Углекислый газ как действует на человека. Отравление углекислым газом, влияние углекислого газа на организм человека

Всем известно, что растения обладают способностью продуцировать в процессе фотосинтеза большое количество кислорода, а взамен поглощать углекислый газ. Он является продуктом воздухообмена всего живого на земле, в том числе и растений. Кроме того, он широко используется в различных сферах жизни, а также скапливается в плотно закрытых помещениях, чем создает опасность вдыхания вредных для здоровья доз. Высокие концентрации этого вещества вызывают отравление углекислым газом.

Углекислый газ и его применение

Углекислый газ – это химическое соединение двуокись углерода (CO2), являющееся ангидридом угольной кислоты. Он постоянно находится в атмосфере в пределах 0,03%, в выдыхаемом человеком воздухе его концентрация составляет около 4%.

В результате взаимодействия двуокиси углерода с водой образуется неустойчивая угольная кислота. Газ отличается следующими характеристиками:

• Почти не имеет ни запаха, ни цвета, под определенным давлением способен преобразовываться в жидкое состояние, а при испарении – превращаться в белоснежную массу, в прессованном виде составляющую основу так называемого «сухого льда».
• Не обладает горючестью (что используется в противопожарных устройствах) и способен растворяться в воде под давлением (так производятся газированные напитки).

Разнообразные свойства CO2 нашли применение в металлургии и химической промышленности, в холодильных камерах, при тушении пожаров, во время сварочных работ.

В больших концентрациях соединение токсично и может вызвать отравление.

Как можно отравиться двуокисью углерода

Небольшое количество двуокиси углерода всегда присутствует в окружающем воздухе. Безопасная для человека концентрация в естественной среде составляет 0,03-0,2%. Однако существуют определенные условия, при которых уровень CO2 может быть повышенным:

1. В помещениях озокеритовых и угольных шахт. Там допускается повышение содержания CO2 до уровня 0,5%. Если уровень будет повышаться, а кислорода – понижаться, отравление неизбежно.
2. В других промышленных помещениях – внутри сатурационных котлов на сахарных заводах, смотровых колодцев канализационной и водопроводной сетей, бродильных отделений пивоварен. Работники подобных предприятий чаще других подвержены интоксикации.
3. При частом контакте с «сухим льдом» в связи с профессиональной деятельностью.
4. При нарушении технологии во время установки систем воздухообмена в подводных лодках, помещениях метрополитена, на подводных океанографических станциях, в снаряжении дайверов.
5. В редко проветриваемых помещениях с большим количеством людей (например, в школьных классах или душных офисах, особенно с пластиковыми рамами на окнах) может возникнуть легкая степень отравления.

Высокая доза CO2 приводит к поражению дыхательной системы, но также может раздражать слизистые оболочки и кожу (например, прикосновение к «сухому льду» способно вызвать серьезный ожог).

Признаки острого отравления могут быть различны в зависимости от степени интоксикации и концентрации углекислого газа.

Признаки острого отравления углекислым газом

Выраженность симптомов интоксикации двуокисью углерода зависит от уровня содержания газа во вдыхаемом воздухе.

Легкая степень

При концентрации газа выше 2% отравление проявляется:

• общей слабостью;
• повышенной сонливостью;
• головной болью.

Средняя степень

При уровне содержания от 5 до 8% раздражаются слизистые оболочки дыхательных путей и органов зрения, понижается температура тела, повышается артериальное давление, учащается и углубляется дыхание. Все это сопровождается:

• тошнотой;
• одышкой;
• сердцебиением;
• чувством жара;
• головной болью;
• головокружением;
• чрезмерной возбудимостью;
• шумом в ушах.

Тяжелая степень

Концентрация CO2 более 3% в условиях закрытого помещения при 13,6%-ном содержании кислорода может привести к удушению, а более высокие дозы считаются смертельными и грозят летальным исходом от остановки дыхания. Тем не менее, при оказании незамедлительных мер помощи пострадавшему даже при тяжелой степени интоксикации возможен выход из этого состояния, хоть и с тяжелыми последствиями. Обычно они проявляются:

• ретроградной амнезией;
• чувством стеснения в груди;
• общей слабостью;
• головной болью и другими остаточными явлениями.

Последствиями тяжелой степени отравления нередко становятся пневмония или бронхит.

Как помочь пострадавшему

Первая помощь при отравлении углекислым газом, чтобы предотвратить летальный исход, должна быть оказана следующим образом:

1. Прежде всего нужно вывести пострадавшего с явными признаками интоксикации на свежий воздух и освободить его от одежды, стесняющей дыхание.
2. В тяжелых случаях может потребоваться ингаляция чистым кислородом.
3. Если у отравившегося наблюдается тахикардия и другие нарушения сердечной деятельности, необходима симптоматическая терапия сердечно-сосудистыми средствами.
4. При остановке дыхания, вызванной интоксикацией газом, возникает необходимость в искусственном дыхании.

Смертельные случаи отравления CO2 крайне редки и, как правило, связаны с нарушением техники безопасности при проведении опасных работ.

Как предупредить отравление углекислым газом

Важнейшим условием профилактики интоксикации является регулярное проветривание таких потенциально опасных помещений, где может скапливаться углекислый газ:

• подвалы и погреба;
• чаны и ямы, предназначенные для хранения овощей или фруктов;
• любые закрытые емкости или колодцы.

Во избежание накопления опасного газа подвалы, погреба и другие подземные помещения следует оборудовать системами вентиляции (хотя бы простыми форточками или вытяжными трубами).

Профилактика отравления CO2

При работе в водопроводных или канализационных колодцах следует соблюдать правила безопасности:

• Спускаться в колодцы только в специальном снаряжении (противогазах).
• При спуске в колодец наверху обязательно должен оставаться хотя бы один сотрудник или любое второе лицо, способное в случае необходимости вызвать спасателей и скорую медицинскую помощь.
• Водолазам и дайверам при первых же признаках нехватки воздуха оставшиеся на земле сотрудники должны сообщать о необходимости усиления нагнетания воздуха в их оснащение, а при симптомах удушья – прекратить работы и потребовать подъема.
• Ответственные за состояние воздуха в помещениях с большим количеством людей (учителя, заведующие хозяйственной частью, медперсонал) должны обеспечивать регулярное и полноценное проветривание классов, офисов, аудиторий, больничных палат.

