиологические проявления
380-400	Идеальный для здоровья и хорошего самочувствия человека.
400-600	Нормальное качество воздуха.Рекомендовано для детских комнат, спален, школ и детских садов.
600-1000	Появляются жалобы на качество воздуха. У людей, страдающих астмой могут учащаться приступы.
Выше 1000	Общий дискомфорт, слабость, головная боль. Концентрация внимания падает на треть. Растет число ошибок в работе. Может привести к негативным изменениям в крови. Может вызывать проблемы с дыхательной и кровеносной системами.
Выше 2000	Количество ошибок в работе сильно возрастает. 70 % сотрудников не могут сосредоточиться на работе.

Проблема повышенного уровня углекислого газа в помещении существует во всех странах. Ей активно занимаются в Европе США и Канаде. В России нет жестких норм на содержание в помещениях углекислого газа. Обратимся к нормативной литературе. В России норма воздухообмена не менее 30 м 3 /ч . В Европе – 72 м 3 /ч .

Рассмотрим, как были получены данные цифры:

Главный критерий – это объем углекислого газа, выделяемый человеком. Он, как было рассмотрено ранее, зависит от вида деятельности человека, а также от возраста, пола и т. д. Большинство источников рассматривают 1000 ppm как предельно-допустимую концентрацию углекислоты в помещении для длительного пребывания.

Для расчётов будем использовать обозначения:

V - объем (воздуха, углекислого газа, и т.д.), м 3 ;
V k - объем комнаты, м 3 ;
V СО2 - объем СО 2 в помещении, м 3 ;
v - скорость газообмена, м 3 /ч;
v в - "скорость вентиляции", объем воздуха, подаваемого в помещение (и удаляемого из него) за единицу времени, м 3 /ч;
v d - "скорость дыхания", объем кислорода, замещаемого углекислым газом в единицу времени. Коэффициент дыхания (неравность объема потребляемого кислорода и выдыхаемого углекислого газа) не учитываем, м 3 /ч;
v СО2 - скорость изменения объема СО 2 , м 3 /ч;
k – концентрация, ppm;
k(t) - концентрация СО 2 от времени, ppm;
k в - концентрация СО 2 в подаваемом воздухе, ppm;
k max - максимально допустимая концентрация СО 2 в помещении, ppm;
t – время, ч.

Найдем изменение объема СО 2 в помещении. Оно зависит от поступления СО 2 с приточным воздухом из системы вентиляции, поступления СО 2 от дыхания и удаления загрязненного воздуха из помещения. Будем считать, что СО 2 равномерно распределяется по помещению. Это значительное упрощение модели, но дает возможность быстро оценить порядок величин.

dV СО2 (t) = dV в * k в + v d * dt - dV в * k(t)

Отсюда скорость изменения объема СО 2:

v СО2 (t) = v в * k в + v d - v в * k(t)

Если человек вошел в помещение, то концентрация СО 2 будет расти до тех пор, пока не придет к равновесному состоянию, т.е. удаляться из комнаты будет ровно столько, сколько поступила с дыханием. То есть скорость изменения концентрации будет равна нулю:

v в * k в + v d - v в * k = 0

Установившаяся концентрация будет равна:

k = k в + v d / v в

Отсюда легко выяснить необходимую скорость вентиляции при допустимой концентрации:

v в = v d / (k max – k в)

Для одного человека с v d = 20л/час (=0.02 м 3 /ч), k max = 1000ppm (=0.001) и чистым воздухом за окном с v в = 400ppm (=0.0004) получим:

v в = 0.02 / (0.001 - 0.0004) = 33 м 3 /ч.

Мы получили цифру, данную в СП. Это минимальный объем вентиляции на человека. Она не зависит от площади и объема комнаты, только от "скорости дыхания" и объема вентиляции. Таким образом, в состоянии спокойного бодрствования концентрация СО 2 вырастет до 1000 ppm, а при физической активности будет превышение норм.

Для других значений k max объем вентиляции должен быть:

Таблица 4 .

Требуемый воздухообмен для поддержания заданной концентрации СО 2

Концентрация СО 2 , ppm	Требуемый воздухообмен, м 3 /ч
1000	33
900	40
800	50
700	67
600	100
500	200

Из этой таблицы можно найти требуемый объем вентиляции при заданном качестве воздуха.

