Путь кислорода в организме. Концентрация кислорода в воздухе

Путь кислорода в клетки начинается вдохом из окружающей среды. В ней может быть мало кислорода, соответственно, его меньше получает человек с дыханием. Как это происходит и почему, мы узнаем если рассмотрим гипобарический и нормобарический вид гипоксии.

Гипобарическая гипоксия
Нормобарическая гипоксия

Часть I. Захват кислорода

Гипобарическая гипоксия

Мы вдохнули чистый атмосферный воздух у поверхности Земли. Сколько в нем кислорода? На уровне моря его будет 21 %, а на высоте 2 000 м уже 18,9 %. Вроде бы небольшая разница, но вы её сразу почувствуете — снижается концентрация внимания, возникает слабость, сонливость, появляется чувство усталости…

Измерение количества кислорода в воздухе происходит путем установления «веса» давления кислорода в атмосферном воздухе — это называется парциальное давление (напряжение) кислорода (PO2). Этот показатель очень важен для насыщения кислородом организма, мы к нему будем еще не раз обращаться на протяжении всего исследования пути кислорода в организме.

Снижение общего атмосферного давления снижает и давление кислорода. Поэтому не зря метеорологи в сводках погоды дают нам показания атмосферного давления — при низком давлении кислорода в воздухе, кровь может меньше поставлять кислород клеткам. Это называется гипобарической гипоксией, или гипоксической гипоксией. Такое всегда случается при подъеме в горы, при разгерметизации летательного средства, при подъеме в открытых летательных аппаратах.

В случае снижения PO2 недостаточное поступление кислорода клеткам происходит по двум причинам:

  • В разреженной атмосфере молекулы кислорода располагаются дальше друг от друга, поэтому количество входящего кислорода в одном и том же объеме воздуха снижается;
  • В разреженной атмосфере столб воздуха меньше давит на мембрану легочной альвеолы, а изнутри лёгких давление остается прежним. Это замедляет процесс проникновения молекул кислорода через мембрану в кровь. Поучается, что человек при вдохе способен получить кислорода все меньше и меньше. Как это происходит, что чувствует при гипобарической гипоксии человек, см. в этом видео.

На уровне моря атмосферное давление 760 мм рт. ст., что соответствует содержанию кислорода в атмосферном воздухе 20,9 %. Но чем выше над уровнем моря, тем ниже давление. На высоте 1000 м кислорода уже 19,9 %, а на 2 тысячах метров — 18,9 %.

18,9 % считается минимально допустимым уровнем для здоровья человека. Именно столько кислорода в салоне самолета (600 мм рт. ст.) или в конце рабочего дня в непроветриваемом офисе. Для многих это мало, поэтому появляется слабость и головная боль.

На высоте 3-х км при вдохе в легкие поступает всего 2/3 кислорода по сравнению с дыханием на уровне моря. На высоте 4,5 км человек получает в два с лишним раза меньше кислорода, чем на уровне моря.

— «На земном шаре 400 млн человек живут на высоте более 2 тыс. м над уровнем моря. А в Перу люди живут даже выше 5 тыс. м над уровнем моря, так что содержание кислорода в воздухе не проблема...»

Если человека жившего на уровне моря, заставить прожить на высокогорном плато какое-то время, он обнаружит, что постепенно привык к кислородному голоданию. Это называется акклиматизация. Если мы, не привыкнем к пониженному уровню кислорода и быстро поднимемся на высоту 1500 м., то получим «горную болезнь» — гипоксию, которая является причиной половины всех смертей альпинистов в горах. Начнется одышка, головная боль, головокружение, галлюцинации, появится тошнота, общая слабость и мозг перестанет «ловить момент». А если у нас уже и до этого была легкая форма гипоксии — получим беду — не увидим пропасть, вовремя не среагируем и т. д.

О кислородной адаптации

У длительно проживающих высоко в горах людей горной болезни нет — их организм адаптировался. У них выше экономичность механизмов утилизации кислорода, выше резервная мощность тканей и органов, и их организм более рационально использует все ресурсы. Послушаем, что говорит руководитель и участник горных походов высшей категорий сложности — Янчевский Олег (Киев): [ 1 ]

«Когда человек без акклиматизации попадает в горы, низкий уровень кислорода в воздухе приводит к мобилизации транспортных систем. Увеличиваются частота дыхания, частота сердечных сокращений, минутный объем крови и количество гемоглобина за счет выброса эритроцитов из депо (в первую очередь из селезенки). Одновременно включаются механизмы анаэробного гликолиза: норадреналин, выступающий медиатором симпатического отдела нервной системы, вместе с адреналином активируют ключевой фермент расщепления гликогена — фосфорилазу.

Но краткосрочные механизмы адаптации могут быть эффективны только на относительно небольших высотах и в течение непродолжительного времени. Увеличенная нагрузка на сердце и дыхательную мускулатуру требует дополнительного расхода энергии, что повышает кислородный запрос. Вследствие интенсивного дыхания из организма интенсивно удаляется CO2. Падение его концентрации в артериальной крови ведет к ослаблению дыхания, так как именно CO2 является основным стимулятором дыхательного рефлекса, в тканях накапливаются кислые продукты анаэробного гликолиза. Выход энергии АТФ при этом мал.