Современные способы борьбы с излишками CO2 в быту

Современные энергосберегающие технологии, не позволяющие часто проветривать помещения (например, использование кондиционеров типа «Зима-Лето»), вынудили западных изобретателей находить новые способы удаления избытков двуокиси углерода из душных помещений. Благодаря исследованиям, подтвердившим вредное влияние этого газа на трудоспособность и общее самочувствие человека, были установлены предельно допустимые концентрации CO2 для закрытых помещений.

Позже были изобретены и сегодня активно используются поглотители (или абсорберы) CO2, способные существенно снижать его уровень. Такой абсорбент, установленный в душном помещении, требует минимального ухода, потребляет немного электроэнергии, но на протяжении 15 лет гарантированно обеспечивает обслуживаемую площадь здоровым, очищенным воздухом.

Как уже отмечалось, случаи летального исхода при интоксикации двуокисью углерода крайне редки, но это не говорит о его безопасности. Поэтому необходимо соблюдать меры предосторожности при работе с этим веществом или в помещениях, где оно может скапливаться.

Газировка, вулкан, Венера, рефрижератор – что между ними общего? Углекислый газ. Мы собрали для Вас самую интересную информацию об одном из самых важных химических соединений на Земле.

Что такое диоксид углерода

Диоксид углерода известен в основном в своем газообразном состоянии, т.е. в качестве углекислого газа с простой химической формулой CO2. В таком виде он существует в нормальных условиях – при атмосферном давлении и «обычных» температурах. Но при повышенном давлении, свыше 5 850 кПа (таково, например, давление на морской глубине около 600 м), этот газ превращается в жидкость. А при сильном охлаждении (минус 78,5°С) он кристаллизуется и становится так называемым сухим льдом, который широко используется в торговле для хранения замороженных продуктов в рефрижераторах.

Жидкая углекислота и сухой лед получаются и применяются в человеческой деятельности, но эти формы неустойчивы и легко распадаются.

А вот газообразный диоксид углерода распространен повсюду: он выделяется в процессе дыхания животных и растений и является важной составляющей частью химического состава атмосферы и океана.

Свойства углекислого газа

Углекислый газ CO2 не имеет цвета и запаха. В обычных условиях он не имеет и вкуса. Однако при вдыхании высоких концентраций диоксида углерода можно почувствовать во рту кисловатый привкус, вызванный тем, что углекислый газ растворяется на слизистых и в слюне, образуя слабый раствор угольной кислоты.

Кстати, именно способность диоксида углерода растворяться в воде используется для изготовления газированных вод. Пузырьки лимонада – тот самый углекислый газ. Первый аппарат для насыщения воды CO2 был изобретен еще в 1770 г., а уже в 1783 г. предприимчивый швейцарец Якоб Швепп начал промышленное производство газировки (торговая марка Schweppes существует до сих пор).

Углекислый газ тяжелее воздуха в 1,5 раза, поэтому имеет тенденцию «оседать» в его нижних слоях, если помещение плохо вентилируется. Известен эффект «собачьей пещеры», где CO2 выделяется прямо из земли и накапливается на высоте около полуметра. Взрослый человек, попадая в такую пещеру, на высоте своего роста не ощущает избытка углекислого газа, а вот собаки оказываются прямо в густом слое диоксида углерода и подвергаются отравлению.

CO2 не поддерживает горение, поэтому его используют в огнетушителях и системах пожаротушения. Фокус с тушением горящей свечки содержимым якобы пустого стакана (а на самом деле — углекислым газом) основан именно на этом свойстве диоксида углерода.

Углекислый газ в природе: естественные источники

Углекислый газ в природе образуется из различных источников:

• Дыхание животных и растений.
  Каждому школьнику известно, что растения поглощают углекислый газ CO2 из воздуха и используют его в процессах фотосинтеза. Некоторые хозяйки пытаются обилием комнатных растений искупить недостатки . Однако растения не только поглощают, но и выделяют углекислый газ в отсутствие света – это часть процесса дыхания. Поэтому джунгли в плохо проветриваемой спальне – не очень хорошая идея: ночью уровень CO2 будет расти еще больше.
• Вулканическая деятельность.
  Диоксид углерода входит в состав вулканических газов. В местностях с высокой вулканической активностью CO2 может выделяться прямо из земли – из трещин и разломов, называемых мофетами. Концентрация углекислого газа в долинах с мофетами столь высока, что многие мелкие животные, попав туда, умирают.
• Разложение органических веществ.
  Углекислый газ образуется при горении и гниении органики. Объемные природные выбросы диоксида углерода сопутствуют лесным пожарам.

Углекислый газ «хранится» в природе в виде углеродных соединений в полезных ископаемых: угле, нефти, торфе, известняке. Гигантские запасы CO2 содержатся в растворенном виде в мировом океане.

Выброс углекислого газа из открытого водоема может привести к лимнологической катастрофе, как это случалось, например, в 1984 и 1986 гг. в озерах Манун и Ньос в Камеруне. Оба озера образовались на месте вулканических кратеров – ныне они потухли, однако в глубине вулканическая магма все еще выделяет углекислый газ, который поднимается к водам озер и растворяется в них. В результате ряда климатических и геологических процессов концентрация углекислоты в водах превысила критическое значение. В атмосферу было выброшено огромное количество углекислого газа, который наподобие лавины спустился по горным склонам. Жертвами лимнологических катастроф на камерунских озерах стали около 1 800 человек.

Искусственные источники углекислого газа

Основными антропогенными источниками диоксида углерода являются:

• промышленные выбросы, связанные с процессами сгорания;
• автомобильный транспорт.

Несмотря на то, что доля экологичного транспорта в мире растет, подавляющая часть населения планеты еще не скоро будет иметь возможность (или желание) перейти на новые автомобили.

Активное сведение лесов в промышленных целях также ведет к повышению концентрации углекислого газа СО2 в воздухе.