Таким образом, воздухообмен 30 м 3 /ч, принятый нормативным в России не позволяет чувствовать себя комфортно в помещении. Европейский стандарт воздухообмена 72 м 3 /ч позволяет одерживать концентрацию углекислого газа, не влияющую на самочувствие человека.

Список литературы:

1. И. В. Гурина. «Кто ответит за духоту в помещении» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://swegon.by/publications/0000396/ (Дата обращения: 25.06.2017)
2. Кислород и углекислый газ в крови человека. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.grandars.ru/college/medicina/kislorod-v-krovi.html (Дата обращения: 23.06.2017)
3. СП 60.13330.2012 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» стр. 60 (приложение К).
4. Что такое углекислый газ? [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://zenslim.ru/content/%D0%A3%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D0%B8%D1%81%D0%BB%D1%8B%D0%B9-%D0%B3%D0%B0%D0%B7-%D0%B2%D0%B0%D0%B6%D0%BD%D0%B5%D0%B5-%D0%BA%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%B0-%D0%B4%D0%BB%D1%8F-%D0%B6%D0%B8%D0%B7%D0%BD%D0%B8 (Дата обращения: 13.06.2017)
5. EN 13779 Ventilation for non-residential buildings – p.57 (Table A/11)

А.С.Голик, д.т.н., проф., СНПО «Горноспасатель»;
А.Ф.Син, к.т.н., ЦШ ВГСЧ; В.Р.Дингес, к.т.н., ОБР ВГСЧ

Успешные исследования подводных акваторий, космоса и воздушного пространства, использование регенеративных изолирующих аппаратов горноспасателями и шахтерами - напрямую зависят от содержания газового состава внутри помещения или дыхательного аппарата. Практика постоянного применения таких аппаратов обуславливает необходимость изучения влияния углекислого газа (CO2) на организм человека в сочетании с другими газами, например - с кислородом.

Представлению о физиологической роли СО2 в большей мере способствуют достижения в вопросах физиологии и биохимии клетки. Появилось новое понятие «внешняя среда» и «внутренняя среда», что имеет прямое отношение к рассматриваемому вопросу. Всем известно, что дыхание - это важнейшая потребность нашего организма в процессе его жизнеобеспечения. Процесс и функции дыхания очень тесно связаны со многими процессами нашего организма: с состоянием нервной системы, функцией кровообращения, обмена веществ и температуры тела и т.д.

В дыхании можно условно выделить внешнее дыхание (легочное - газообмен между атмосферой и клетками) и внутреннее - тканевое дыхание (окислительные процессы в клетках). Происходит постоянный газообмен между клетками нашего организма и атмосферой, который осуществляется через кровь и легочную ткань. Легочная ткань представляет собой образно «вторую кожу», которая защищает клетки от вредного, токсического действия кислорода. Воздух, содержащийся в легких, можно представить индивидуальной атмосферой в миниатюре. И основное ее отличие от окружающей атмосферы состоит в содержании углекислого газа. Разница в концентрации углекислого газа в альвеолах и в атмосфере - почти в 200 раз.

Содержание CO2 в атмосфере находится в пределах 0.03%, а в альвеолах легких - 5.7%. В непосредственной близости находятся как бы две разные атмосферы: одна внутри организма, другая снаружи. Причем они не смешиваются, усредняя газовый состав, а наоборот, организм старается поддерживать постоянство своей внутренней атмосферы. В легких происходит обмен кислорода и углекислого газа между альвеолами и кровью. При этом концентрация кислорода и углекислого газа в них различна. Газообмен происходит вследствие выравнивания этих концентраций, путем пассивной диффузии. Причем способность к продвижению через границу альвеола - капилляр (диффузионная способность), у углекислого газа выше, чем у кислорода в 25-30 раз. Диффузия газов в организме - это непрерывный процесс. Даже при остановке внешнего дыхания (например, при нырянии), прекратить газообмен в альвеолах произвольным усилием человека невозможно. В обычных условиях организмом используется лишь часть кислорода, поступающего в легкие. Во вдыхаемом воздухе содержание кислорода составляет 21%, CO2 - 0.3%, а в выдыхаемом, соответственно - 16% и 4.5%. В полости альвеол содержание кислорода 14%, а углекислого газа на уровне 5.5-6%. При гипоксической терапии на аппаратах гипоксикаторах возможно снижение кислорода до 10-12%. Это свидетельствует о том, что в нормальных условиях содержание кислорода в атмосфере и крови человека достаточное и с определенным «запасом прочности» обеспечивает нормальную жизнедеятельность организма.

