Биологические проблемы погружения

Наиболее сложными биологическими проблемами, препятствующими в настоящее время погружению человека на большие глубины, являются проблемы преодоления нарушения функции дыхания и неврологических расстройств, возникающих при повышении давления воздуха более 6 кг/см², т. е. на глубинах свыше 60 м.

1. Азотный наркоз. На этих глубинах при дыхании водолазов воздухом возникает состояние так называемого азотного наркоза, которое характеризуется снижением работоспособности, сонливостью, галлюцинациями, потерей ощущения времени, пространства. Большинство исследователей считают основной причиной такого состояния специфическое действие повышенного парциального давления азота, однако показано также потенциирующее влияние на формирование азотного наркоза повышенного давления кислорода, углекислого газа и общего охлаждения организма. Одним из главных факторов, способствующих накоплению углекислого газа в организме и увеличению охлаждающих свойств газов в условиях гипербарии, является повышение плотности газов, влияющее на диффузию газов в легких и теплообмен.

2. Нервный синдром высокого давления (НСВД). При замене в составе дыхательной смеси азота на менее плотный газ – гелий – удается исключить явления азотного наркоза и благодаря этому значительно увеличить глубину погружения. Однако при большой скорости погружения, на глубинах 300–350 м, у человека возникают неврологические расстройства, клиническое проявление которых отличается от состояния азотного наркоза. Эти нервные расстройства характеризуются комплексом симптомов, свидетельствующих о повышении возбудимости различных структур центральной нервной системы (тремор, гиперкинезы и др.). Возникновение состояния повышенной возбудимости в условиях гипербарии при дыхании гелиокислородными смесями известно в настоящее время под названием нервного синдрома высокого давления. Полагают, что причинами НСВД могут быть давление само по себе, действие гелия под повышенным давлением, тепловой стресс, а также накопление углекислого газа в тканях организма в условиях повышенной плотности дыхательной смеси.

На основе результатов изучения НСВД некоторые исследователи сделали вывод, что предельная глубина погружения человека при применении смесей, содержащих гелий, – 300 м, подобно тому как при дыхании газовыми смесями, содержащими азот, предельной является глубина в 60 м. Однако оказалось, что можно создать условия, отдаляющие неблагоприятное действие высокого давления. Таким образом, была обоснована возможность преодоления человеком НСВД на глубинах более 300 м. За последнее столетие удалось увеличить глубину погружения человека с 10–30 до 501 м, а продолжительность нахождения под водой – от нескольких минут до месяца.

Методы предупреждения НСВД. Для профилактики НСВД при достижении рекордной глубины погружения (610 м) французским исследователям фирмы «СОМЕХ» потребовалось столь медленно погружать водолазов, что общее время компрессии составило 264 ч. Снижение скорости компрессии при погружении на большие глубины является в настоящее время наиболее распространенным методом предупреждения развития НСВД на глубинах более 200 м.

• Однако в поисках новых методов профилактики НСВД исследования проводятся и в других направлениях. Например, значительное сокращение периода компрессии водолазов при погружении на глубины 475 м без выраженных признаков НСВД было достигнуто при использовании для дыхания газовых смесей с компонентами-антагонистами – гелий и азот в соотношении 10: 1.

• Большое внимание в последнее время уделяется профилактике и терапии симптомов НСВД с помощью фармакологических средств. Применяя газы-антагонисты и фармакологические средства, удалось довести глубину погружения высших животных (приматов) без выраженных признаков НСВД до 1000 м.

• В последние годы в отделе подводной биомедицины Научно-исследовательского института гигиены водного транспорта Министерства здравоохранения РФ успешно развиваются нейрофизиологические исследования с целью выявления ранних признаков НСВД с помощью экспресс-диагностики состояния животных при разной скорости компрессии и в будущем на основе этих данных управления параметрами среды гипербарических камер.

• Многие исследователи полагают, что основную роль в решении проблемы преодоления НСВД будет играть отбор и тренировка людей, наиболее устойчивых к воздействиям гипербарии.

• Исследование механизмов развития и путей профилактики НСВД в настоящее время достаточно быстро прогрессирует. Если проблема преодоления НСВД будет решена, то откроются реальные возможности погружения человека на большие глубины с использованием в качестве среды для дыхания газовых смесей с гелием. До недавнего времени такой прогноз был невозможен из-за отсутствия убедительных экспериментальных данных о возможностях преодоления человеком другого физиологического барьера – высокой плотности газовой смеси. Предполагалось, что функция дыхания человека и в состоянии покоя, и особенно при физических нагрузках, при увеличении плотности газовой среды более чем в 10 раз относительно обычной не сможет обеспечить адекватный газообмен. Такой величины плотность воздуха достигает при погружении человека на глубину 100 м, а плотность гелиокислородных смесей – при погружении на глубину 600 м.