CO2 – один из конечных продуктов метаболизма (расщепления глюкозы и жиров). Он выделяется в тканях и переносится при помощи гемоглобина к легким, через которые выдыхается. В выдыхаемом человеком воздухе около 4,5% диоксида углерода (45 000 ppm) – в 60-110 раз больше, чем во вдыхаемом.

Углекислый газ играет большую роль в регуляции кровоснабжения и дыхания. Повышение уровня CO2 в крови приводит к тому, что капилляры расширяются, пропуская большее количество крови, которое доставляет к тканям кислород и выводит углекислоту.

Дыхательная система тоже стимулируется повышением содержания углекислого газа, а не нехваткой кислорода, как может показаться. В действительности нехватка кислорода долго не ощущается организмом и вполне возможна ситуация, когда в разреженном воздухе человек потеряет сознание раньше, чем почувствует нехватку воздуха. Стимулирующее свойство CO2 используется в аппаратах искусственного дыхания: там углекислый газ подмешивается к кислороду, чтобы «запустить» дыхательную систему.

Углекислый газ и мы: чем опасен СO2

Углекислый газ необходим человеческому организму так же, как кислород. Но так же, как с кислородом, переизбыток углекислого газа вредит нашему самочувствию.

Большая концентрация CO2 в воздухе приводит к интоксикации организма и вызывает состояние гиперкапнии. При гиперкапнии человек испытывает трудности с дыханием, тошноту, головную боль и может даже потерять сознание. Если содержание углекислого газа не снижается, то далее наступает черед – кислородного голодания. Дело в том, что и углекислый газ, и кислород перемещаются по организму на одном и том же «транспорте» – гемоглобине. В норме они «путешествуют» вместе, прикрепляясь к разным местам молекулы гемоглобина. Однако повышенная концентрация углекислого газа в крови понижает способность кислорода связываться с гемоглобином. Количество кислорода в крови уменьшается и наступает гипоксия.

Такие нездоровые для организма последствия наступают при вдыхании воздуха с содержанием CO2 больше 5 000 ppm (таким может быть воздух в шахтах, например). Справедливости ради, в обычной жизни мы практически не сталкиваемся с таким воздухом. Однако и намного меньшая концентрация диоксида углерода отражается на здоровье не лучшим образом.

Согласно выводам некоторых , уже 1 000 ppm CO2 вызывает у половины испытуемых утомление и головную боль. Духоту и дискомфорт многие люди начинают ощущать еще раньше. При дальнейшем повышении концентрации углекислого газа до 1 500 – 2 500 ppm критически , мозг «ленится» проявлять инициативу, обрабатывать информацию и принимать решения.

И если уровень 5 000 ppm почти невозможен в повседневной жизни, то 1 000 и даже 2 500 ppm легко могут быть частью реальности современного человека. Наш показал, что в редко проветриваемых школьных классах уровень CO2 значительную часть времени держится на отметке выше 1 500 ppm, а иногда подскакивает выше 2 000 ppm. Есть все основания предполагать, что во многих офисах и даже квартирах ситуация похожая.

Безопасным для самочувствия человека уровнем углекислого газа физиологи считают 800 ppm.

Еще одно исследование обнаружило связь между уровнем CO2 и окислительным стрессом: чем выше уровень диоксида углерода, тем больше мы страдаем от , который разрушает клетки нашего организма.

Углекислый газ в атмосфере Земли

В атмосфере нашей планеты всего около 0,04% CO2 (это приблизительно 400 ppm), а совсем недавно было и того меньше: отметку в 400 ppm углекислый газ перешагнул только осенью 2016 года. Ученые связывают рост уровня CO2 в атмосфере с индустриализацией: в середине XVIII века, накануне промышленного переворота, он составлял всего около 270 ppm.

Ещё в прошлом веке были проведены различные исследования по влиянию CO 2 на организм человека. В 60-ых годах учёная О.В.Елисеева в своей диссертации привела детальное исследование, как влияет углекислый газ в концентрациях 0,1% (1000 ррm) до 0,5% (5000 ррm) на организм человека и пришла к выводу, что кратковременное вдыхание здоровыми людьми двуокиси углерода в этих концентрациях вызывает отчетливые сдвиги в функции внешнего дыхания, кровообращении и значительные ухудшения электрической активности головного мозга. Согласно ее рекомендациям, содержание CO 2 в воздухе жилых и общественных зданий не должно превышать 0,1% (1000 ррm), а среднее содержание CO 2 должно быть около 0,05% (500 ррm).

Специалисты знают, что существует прямая связь между концентрацией CO 2 и ощущением духоты. Это ощущение возникает у здорового человека уже на уровне 0,08% (т. е. 800 ррm). Хотя в современных офисах очень часто бывает 2000 ррm и более. И человек может не ощущать опасного воздействия CO 2 . Когда речь идёт о больном человеке, то порог его чувствительности ещё увеличивается.

Зависимость физиологических проявлений от содержания CO2 в воздухе приведена в таблице:

Уровень CO 2 , ррm	Физиологические проявления у человека
Атмосферный воздух 380-400	Идеально для здоровья и хорошего самочувствия.
400-600	Нормальное количество. Рекомендовано для детских комнат, спален, офисных помещений, 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, растёт число ошибок в работе. Может привести к негативным изменениям в крови, также могут появиться проблемы с дыхательной и кровеносной системами.
Выше 2000	Количество ошибок в работе сильно возрастает, 70% сотрудников не могут сосредоточиться на работе.

Основные изменения при вдыхании повышенных концентраций углекислого газа (гиперкапнии) происходят в центральной нервной системе, и носят они при этом фазный характер: сначала повышение, а затем снижение возбудимости нервных образований. Ухудшение условнорефлекторной деятельности наблюдается при концентрациях, близких к 2% – понижается возбудимость дыхательного центра мозга, уменьшается вентиляторная функция лёгких, нарушается гомеостаз (равновесие внутренней среды) организма путем либо повреждения клеток, либо путем раздражения рецепторов неадекватным уровнем определенного вещества. А при содержании углекислого газа до 5% происходит значительное снижение амплитуды вызванных потенциалов головного мозга, десинхронизация ритмов спонтанной электроэнцефалограммы с дальнейшим угнетением электрической активности мозга.