Альвеолы легких покрыты густой сетью капилляров, в которые поступает кислород. По кровеносному руслу он доставляется к органам и тканям эритроцитами. Для этого в нем имеется специальный белок-гемоглобин. В сосудах легких к гемоглобину присоединяются молекулы кислорода. К каждой молекуле гемоглобина присоединяется 4 молекулы кислорода, образуя оксигемоглобин. В таком связанном виде кислород транспортируется по сосудам в клетки. Проходя через сердце, насыщенная кислородом кровь растекается по всему организму, но отделение кислорода от гемоглобина происходит только в мельчайших сосудах - в капиллярах. Содержание CO2 напрямую влияет на процесс отделения кислорода от гемоглобина. Если углекислого газа мало, то, несмотря на высокое содержание кислорода в крови, клетки «голодают», испытывают дефицит кислорода. В клетках развивается состояние гипоксии. И чем меньше углекислого газа, тем хуже кислород отделяется от гемоглобина и меньше кислорода поступает в клетки. Если очень активно и глубоко подышать, то можно впасть в обморочное состояние или почувствовать головокружение. Это связано с тем, что при усиленном дыхании снижается содержание CO2 в крови, вследствие этого ухудшается отделение кислорода от гемоглобина и снижается его поступление в клетки. По образному выражению F. Mischer (1893 г.) «Над кислородным снабжением организма углекислый газ простирает свои охраняющие крылья».

Итак, углекислый газ - первый фактор, влияющий на поступление кислорода из крови в клетки. Вторым фактором является проницаемость мембраны эритроцита. В мембране эритроцитов, при определенных ситуациях, возникают сквозные поры, через которые кислород выходит из эритроцита. Физики установили, что после выхода эритроцита из капилляров легких в кровеносное русло проницаемость его мембраны уменьшается в 104 раз. Для того, чтобы эти поры открылись, необходимо создать определенное давление на эритроцит.

Оказалось, что проницаемость мембраны зависит от напряженности электрического поля в оболочке эритроцита. При сильном сжатии, плотном контакте стенок эритроцита и капилляра, напряженность поля снижается, и проницаемость мембраны увеличивается. Открывается необходимое количество пор, через которые эритроцит выпускает порцию кислорода. На его место к гемоглобину присоединяются молекулы CO2 и эритроциты направляются к легким, чтобы отдать его альвеолам и взять новую порцию кислорода.

При переходе CO2 из тканей в кровь происходит ее гидратация, а при переходе CO2 из крови в альвеолярный воздух - дегидратация Н2СО3. Обе реакции гидратации и дегидратации протекают медленно. Установлено, что значительное ускорение этих реакций происходит благодаря фермен-

ту, названному угольной ангидразой или карбоангидразой, которая находится в эритроцитах. Углекислый газ в организме человека образуется как конечный продукт обмена веществ. Проходя через стенку тканевых капилляров, она частично растворяется в плазме крови. Большая ее часть находится в химически связанном виде с различными основаниями, образуя бикарбонаты: в плазме - №НС03, а в эритроцитах - КНС03. В костях CO2 находится в виде карбоната кальция.

Углекислый газ играет важную роль в поддержании кислотно-щелочного баланса в организме. Важнейшим условием нормального функционирования организма является постоянство активной реакции крови и тканевых жидкостей, что напрямую связано с тканевым дыханием.