На основании данных о физических закономерностях диффузии газов в условиях повышенной плотности, а также результатов экспериментальных исследований, была сформулирована теория, согласно которой гипоксические состояния в условиях гипербарии связаны с недостаточностью функции дыхания. Однако исследования, в которых водолазам предлагалось во время пребывания в камере при давлении 37 кг/см² переключаться на дыхание газовыми смесями, содержащими неон, показали отсутствие гипоксических состояний как в условиях покоя, так и при тяжелых мышечных нагрузках. В этих исследованиях при дыхании газовыми смесями, содержащими неон, плотность среды была увеличена более чем в 28 раз по сравнению с обычной. Таким образом, были смоделированы возможности респираторной системы человека успешно обеспечивать газообмен при плотности дыхательной смеси, эквивалентной той, которая возникает при дыхании гелиокислородными смесями на глубине 1500 м.

3. Токсическое действие кислорода при гипербарии. До настоящего времени это остается очень важной и сложной проблемой. Повышенное содержание кислорода в дыхательных смесях водолазов и кессонных рабочих впервые применил П. Бер. Гипероксические смеси он использовал для профилактики и лечения декомпрессионных расстройств, возникающих после работы в среде повышенного давления. В дальнейшем содержание кислорода в газовых смесях для дыхания водолазов стали повышать с целью снижения содержания в них инертных газов и сокращения режимов декомпрессии. Были установлены безопасные границы применения высоких концентраций кислорода при кратковременном действии повышенного давления. Однако при глубоководных погружениях и длительном пребывании человека в условиях гипербарии становится очевидным неблагоприятное влияние длительного воздействия и относительно малых величин повышения концентрации кислорода в дыхательной смеси, необходимых для обеспечения газообмена в среде повышенной плотности.

Если до последнего времени при пребывании в газовой среде в условиях гипербарии считалось приемлемым повышение содержания кислорода до 0, 35 кг/см², а при работе в водолазном снаряжении – увеличение содержания кислорода до 1 кг/см², то в настоящее время стало ясно, что содержание кислорода в среде для дыхания водолазов должно быть максимально приближено к нормальному. Было показано, что в результате гипероксического воздействия при гипербарии как в состоянии покоя, так и особенно во время мышечной деятельности возникают гиперкапния и дыхательный ацидоз вследствие изменения чувствительности дыхательного центра к рН и СО₂ в гипероксической среде при повышенном атмосферном давлении, блокирования механизма элиминации СО₂ гемоглобином и снижения эффективности кровообращения в легких. Таким образом, один из главных вопросов, требующих своего разрешения в настоящее время, – определение нижней границы токсического действия кислорода, особенно при длительном воздействии среды при повышенном атмосферном давлении. В этом плане перспективным направлением исследований является изучение возможностей ферментных систем и биологических антиоксидантов.

4. Нарушение температурного гомеостаза. Другой физиологический барьер, препятствующий погружению человека на большие глубины, – обеспечение температурного гомеостаза организма при погружении в барокамере, и особенно при выходе водолазов в окружающую толщу воды. В настоящее время известно, что по мере повышения давления зона температурного комфорта все более сужается, по величине приближаясь к температуре тела.

При высоких давлениях в гелиокислородной среде для создания комфортных условий требуется значительно большее повышение окружающей температуры, чем в обычных условиях. В последнее время получены данные о неадекватности теплоощущений человека в гипербарической среде относительно реального теплового состояния организма. Также известно, что зоны комфортных температур значительно изменяются в условиях покоя или работы. Они в большей мере зависят также от уровня энергопродукции человека, т. е. от характера его деятельности.

По мере увеличения барометрического давления или глубины погружения все более актуальной становится проблема оценки истинного теплового состояния организма и оперативного регулирования микроклимата водолазных барокамер.

5. Декомпрессия. Несмотря на более чем столетнюю историю изучения, до настоящего времени эта проблема не решена. Она, по-видимому, будет актуальной до тех пор, пока применяются методы погружения человека, при которых дыхание происходит при давлениях, соответствующих глубине погружения.

Первые исследования возможностей дыхания жидкими смесями были встречены с энтузиазмом, однако до реального использования их человеком еще далеко.

В связи с этим актуальными остаются исследования, направленные на:

– сокращение периодов декомпрессии после пребывания под давлением;

– раннюю диагностику, лечение и профилактику заболеваний, связанных с декомпрессией.

В поисках способов сокращения декомпрессии исследуются механизмы сатурации и десатурации тканей организма при гипербарии с целью разработки режимов плавной, близкой к физиологической кривой десатурации.

Большое внимание уделяется исследованиям возможностей сокращения периода декомпрессии за счет периодического переключения человека на дыхание различными инертными газами.

Представляются актуальными также исследования, направленные на создание аппаратуры, позволяющей следить за ходом индивидуального процесса десатурации с последующей корректировкой режима декомпрессии. Последнее имеет также большое значение для профилактики и ранней диагностики заболеваний, связанных с декомпрессией.