Что именно происходит при повышении концентрации CO 2 в воздухе, который попадает в организм? Увеличивается парциальное давление CO 2 в альвеолах, его растворимость в крови повышается, и образуется слабая угольная кислота (CO 2 + Н 2 O = Н 2 СО 3), распадающаяся, в свою очередь, на Н+ и НССО3-. Кровь закисляется, что по-научному называется газовым ацидозом . Чем выше концентрация CO 2 в воздухе, которым мы дышим, тем ниже рН крови и тем более кислую реакцию она имеет.

Когда начинается ацидоз, то сначала организм защищается, повышая концентрацию бикарбоната в плазме крови, – об этом свидетельствуют многочисленные биохимические исследования. Чтобы компенсировать ацидоз, почки усиленно выделяют Н+ и задерживают НССО 3 -. Потом включаются другие буферные системы, и вторичные биохимические реакции организма. Поскольку слабые кислоты, в т. ч. и угольная (Н 2 СО 3), могут образовывать с ионами металлов слаборастворимые соединения (СаСО 3), то они откладываются в виде камней, прежде всего в почках.

Сотрудник медицинской научно-исследовательской лаборатории военно-морского подводного флота США Карл Шафер исследовал, как влияют различные концентрации углекислого газа на морских свинок. Грызунов восемь недель содержали при 0,5% CO 2 (кислород был в норме – 21%), после чего у них наблюдалась значительная кальцификация почек. Она отмечалась даже после длительного воздействия на морских свинок меньших концентраций – 0,3% CO 2 (3000 ррm). Но это еще не все. Шафер и его коллеги нашли у свинок через восемь недель воздействия 1%-го CO 2 деминерализацию костей , а также структурные изменения в легких. Исследователи расценили эти заболевания как адаптацию организма к хроническому воздействию повышенного уровня CO 2 .

Отличительной особенностью долгосрочной гиперкапнии (повышенное CO 2) являются длительные отрицательные последствия. Несмотря на нормализацию атмосферного дыхания, в организме человека продолжительное время наблюдаются изменения биохимического состава крови, снижение иммунологического статуса, устойчивости к физическим нагрузкам и другим внешним воздействиям.

Вывод – во избежание негативных последствий, содержание углекислого газа во вдыхаемом воздухе нужно обязательно контролировать. Для этой цели отлично подходит современный и надежный прибор – .

Интерес к дыханию привел к тому, что появилось огромное количество течений и регуляторов дыхания: от «управления» кислотно-щелочным балансом, восточные системы дыхания, множество пластиковых приборов, в которые дышат люди и ищут в них свое счастье. К сожалению, большинство подобных течений являются шарлатанскими, хоть и содержат рациональные зерна. Эта статья - начало цикла про углекислый газ.

Мы привыкли к тому, что выдыхаемый нами углекислый газ представляет собой ненужное для человеческого и животного организма вещество, которое действует отрицательно и только вредит организму. На самом деле это не так. Углекислый газ является мощным регулятором. Но его избыток, так и его недостаток вредят нашему здоровью. К сожалению, это практически никогда не замечается, что приводит к развитию болезней и патологических состояний. А между тем причины лежит на поверхности!

Есть два основных проблемных состояния с углекислым газом у относительно здоровых людей. Напомню, что речь не будет идти о болезнях!

1. Повышение уровня углекислой кислоты в крови.

2. Снижение уровня углекислой кислоты в крови.

Это состояние называется гипокапния и чаще всего возникает при избыточно учащенном дыхании (гипервентиляция). Это приводит к развитию газового (респираторного) алкалоза – это нарушение регуляции кислотно-щелочного равновесия. Возникает вследствие гипервентиляции лёгких, приводящей к избыточному выведению СО 2 из организма и падению парциального напряжения двуокиси углерода в артериальной крови ниже 35 мм рт. ст., то есть к гипокапнии.

Хочу отметить, что гипервентиляция является частью стрессового ответа. Вспомните как часто дышит спортсмен перед стартом! И это действительно поможет его мышцам! Гипервентиляция носит изначально адаптивный характер, представляя эволюционно выработанную "стартовую" реакцию в ответ на стресс, ориентированную на физическое действие.

Так, в первобытной популяции человек в прямом противоборстве с природой подвергался мощному физическому и биологическому воздействию и не был защищен ничем, кроме естественных сил организма, обеспечивающих готовность к физическим нагрузкам различной интенсивности (оборона, агрессия, бег от опасности). Для этой цели эволюционным путем была выработана и закреплена гипервентиляция, основные механизмы которой направлены на обеспечение сильного мышечного напряжения!

Действительно, гипокапния перераспределяет кровоток, устремляя кровь к мышцам за счет снижения кровотока в сердце, мозге, желудочно-кишечном тракте, печени, почках. Алкалоз и симпатадренергия (увеличение уровня адреналина!) ведут к повышению внутриклеточного ионизированного Са++ - главного естественного активатора сократительных свойств мышечных клеток. Таким образом, гипервентиляция делает двигательную реакцию на стресс более быстрой, интенсивной и совершенной.

Гипервентиляция, вызванная ситуационным стрессом, у здорового человека прекращается с окончанием стресса.

Но при длительном психоэмоциональном напряжении у ряда людей происходит нарушение регуляции дыхания, и гипервентиляционный паттерн дыхания может закрепиться, положив начало феномену хронической нейрогенной гипервентиляции. Избыточное дыхание в таких случаях становится стабильной особенностью пациента, закрепляя гипервентиляционные нарушения гомеостаза - гипокапнию и алкалоз, способные с закономерной последовательностью реализоваться в соматические заболевания. Об этом мы еще поговорим.

А пока для затравки роль углекислого газа в организме:

1. Углекислый газ является одним из важнейших медиаторов регуляции кровотока. Он является мощным вазодилататором (расширителем кровеносных сосудов). Соответственно, если уровень углекислого газа в ткани или в крови повышается (например, вследствие интенсивного метаболизма — вызванного, скажем, физической нагрузкой, воспалением, повреждением тканей, или вследствие затруднения кровотока, ишемии ткани), то капилляры расширяются, что приводит к увеличению кровотока и соответственно к увеличению доставки к тканям кислорода и транспорта из тканей накопившейся углекислоты. При снижении СО2 на 1мм.рт.ст. в крови происходить снижение мозгового кровотока на 3-4%, а сердечного 0,6-2,4%. При снижении СО2 до 20 мм рт.ст. в крови (половина официальной нормой), кровоснабжение головного мозга снижается на 40% по сравнению с нормальными условиями.