В процессе обмена веществ существуют два понятия: аэробный процесс и анаэробный. Под аэробным процессом понимают обмен веществ в организме, связанный с использованием кислорода, его еще называют аэробный метаболизм. Если химические реакции протекают без участия кислорода, то такие процессы считают анаэробными (без-кислородными). Естественной моделью изучения резервов организма является спортивная деятельность. Об абсолютных и даже относительных величинах резервных возможностей человека известно еще очень мало. Предполагается, что человек в условиях повседневной жизни выполняет работу в пределах до 35% от своих абсолютных возможностей. Эта работа выполняется свободно, без затрат волевых усилий. При работе в диапазоне 35-50% возможностей требуются волевые усилия и такая работа приводит к утомлению. Выше 65% абсолютных возможностей лежит «порог мобилизации». За пределами этой границы остаются только автономно охраняемые резервы организма, использование которых невозможно при помощи волевого усилия. Аэробные процессы являются основными, ведущими, а анаэробные - вспомогательными или резервными. Анаэробные процессы почти постоянно сопровождают аэробные. Например, при усиленной физической нагрузке и большом поступлении кислорода в организм, помимо аэробного способа расщепления глюкозы, обязательно включается анаэробный. Если при интенсивной работе скелетных мышц аэробные процессы усиливаются в десятки раз, то анаэробные процессы усиливаются в сотни раз. Это природный, стратегический резерв организма. В начале своего жизненного пути человек вообще не нуждается в кислороде и, как показали исследования, устойчивость новорожденных к дефициту кислорода в 8-10 раз выше, чем у взрослых. Анаэробные процессы заложены как бы в памяти организма и, при необходимости, способны включаться в экстремальных случаях. Определенная концентрация СО2 в клетках является абсолютно необходимым условием нормального протекания всех биохимических процессов. Например, снижение СО2 в легких при углубленном дыхании сдвигает рН в щелочную сторону, что изменяет активность ферментов и витаминов. Это изменение активности регуляторов обмена веществ нарушает нормальное протекание обменных процессов и ведет к гибели клеток. Снижение концентрации углекислого газа в легких (гипо-капния) вызывает защитные реакции организма - спазм бронхов и сосудов, что уменьшает кровоток и вызывает гипоксию тканей. Кислородное голодание тканей, достигнув угрожающей организму степени, вызывает у некоторых индивидуумов повышение артериального давления (гипертонию). Гиперкап-ния (умеренное повышение углекислого газа во вдыхаемой смеси) естественно возбуждает все гиперкапнические хемо-рецепторы и дыхательный центр, что вызывает ответное усиление вентиляции легких, снижение тонуса гладкой мускулатуры бронхов и сосудов. Постепенным, медленным повышением уровня гиперкапнии удается добиться повышения устойчивости хеморецеп-торов и нейронов дыхательного центра

к гиперкапническому стимулу, что повышает устойчивость дыхательной системы при физических нагрузках, активизирует метаболические процессы в организме. Кроме того, углекислый газ значительно тормозит реакции образования активных форм кислорода (свободных радикалов), защищая, таким образом, клетки от разрушения. К сожалению, реакции анаэробного типа приводят к кислородному долгу и накоплению в тканях недоокисленных продуктов распада (например, молочной и пи-ровиноградной кислот), что вызывает болевую реакцию в мышцах, предопределяя, тем самым, кратковременность использования организмом механизма «второго дыхания». Постепенно использование анаэробного типа дыхания приводит к изменениям во внутренней среде, что в конечном итоге повышает устойчивость организма к действию этих неблагоприятных изменений.

Оценка влияния CO2, добавляемого к вдыхаемой газовой смеси, на потребление кислорода при острой гипоксии имеет парадоксальные результаты. По логике при кислородном дефиците увеличение CO2 в дыхательной смеси должно усугубить действие гипоксии и ухудшить и без того тяжелое состояние организма. В действительности все оказалось наоборот, и добавление углекислого газа к бедной кислородом дыхательной смеси только улучшае самочувствие человека. То же происходит и при высоком содержании кислорода в дыхательной смеси. Так, при проведении испытаний нового регенеративного самоспасателя в Кузбасссе было установлено, что за 2 часа 50 минут дыхания в самоспасателе содержание CO2 в выдыхаемом воздухе в последние 50 минут составляло 4.1-6.5%, кислорода 32-50 %. И, хотя артериальное давление и частота пульса у респи-раторщика Д.В. Емельянова повысились со 120/70 (PS = 70 мин-1) до 140/90 (PS = 100 мин-1), он абсолютно не чувствовал какого-либо дискомфорта или напряжения при дыхании (табл. 1).

При повторных испытаниях аппарата ситуация повторилась. Здесь уже 1 час 40 минут испытатель (респира-торщик В.М. Татауров, 1961 г. рожд.) дышал смесью с повышенным содержанием CO2. Также отмечено незначительное повышение артериального давления со 120/85 (PS = 80 мин-1) до 130/90 (PS = 108 мин-1), и также не наблюдалось какого-либо дискомфорта при дыхании (табл. 2).

В процессе испытаний оба испытателя передвигались по горизонтальной поверхности со скоростью 5-6 км/ч.

Ранее в лаборатории известного физиолога М.Е. Маршака проводились исследования влияния гипер- и гипокап-нии на скорость вымывания азота из организма человека (Л.И. Ардашнико-ва, 1948 г. рожд.).

Регистрировалась динамика изменения количества выделяемого азота в разные отрезки времени после переключения на дыхание чистым кислородом или смесью кислорода и углекислого газа. В табл. 3 приводятся данные о выделении азота при

дыхании чистым кислородом и его смесью с 3-5% CO2 .

Данные табл. 3 показывают, что при вдыхании газовой смеси кислорода и 3-5% углекислого газа скорость выделения азота из организма человека уменьшается. И наоборот - после прекращения дыхания газовой смесью скорость выделения азота увеличивается. При гипоксии происходит понижение кислорода в артериальной крови, которое вызывает усиленное дыхание и вымывание CO2 из организма. Возникает гипокапния, которая, в свою очередь, предполагает повышенную потребность в кислороде. Добавление СО2 к бедной кислородом газовой смеси ликвидирует гипокап-нию и потребность в кислороде снижается, при этом улучшается снабжение кислородом головного мозга и сердца за счет уменьшения снабжения кислородом скелетных мышц.

Проблема в том, что эти исследования проводились при нормальном дыхании человека без использования каких-либо средств индивидуальной защиты органов дыхания. Современные изолирующие самоспасатели типа ШСС-1Т и ШСС-1У, применяемые в горнорудной промышленности, работают на химически связанном кислороде и имеют на вдохе концентрацию чистого кислорода 80-100%. Техническими условиями эксплуатации данных самоспасателей предусмотрено иметь на вдохе содержание CO2 не более 1%. Отсутствие влажности и высокая температура почти чистого кислорода на вдохе создают дискомфорт при дыхании, который выражается чувством жжения и першения в горле уже через 30-40 минут.

На наш взгляд, добавление углекислого газа в дыхательную смесь должно решить проблему комфортности дыхания в изолирующих СИЗ. Для этого необходимо провести медицинские исследования по установлению границ содержания CO2 в дыхательной смеси и времени, в течение которого можно дышать этой смесью без особого вреда для организма человека.

ЛИТЕРАТУРА:

1. ГОСТ Р 12.4.220-2001 «Средства индивидуальной защиты органов дыхания. Аппараты изолирующие автономные с химически связанным кислородом (самоспасатели)», -М.: Госстандарт России.
2. Зинатулин С.Н. Как я жил без кислорода. -Новосибирск: ООО «Динамика» 2005, с. 28.
3. Правила безопасности в угольных шахтах. -М 2003 г.
4. Маршак М.Е. Физиологическое значение углекислоты. -М.: «Медицина»-1969, с. 122
5. Протоколы испытаний регенеративного изолирующего самоспасателя., -Кемерово, 2006 г.