2. Усиливает мышечные сокращение (сердце и мышцы). Углекислый газ в определённых концентрациях (повышенных, но ещё не достигающих токсических значений) оказывает положительное инотропное и хронотропное действие на миокард и повышает его чувствительность к адреналину, что приводит к увеличению силы и частоты сердечных сокращений, величины сердечного выброса и, как следствие, ударного и минутного объёма крови. Это также способствует коррекции тканевой гипоксии и гиперкапнии (повышенного уровня углекислоты).

3. Влияет на кислород. От содержания в крови углекислоты зависит поступление в ткани кислорода (эффект Вериго-Бора). Гемоглобин принимает и отдаёт кислород в зависимости от содержания кислорода и углекислоты в плазме крови. При снижении парциального давления углекислого газа в альвеолярном воздухе и крови сродство кислорода к гемоглобину повышается, что затрудняет переход кислорода из капилляров в ткани.

4. Поддерживает кислотно-щелочное равновесие. Ионы гидрокарбоната очень важны для регуляции pH крови и поддержания нормального кислотно-щелочного равновесия. Частота дыхания влияет на содержание углекислого газа в крови. Слабое или замедленное дыхание вызывает респираторный ацидоз, в то время как учащённое и чрезмерно глубокое дыхание приводит к гипервентиляции и развитию респираторного алкалоза.

5. Участвует в регуляции дыхания. Хотя наш организм требует кислорода для обеспечения метаболизма, низкое содержание кислорода в крови или в тканях обычно не стимулирует дыхание (вернее, стимулирующее влияние нехватки кислорода на дыхание слишком слабо и «включается» поздно, при очень низких уровнях кислорода в крови, при которых человек нередко уже теряет сознание). В норме дыхание стимулируется повышением уровня углекислого газа в крови. Дыхательный центр гораздо более чувствителен к повышению уровня углекислого газа, чем к нехватке кислорода.

Источники:

0

Изучение влияния на организм человека токсического действия СО 2 представляет существенный практический интерес для биологии и медицины.

Источником СО 2 в газовой среде герметической кабины является прежде всего сам человек, так как СО 2 - один из основных конечных продуктов обмена, образующихся в процессе метаболизма в организме человека и животных. В состоянии покоя человек в сутки выделяет около 400 л СО 2 , при физической работе образование СО 2 и соответственно выделение его из организма значительно возрастают. Помимо этого необходимо иметь в виду, что СО 2 непрерывно образуется в процессе гниения и брожения. Углекислый газ бесцветен, обладает слабым запахом и кисловатым вкусом. Несмотря на эти качества, при накоплении СО 2 в ИГА до нескольких процентов его присутствие оказывается незаметным для человека, так как упомянутые выше свойства (запах и вкус) могут быть обнаружены, по-видимому, только при весьма высоких концентрациях СО 2 .

Исследования Бреслава, в которых испытуемые осуществляли «свободный выбор» газовой среды, показали, что люди начинают избегать ИГА только в тех случаях, когда Р СО 2 в ней превышает 23 мм рт. ст. При этом реакция обнаружения СО 2 связана не с запахом и вкусом, а с проявлением его действия на организм, прежде всего с ростом легочной вентиляции и снижением физической работоспособности.

В земной атмосфере содержится небольшое количество СО 2 (0,03%), что обусловлено участием его в кругообороте веществ. Десятикратное увеличение СО 2 во вдыхаемом воздухе (до 0,3%) еще не оказывает заметного влияния на жизнедеятельность и работоспособность человека. В такой газовой среде человек может находиться очень долго, сохраняя нормальное состояние здоровья и высокий уровень работоспособности. Это, вероятно, обусловлено тем, что в процессе жизнедеятельности образование СО 2 в тканях подвержено значительным колебаниям, превышающим десятикратные изменения содержания этого вещества во вдыхаемом воздухе. Значительное повышение Р СО 2 в ИГА вызывает закономерные изменения физиологического состояния. Эти изменения обусловлены прежде всего функциональными сдвигами, возникающими в центральной нервной системе, дыхании, кровообращении, а также сдвигами кислотно-щелочного равновесия и нарушениями минерального обмена. Характер функциональных сдвигов при гиперкапнии определяется величиной Р СО 2 во вдыхаемой газовой смеси и временем воздействия этого фактора на организм.

Еще Клодом Бернаром в прошлом столетии было показано, что основная причина, вызывающая развитие тяжелого патологического состояния у животных при длительном пребывании их в герметически замкнутых, невенти-лируемых помещениях, связана с повышением содержания СО 2 во вдыхаемом воздухе. В исследованиях на животных был изучен механизм физиологического и патологического действия СО 2 .

О физиологическом механизме влияния гиперкапнии можно в общих чертах судить на основании схемы, приведенной на рис. 19.

Следует иметь в виду, что в случаях длительного по времени пребывания в ИГА, в которой Р СО 2 повышено до 60-70 мм рт. ст. и более, характер физиологических реакций и прежде всего реакций центральной нервной системы существенно изменяется. В последнем случае вместо стимулирующего влияния, как это указано на рис. 19, гиперкапния оказывает угнетающее действие и приводит уже к развитию наркотического состояния. Оно быстро возникает в случаях, когда Р СО 2 возрастает до 100 мм рт. ст. и выше.

Усиление легочной вентиляции при повышении Р СО 2 в ИГА до 10-15 мм рт. ст. и выше определяется, по крайней мере, двумя механизмами:рефлекторной стимуляцией дыхательного центра с хеморецепторов сосудистых зон, и прежде всего сино-коротидной, и стимуляцией дыхательного центра с центральных хеморецепторов. Рост легочной вентиляции при гиперкапнии является основной приспособительной реакцией организма, направленной на поддержание Ра СО 2 на нормальном уровне. Эффективность этой реакции по мере увеличения Р СО 2 в ИГА снижается, так как несмотря на возрастающее усиление легочной вентиляции неуклонно растет и Ра СО 2 .