Регуляция процесса дыхания – это очень действенный инструмент настройки своего организма. Но и одновременно очень сложный, так как дыхание – это преимущественно автоматический процесс. Воздух вокруг нас тоже влияет на наше здоровье и наш организм подстраивается под него, меняя процесс газообмена. Сегодня я расскажу про две крайности, связанные с нарушениями обмена углекислого газа: недостаток углекислого газа (гипокапния), который возникает обычно при учащенном дыхании и избыток углекислого газа (гиперкапния), который случается в помещениях с недостаточной вентиляцией (так как люди при дыхании выделяют значительные количества углекислого газа). Важно понять, что углекислый газ – это не просто продукт обмена веществ, но и регулирующая молекула. Уровень углекислого газа в крови связан с регуляцией кислотно-основного обмена, а также с регуляцией тонуса сосудов, в первую очередь – головного мозга. Поэтому при учащенном дыхании (которое вызывает гипокапнию) сосуды головного мозга сужаются и мы можем потерять сознание, а при гиперкапнии (душное помещение) – сосуды слишком расширяются, что может привести к сонливости, ухудшению оттока крови и головной боли. Ну и расскажу зачем люди дышат в пакет, само собой.

Гипервентиляция или зачем дышат в пакет.

Во время паники или истерики у людей часто бывает учащенное дыхание (гипервентиляция). При этом в крови оказывается слишком много кислорода и слишком мало углекислого газа, что приводит к нарушению работы мозга – возникает головокружение, человек может упасть в обморок. Самый простой выход из положения – дышать в пакет, т.е. вдыхать свой же выдох, при этом содержание газов в крови останется в норме. Также дышать в пакет или задерживать дыхание помогает против икоты. Если же вы задержите дыхание на некоторое время, то уровень СО2 возрастёт. Дыша в бумажный пакет, вы будете вдыхать больше СО2, и это поспособствует нормализации рН, после чего вы снова сможете нормально дышать. Правда, это не самое эффективное решение проблемы — врачи рекомендуют в таких случаях использовать специальные дыхательные техники медленного равномерного дыхания.

Дышать в бумажный пакет долгое время было первой помощью при гипервентиляции. Теория такова: повторное дыхание в бумажный пакет позволит пациенту заместить двуокись углерода, которую он выдохнул во время приступа гипервентиляции. "Дышать в бумажный пакет хорошо в том случае, если вы раньше испытывали гипервентиляцию, были осмотрены врачом и уверены, что у вас ничего серьезного нет, - считает д-р Харрисон. - У большинства людей с гипервентиляцией имеются ее симптомы, но у некоторых могут быть более серьезные проблемы". Использование бумажного пакета помогает некоторым не только приостановить приступ, но и предупредить его.

Когда некоторые люди пугаются, они дышат часто и глубоко, даже если им не нужен дополнительный кислород. Только что вы дышали нормально, и вдруг дыхание учащается, пальцы дрожат, ладони потеют. У вас такое чувство, что вы вот-вот умрете, но в любом случае вы останетесь жить, чтобы уплатить налоги за следующий год. В большинстве случаев гипервентиляция вызывается нервным перенапряжением. Это приводит к тому, что они выдыхают большое количество двуокиси углерода, а избыточная потеря двуокиси углерода вызывает щелочной сдвиг в крови. Это в свою очередь вызывает симптомы "приступа паники". Приступ гипервентиляции может продолжаться часами, но в типичных случаях длится от 20 до 30 минут. Но тем, кто страдает тяжелыми приступами, может казаться, что они длятся несколько часов. Кроме того, приступы гипервентиляции могут повторяться, и следует научиться тому, как их остановить или предупредить.

Недостаток углекислого газа действует на мозг возбуждающе, и получается замкнутый круг: от волнения люди начинают чаще дышать, а от частого дыхания усиливается волнение. (Кроме того, повышенная возбудимость мозга может приводить к судорогам.).

Когда уровень углекислого газа в крови низок, кровь ощелачивается, что приводит к сужению кровеносных сосудов и ухудшению кровотока. Это может быть очень опасным, поскольку приводит к снижению кровоснабжения мозга и других жизненно важных органов, что приводит к помутнению сознания, головокружению, ухудшению зрения, мышечным судорогам и беспричинной тревожности.

Более подробно:

Эффект Вериго-Бора или почему при частом дыхании мы задыхаемся.

Это явление первым открыл беларус Бронислав Вериго, который происходил из шляхты Полоцкого воеводства герба Сшенява. Родился в Витебской губернии, закончив в 1877 году Витебскую гимназию, впоследствии работал в лабораториях Сеченова, И. Р. Тарханова и И. И. Мечникова. Там он впервые установил зависимость степени диссоциации оксигемоглобина от величины парциального давления углекислоты в крови.

Он выяснил, что на связывание кислорода гемоглобином очень сильное влияние оказывает pH и концентрация CO2: при присоединении CO2 и ионов H+ способность гемоглобина связывать O2 снижается. Действительно, в периферических тканях с относительно низким значением pH и высокой концентрацией CO2 сродство гемоглобина к кислороду падает. И наоборот, в лёгочных капиллярах выделение CO2 и сопутствующее ему повышение pH крови приводит к увеличению сродства гемоглобина к кислороду. Это влияние величины pH и концентрации CO2 на связывание и освобождение O2 гемоглобином и называют эффектом Вериго — Бора.

Говоря проще, уменьшение СО2 в крови повышает связь кислорода и гемоглобина и затрудняет поступление кислорода в клетки. Уменьшение кислородного притока в ткани вызывает кислородное голодание тканей - гипоксию.

Углекислый газ - СО 2 - представляет собой бесцветный газ. Он в 1,52 раза тяжелее воздуха, не.горит и не поддерживает горения. В атмосферном воздухе его содержится ничтожно мало--около 0,04%.

Для поддержания нормальной жизнедеятельности человек постоянно потребляет кислород и выделяет углекислый газ. Концентрация этих газов в крови и тканях находится на определенном уровне.

Постоянство внутренней газовой среды регулируется работой сердечно-сосудистой системы и органов дыхания, т. е, усилением или замедлением кровообращения и дыхания.. Углекислый газ выделяется из организма через легкие во время выдоха. На поверхности в покое в 1 мин. человек выдыхает в среднем 250-300 см 3 углекислою газа. При подводных же работах у водолазов выделение углекислоты резко возрастает и достигает 1000-1600 см 3 в 1 мин.

Наряду с кислородом углекислый газ является физиологическим регулятором дыхания и кровообращения. При увеличении содержания СО 2 в крови и тканях происходит учащение и углубление дыхания, усиление и ускорение сердечной деятельности. Таким путем организм освобождается от избытка углекислоты. Если это не удается сделать - происходит отравление.

В атмосферных условиях в легких, а точнее в альвеолярном воздухе, концентрация СО 2 постоянно поддерживается на определенном уровне (в среднем 5,5%), и организм очень чувствителен к ее изменениям. Так, при увеличении содержания СО 2 на 0,2% объем легочной вентиляции 1 увеличивается в два раза, а при уменьшении на ту же величину происходит временная естественная остановка дыхания (апноэ).

При дыхании сжатым воздухом, когда парциальное давление кислорода повышено и кровь хорошо им насыщена (недостаток кислорода не ощущается), регуляция дыхания сводится к поддержанию постоянства напряжения углекислого газа в легких. Эффективность дыхания в этих условиях оценивается по обеспечению нормального парциального давления СО 2 в альвеолярном воздухе. Удаление углекислого газа из организма при дыхании сжатым воздухом или искусственными газовыми смесями под повышенным: давлением в этих условиях возможно лишь при достаточном объеме-легочной вентиляции. Значительное сокращение легочной вентиляции неминуемо приводит к накоплению СО 2 и отравлению организма.

У водолазов отравление углекислым газом может произойти при работе в водолазном снаряжении любого типа, а также при нахождении в рекомпрессионной камере, когда содержание СО 2 во вдыхаемом воздухе выше 1 % (приведенному к нормальному давлению).

Причины накопления углекислого газа.