Рост Ра СО 2 оказывает антагонистическое влияние на центральный и периферический механизмы, регулирующие сосудистый тонус. Стимулирующее влияние СО 2 на сосудодвигательный центр, симпатическую нервную систему определяет сосудосуживающее действие и приводит к увеличению периферического сопротивления, повышению частоты сердечных сокращений и увеличению минутного объема сердца. Одновременно СО 2 оказывает и непосредственное влияние на мышечную стенку сосудов, способствуя их расширению.

Рис. 19. Механизмы физиологического и патофизиологического действия СО 2 на организм животных и человека (по Малкину)

Взаимодействие этих антагонистических влияний в конечном счете и определяет реакции сердечно-сосудистой системы при гиперкапнии. Из сказанного можно сделать заключение, что в случае резкого снижения центрального сосудосуживающего действия гиперкапния может приводить к развитию коллаптоидных реакций, которые были отмечены в эксперименте на животных в условиях значительного повышения содержания СО2 в ИГА.

При большом повышении Р С0 2 в тканях, которое неизбежно возникает в условиях значительного повышения Р СО 2 в ИГА, отмечается развитие наркотического состояния, которое сопровождается отчетливо выраженным снижением уровня обмена. Эта реакция может быть оценена так же, как приспособительная, так как она приводит к резкому уменьшению образования СО 2 в тканях в период, когда транспортные системы, включая и буферные системы крови, оказываются уже не в состоянии поддерживать Ра СО 2 - важнейшую константу внутренней среды на уровне, близком к нормальному.

Важно, что порог реакций различных функциональных систем при развитии острой гиперкапнии неодинаков.

Так, развитие гипервентиляции проявляется уже при повышении Р СО 2 в ИГА до 10- 15 мм рт. ст., а при 23 мм рт. ст. эта реакция становится уже весьма выраженной - вентиляция возрастает почти в 2 раза. Развитие тахикардии и повышение артериального давления крови проявляются тогда, когда Р СО 2 возрастает в ИГА до 35-40 мм рт. ст. Наркотическое же действие отмечено при еще более высоких величинах Р СО 2 в ИГА, порядка 100-150 мм рт. ст., в то время как стимулирующее влияние СО 2 на нейроны коры больших полушарий головного мозга было отмечено при Р СО 2 порядка 10-25 мм рт. ст.

Теперь кратко рассмотрим эффекты действия различных величин Р СО 2 в ИГА на организм здорового человека.

Большое значение для суждения об устойчивости человека к гиперкапнии и для нормирования СО 2 имеют исследования, в которых испытуемые, практически здоровые люди, находились в условиях ИГА с избыточными величинами Р СО 2 . В этих исследованиях были установлены характер и динамика реакций ЦНС, дыхания и кровообращения, а также изменения работоспособности при различных величинах Р СО 2 в ИГА.

При относительно кратковременном пребывании человека в условиях ИГА с Р СО 2 до 15 мм рт. ст., несмотря на развитие неболыпого дыхательного ацидоза, существенных сдвигов физиологического состояния не было обнаружено. Люди, находившиеся в такой среде в течение нескольких дней, сохраняли нормальную интеллектуальную работоспособность и не предъявляли жалоб, свидетельствующих об ухудшении самочувствия; лишь при Р СО 2 , равном 15 мм рт. ст., некоторые испытуемые отмечали снижение физической работоспособности, особенно при выполнении тяжелой работы.

При повышении Р СО 2 в ИГА до 20-30 мм рт. ст. у обследуемых был отчетливо выражен дыхательный ацидоз и рост легочной вентиляции. После относительно кратковременного повышения скорости выполнения психологических тестов наблюдалось снижение уровня интеллектуальной работоспособности. Способность выполнять тяжелую физическую работу также оказывалась заметно сниженной. Было отмечено расстройство ночного сна. Многие обследуемые предъявляли жалобы на головную боль, головокружение, одышку и чувство нехватки воздуха при выполнении физической работы.

Рис. 20. Классификация различных эффектов токсического действия СО 2 в зависимости от величины Р СО 2 в ИГА (составлен Ротом и Биллингсом по данным Шеффера, Кинга, Невисона)

I - индифферентная зона;

Л - зона незначительных физиологических сдвигов;

III - зона выраженного дискомфорта;

IV - зона глубоких функциональных расстройств, потеря

сознания А - индифферентная зона;

В - зона начальных функциональных расстройств;

В - эона глубоких нарушений

При увеличении Р СО 2 в ИГА до 35- 40 мм рт. ст. у обследуемых повышалась легочная вентиляция в 3 раза и более. Появлялись функциональные сдвиги в системе кровообращения: повышалась частота сердечных сокращений, росло артериальное давление крови. После кратковременного пребывания в такой ИГА испытуемые жаловались на головную боль, головокружение, нарушения зрения, потерю пространственной ориентировки. Выполнение даже легкой физической нагрузки было сопряжено со значительными трудностями и приводило к развитию резкой одышки. Выполнение психологических тестов также было затруднено, интеллектуальная работоспособность заметно снижалась. При повышении Р СО 2 в ИГА более 45-50 мм рт. ст. острые гиперкапнические расстройства возникали весьма быстро - в течение 10- 15 мин..

Обобщение опубликованных в литературе данных относительно устойчивости человека к токсическому действию СО 2 , равно как и установление предельно допустимого времени пребывания человека в ИГА с повышенным содержанием СО 2 , встречает определенные трудности. Они связаны прежде всего с тем, что устойчивость человека к гиперкапнии в значительной степени зависит от физиологического состояния и в первую очередь от величины выполняемой физической работы. В большинстве известных работ исследования проводились с испытуемыми, находившимися в условиях относительного покоя и лишь периодически выполнявшими различные психологические тесты.

На основании обобщения результатов, полученных в этих работах, было предложено условно выделить четыре различные зоны токсического действия гиперкапнии в зависимости от величины Р СО 2 в ИГА (рис. 20).