В вентилируемом снаряжении отравление может наступить при недостаточной вентиляции скафандра или прекращении подачи воздуха с поверхности из-за неисправности водолазной помпы (компрессора), обрыва или сдавливания воздушного шланга, уменьшения его просвета вследствие промерзания.
В кислородных, аппаратах причинами избыточного накопления углекислоты чаще всего являются: неисправность клапана вдоха, низкое качество или полная отработка химпоглотителя, отсутствие химпоглотителя в коробке. Просачивание углекислого газа через коробку поглотителя может наблюдаться и при хорошем его качестве, но при неполном заполнении им коробки. В этом случае, во-первых, становится меньшим время действия поглотителя против расчетного из-за уменьшения поглотительной поверхности и, во-вторых, при наклоне коробки выдыхаемый воздух проходит по стенке коробки, минуя поглотитель.
При неисправности клапана вдоха выдыхаемая смесь только частично проходит через коробку химпоглотителя, основная же масса возвращается в дыхательный мешок через дефект клапана вдоха, и в мешке концентрация СО 2 очень быстро увеличивается.
В снаряжении автономного типа на сжатом воздухе углекислый газ не накапливается, так как выдох осуществляется в воду. Отравление возможно лишь в том случае, если зарядка баллонов производилась воздухом с примесью углекислого газа или выхлопных газов.
В рекомпрессионной камере причиной отравления СО 2 является нарушение режима вентиляции, который устанавливается в зависимости от объема камеры и числа лиц, находящихся в ней.

Признаки отравления углекислым газом . Дыхание воздухом с примесью до 1 % СО 2 может осуществляться длительное время без существенных изменений самочувствия водолаза. При увеличении концентрации свыше 2-3% появляются типичные признаки отравления: одышка, усиливающаяся при малейшей физической нагрузке, головная боль, головокружение, шум и звон в ушах, тошнота, слюнотечение, потливость лица. Если во вдыхаемом воздухе содержание углекислоты достигает 5-6%, одышка и головная боль становятся нестерпимыми, быстро нарастает общая слабость. Дальнейшее увеличение концентрации СО 2 вызывает судороги, потерю сознания, глубокий сон. Вскоре судороги прекращаются, дыхание становится более редким и поверхностным. Затем дыхание останавливается и может наступить смерть.

В случае быстрого накопления углекислого газа, что наблюдается при работе в кислородном снаряжении, где объем замкнутого пространства ограничен 8-10 л, отравление наступает быстро, без постепенного проявления признаков. Иногда потеря сознания наступает внезапно.

Отравление углекислым газом в вентилируемом снаряжении происходит медленно, так как объем скафандра велик (60-80 л) и для накопления отравляющей концентрации СО 2 требуется больше времени.

Первая помощь . При первых признаках отравления водолаз должен прекратить работу, доложить об этом на поверхность и потребовать увеличения подачи воздуха для лучшей вентиляции скафандра. Если эти меры не приводят к улучшению самочувствия, он должен подняться на поверхность с соблюдением режима декомпрессии. Во время подъема необходимо хорошо провентилировать скафандр, а по выходе на поверхность дышать кислородом в течение 15-20 мин.

При появлении признаков отравления во время работы в кислородном снаряжении необходимо прекратить работу, заменить дыхательную смесь в дыхательном мешке и выйти на поверхность.

В тяжелых случаях отравления с потерей сознания под водой пострадавшего извлекают на поверхность с помощью страхующего водолаза, быстро освобождают от снаряжения и приступают к оказанию помощи (дача кислорода, искусственное дыхание при отсутствии дыхания, введение стимуляторов сердечной деятельности и дыхания).

Предупреждение отравления углекислым газом . При работе в вентилируемом снаряжении компрессор, помпы и секции баллонов со сжатым воздухом должны находиться в исправном состоянии. Следует систематически производить рабочую проверку и испытание шлангов. Вентиляцию в скафандре поддерживать в пределах 80-100 л мин. Контроль за качеством воздуха, подаваемого водолазу, осуществляется путем расчета, а расход воздуха определяется по манометру (при подаче воздуха от компрессора) или по числу оборотов помпы (если подача воздуха от водолазной помпы).

В зимних условиях нельзя допускать промерзания шлангов.

При работе в кислородном снаряжении перед каждым погружением необходимо проводить рабочую проверку снаряжения, обращая особое внимание на исправность клапанов вдоха и выдоха. Перед зарядкой патрона проверить качество химпоглотителя или регенеративного вещества. Первоначальная насыщенность химпоглотителя углекислым газом не должна превышать 15 л/кг, а регенеративного вещества - 20 л/кг. Нельзя допускать увеличения времени пребывания под водой свыше расчетного, в течение которого действует химпоглотитель.

Во избежание ошибки при зарядке дыхательных аппаратов не допускается высыпание отработанного химпоглотителя в порожние барабаны из-под химпоглотителя.