Существенное значение для формирования физиологических реакций и устойчивости человека к гиперкапнии имеет скорость роста величины Р СО 2 во вдыхаемой газовой смеси. При помещении человека в ИГА с высоким Р СО 2 , равно как и при переключении его на дыхание газовой смесью, обогащенной СО 2 , быстрое повышение РА СО 2 сопровождается более острым течением гиперкапнических расстройств, чем при медленном повышении Р СО 2 в ИГА. К счастью, последнее более характерно для токсического влияния СО 2 в условиях космических полетов, так как все возрастающий объем кабин кораблей определяет относительно медленное нарастание Р СО 2 в ИГА в случаях отказа системы регенерации воздуха. Более острое течение гиперкапнии может иметь место при выходе из строя системы регенерации скафандра. При острой гиперкапнии трудность точного разграничения зон, определяющих качественно различные проявления токсического действия СО 2 , в зависимости от величины Р СО 2 , связана с наличием фазы «первичной адаптации», продолжительность которой тем больше, чем выше концентрация СО 2 . Речь идет о том, что после быстрого вхождения человека в ИГА, содержащую высокую концентрацию СО 2 , возникают выраженные сдвиги в организме, которые, как правило, сопровождаются появлением жалоб на головную боль, головокружение, потерю пространственной ориентировки, расстройства зрения, тошноту, нехватку воздуха, боль в груди. Все это приводило к тому, что нередко исследование прекращалось уже через 5-10 мин. после перехода испытуемого в гиперкапническую ИГА.

Опубликованные исследования показывают, что при увеличении Р СО 2 в ИГА до 76 мм рт. ст. такое неустойчивое состояние постепенно проходит и возникает как бы частичная адаптация к измененной газовой среде. У испытуемых отмечается некоторая нормализация интеллектуальной работоспособности, и одновременно становятся более умеренными жалобы на головную боль, головокружение, зрительные расстройства и т. п. Продолжительность неустойчивого состояния определяется временем, в течение которого происходит повышение РА СО 2 и отмечается непрерывный рост легочной вентиляции. Вскоре после стабилизации на новом уровне РА СО 2 и легочной вентиляции отмечается развитие частичной адаптации, сопровождающейся улучшением самочувствия и общего состояния обследуемых. Такая динамика развития острой гиперкапнии при больших величинах Р СО 2 в ИГА явилась причиной значительных расхождений в оценке разными исследователями возможного времени пребывания человека в этих условиях.

На рис. 20 при оценке влияния различных величин Р СО 2 «первичная адаптация» хотя и учтена по времени, однако не указано, что физиологическое состояние человека неодинаково в различные периоды пребывания в ИГА с высоким содержанием СО 2 . Еще раз целесообразно отметить, что результаты, представленные на рис. 20, получены в исследованиях, во время которых испытуемые находились в состоянии покоя. В связи с этим полученные данные без соответствующей корреляции не могут быть использованы для прогноза изменений физиологического состояния космонавтов в случаях накопления СО 2 в ИГА, так как в полете может возникать необходимость выполнения физической работы различной интенсивности.

Установлено, что устойчивость человека к токсическому действию СО 2 снижается по мере увеличения физической нагрузки, которую он выполняет. В связи с этим большое практическое значение приобретают исследования, в которых токсическое действие СО 2 изучалось бы у практически здоровых людей, выполнявших физическую работу различной тяжести. К сожалению, в литературе такие сведения малочисленны, в связи с чем этот вопрос нуждается в дальнейшем изучении. Все же на основании имеющихся данных мы сочли целесообразным с определенным приближением указать на возможность пребывания и выполнения различной физической нагрузки в ИГА в зависимости от величины в ней Р СО 2 .

Как видно из данных, приведенных в табл. 6, при повышении Р СО 2 до 15 мм рт. ст. длительное выполнение тяжелой физической работы оказывается затрудненным; при повышений Р СО 2 до 25 мм рт. ст. ограничена уже возможность выполнения работы средней тяжести и заметно затруднено выполнение тяжелой работы. При увеличении Р СО 2 до 35-40 мм рт. ст. ограничена возможность выполнения даже легкой работы. При повышении Р СО 2 до 60 мм рт. ст. и более, несмотря на то, что человек в состоянии покоя еще может находиться некоторое время в такой ИГА, однако он уже оказывается практически неспособным выполнять какую-либо работу. Для снятия отрицательного влияния острой гиперкапнии лучшим средством является перевод пострадавших в условия «нормальной» атмосферы.

Результаты исследований многих авторов показывают, что быстрое переключение людей, длительно находившихся в ИГА с повышенным Р СО 2 , на дыхание чистым кислородом или воздухом часто вызывает ухудшение их самочувствия и общего состояния. Этот феномен, выраженный в резкой форме, был впервые обнаружен в опытах на животных и описан П. М. Альбицким, который дал ему название обратного действия СО 2 . В связи со сказанным в случаях развития у людей гиперкапнического синдрома следует постепенно выводить их из ИГА, обогащенной СО 2 , относительно медленно снижая в ней Р СО 2 . Попытки купировать гиперкапнический синдром введением щелочей- трис-буфера, соды и т. п.- не дали стойких положительных результатов, несмотря на частичную нормализацию pH крови.

Определенное практическое значение имеет изучение физиологического состояния и работоспособности человека в случаях, когда в результате отказа регенерационной установки в ИГА будут одновременно снижаться Р О 2 и повышаться Р СО 2 .

При значительной скорости нарастания СО 2 и соответствующей ей скорости снижения О 2 , которое имеет место при дыхании в замкнутом, небольшом по величине объеме, как показали исследования еще Холдена и Смита, резкое ухудшение физиологического состояния и самочувствия испытуемых отмечается при повышении СО 2 во вдыхаемой газовой смеси до 5-6% (Р СО 2 -38-45 мм рт. ст.), несмотря на то, что снижение содержания О 2 в этот период времени было еще относительно невелико. При более медленном развитии гиперкапнии и гипоксии, как указывают многие авторы, заметные расстройства работоспособности и ухудшение физиологического состояния наблюдаются при повышении Р СО 2 до 25-30 мм рт. ст. и соответствующем снижении Р О 2 до 110-120 мм рт. ст. Согласно данным Карлина и др., при 3-суточном воздействии ИГА, содержавшей 3% СО 2 (22,8 мм рт. ст.) и 17% О 2 , работоспособность испытуемых была заметно снижена. Эти данные находятся в некотором противоречии с результатами исследований, отмечавших относительно небольшие изменения работоспособности даже при более значительном (до 12%) снижении О 2 в ИГА и повышении в ней СО 2 до 3%.

При одновременном развитии гиперкапнии и гипоксии основным симптомом токсического действия является одышка. Величина вентиляции легких при этом оказывается более значительной, чем при равной по величине гиперкапнии. Согласно мнению многих исследователей, столь значительный рост легочной вентиляции определяется тем, что гипоксия повышает чувствительность дыхательного центра к СО 2 , в результате чего комбинированное действие избытка СО 2 и недостатка О 2

в ИГА приводит не к аддитивному влиянию этих факторов, а к их потенцированию. Об этом можно судить потому, что величина легочной вентиляции оказывается больше той величины вентиляции, которая должна была бы быть при простом складывании эффекта от снижения РА О 2 и увеличения РА СО 2 .

На основании этих данных и характера наблюдаемых нарушений физиологического состояния можно сделать заключение, что ведущая роль в начальном периоде развития патологических состояний в ситуациях, когда имеет место полный отказ системы регенерации, принадлежит гиперкапнии.

ХРОНИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ГИПЕРКАПНИИ

Изучение длительного влияния на организм человека и животных повышенных; величин Р СО 2 в ИГА позволило установить, что появлению клинических симптомов храническо-го токсического действия СО 2 предшествуют закономерные изменения кислотно-щелочного равновесия - развитие дыхательного ацидоза, приводящего к нарушению метаболизма. При этом возникают сдвиги в минеральном обмене, которые, по-видимому, имеют адаптационный характер, так как способствуют сохранению кислотно-щелочного равновесия. Об этих изменениях можно судить по периодическому повышению содержания кальция в крови и по изменениям содержания кальция и фосфора в костной ткани. В связи с тем, что кальций входит в соединения с СО 2 , с ростом Ра СО 2 количество СО 2 , связанного с кальцием, в костях возрастает. В результате сдвигов в минеральном обмене возникает ситуация, способствующая образованию солей кальция в выделительной системе, следствием чего может быть развитие почечно-каменной болезни. На справедливость такого заключения указывают результаты исследования на грызунах, у которых после длительного содержания в ИГА с Р СО 2 , равным 21 мм рт. ст. и выше, были обнаружены камни в почках.

В исследованиях с участием людей было также установлено, что в случаях длительного пребывания в ИГА с Р СО 2 , превышающим 7,5-10 мм рт. ст., несмотря на видимое сохранение нормального физиологического состояния и работоспособности, у испытуемых отмечались изменения метаболизма, обусловленные развитием умеренного газового ацидоза.

Так, во время операции «Хайдаут» испытуемые находились в течение 42 дней в подводной лодке в условиях ИГА, содержавшей 1,5% СО 2 (Р СО 2 - 11,4 мм рт. ст.). Основные физиологические параметры, как вес и температура тела, величина кровяного давления и частота пульса, оставались без существенных изменений. Однако при исследовании дыхания, кислотно-щелочного равновесия и каль-ций-фосфорного обмена были обнаружены сдвиги, имевшие адаптивный характер. На основании изменений pH мочи и крови было установлено, что примерно с 24-го дня пребывания в ИГА, содержавшей 1,5% СО 2 , у испытуемых имело место развитие некомпенси-руемого газового ацидоза. При месячном нахождении молодых здоровых мужчин в ИГА с содержанием 1% СО 2 , согласно данным С. Г. Жарова и др., у испытуемых не было обнаружено изменений pH крови, несмотря на небольшое увеличение РА СО 2 и увеличение на 8-12% легочной вентиляции, свидетельствующее о незначительном компенсируемом газовом ацидозе.

Длительное пребывание (30 дней) испытуемых в ИГА с повышенным до 2% содержанием СО 2 приводило к снижению pH крови, росту РА СО 2 и увеличению легочной вентиляции на 20-25%. В условиях покоя испытуемые чувствовали себя хорошо, однако при выполнении интенсивной физической нагрузки некоторые из них предъявляли жалобы на головную боль и быстрое утомление.

При нахождении в ИГА с 3 % СО 2 (Р СО 2 - 22,8 мм рт. ст.) большинство испытуемых отмечало ухудшение самочувствия. При этом изменения pH крови свидетельствуют о быстром развитии некомпенсируемого газового ацидоза. Пребывание в такой среде хотя и возможно в течение многих, дней, но всегда связано с развитием дискомфорта и прогрессирующим снижением работоспособности.

В результате этих исследований было сделано заключение о том, что длительное (многомесячное) пребывание человека в ИГА с Р СО 2 , превышающим 7,5 мм рт. ст., является нежелательным, так как может привести к проявлению хронического токсического действия СО 2 . Некоторые исследователи указывают, что при пребывании человека в течение 3-4 месяцев в ИГА величина Р СО 2 не должна превышать 3-6 мм рт. ст..

Таким образом, при оценке в целом эффекта хронического влияния гиперкапнии можно согласиться с мнением К. Шефера о целесообразности выделения трех основных уровней повышения Р СО 2 в ИГА, которые определяют различную переносимость человеком гиперкапнии. Первый уровень соответствует повышению Р СО 2 в ИГА до 4-6 мм рт. ст.; он характеризуется отсутствием сколько-нибудь значимого влияния на организм. Второй уровень соответствует повышению Р СО 2 в ИГА до 11 мм рт. ст. При этом основные физиологические функции и работоспособность не претерпевают значительных изменений, однако имеет место медленное развитие сдвигов со стороны дыхания, регуляции

кислотно-щелочного равновесия и обмена электролитов, в результате чего могут возникать патологические изменения.

Третий уровень - повышение Р СО 2 до 22 мм рт. ст. и выше - приводит к снижению работоспособности, выраженным сдвигам физиологических функций и развитию через различные сроки времени патологических состояний.

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.