Фаза «острой акклиматизации» заканчивается через 8 – 12 дней. Дальнейшее пребывание в горах включает в организме механизмы долговременной адаптации, стратегия которой сводится к смещению основного поля деятельности с механизмов транспорта на механизмы утилизации кислорода, на повышение экономичности использования ресурсов, имеющихся в распоряжении организма. Долговременная адаптация – это уже структурные перестройки в организме, которые увеличивают потенциал и резервную мощность организма.

  • Транспорт: разрастание сосудистой сети (ангиогенез) в легких, сердце, головном мозге — разрастание легочной ткани — увеличение количества эритроцитов в крови (эритропоэз).
  • Регуляция: увеличение активности ферментов, ответственных за синтез медиаторов и гормонов — увеличение числа рецепторов к ним в тканях.
  • Энергообеспечение: увеличение числа митохондрий и ферментов окисления и фосфорилирования — синтез гликолитических ферментов

Разрастание сосудистой сети сердца и головного мозга создает дополнительные резервы для снабжения этих органов кислородом и энергетическими ресурсами. Увеличение емкости сосудов благодаря их расширению снижает их сопротивление. Рост сосудистой сети в легких в сочетании с увеличением диффузионной поверхности легочной ткани повышает газообмен. Активируется железосодержащий белок HIF-1 (Hypoxia inducible factor) [ 2 ].

Система крови претерпевает комплекс изменений. Растет число эритроцитов и содержание в них гемоглобина, повышающих кислородную емкость крови, и постепенно она становится более эффективным переносчиком кислорода. Повышение концентрации эритроцитов начинается со 2 – 3 дня и может возрастать на 40 – 50 % к 4-й неделе пребывания в горах (доходит до 8 млн/мм3, в то время как у жителей равнины их 4,5 – 5 млн/мм3).

В крови индейцев Перу, живущих на высоте 4 тыс. м, повышен гемоглобин и больше эритроцитов — до 8 х 1012 в 1 л крови. Это потому, что при гипоксии любого происхождения увеличивается секреция гормонов — эритропоэтинов в почках, в печени и селезенке. Увеличение в крови эритроцитов называется полицитемией (от греч. «много клеток в крови»).

Если человека быстро опустить на равнину, то некоторое время у него в крови все еще будет сохраняться высокий уровень эритроцитов, что облегчает транспорт кислорода. Когда человек живет на высокогорном плато, полицитемия только желательна. А на уровне моря она может стать опасной, поскольку слишком большое количество красных клеток сгущает кровь, делая ее более вязкой, что препятствует нормальной циркуляции крови и функционированию организма в целом. [ 3 ] Несмотря на риск, политцемию используют как методику ряд высококвалифицированных спортсменов при подготовке к соревнованиям [ 4 ].

Помимо типичного взрослого гемоглобина (HbА) появляется эмбриональный гемоглобин (HbF), способный присоединять О2 при более низком парциальном давлении кислорода в альвеолярном воздухе: молодые эритроциты обладают более высоким уровнем энергообмена [ 5 ], и меньший диаметр, облегчая прохождение по капиллярам. В эритроцитах повышение содержание 2,3-дифосфоглицерата, способствующего освобождению кислорода из гемоглобина в тканях.

Высокогорная адаптация вызывает также рост лейкоцитов, максимум которых (+40%) достигается примерно к 40-му дню пребывания в горах. Увеличение кислородной емкости крови дополняется повышением концентрации в миокарде и скелетных мышцах мышечного белка — миоглобина (Мb), способного переносить кислород в зоне более низкого парциального давления, чем гемоглобин.

Увеличение мощности гликолиза во всех тканях в процессе длительной адаптации к гипоксии оправдано энергетически, требует меньше кислорода. Чтобы получать энергию при малом количестве кислорода, бескислородный гликолиз становится основным источником энергии, и он увеличивает свою мощность. Начинает расти активность ферментов, расщепляющих глюкозу и гликоген, появляются новые изоформы ферментов, более соответствующие анаэробным условиям, увеличиваются запасы гликогена. Опасность сдвига pH при усилении анаэробного гликолиза предотвращается увеличением щелочного резерва крови (см. бикарбонатный буфер).

При этом усиливается и аэробный гликолиз — повышается число митохондрий на единицу массы миокарда, возрастает активность митохондриальных ферментов и скорость фосфорилирования и, как следствие, — больший выход АТФ на единицу субстрата при одном и том же уровне потребления кислорода. В итоге увеличивается способность сердца к извлечению и использованию кислорода из протекающей крови при его низких концентрациях. Это позволяет ослабить нагрузку на транспортные системы: снижаются частота дыхания и сердцебиения, уменьшается минутный объем сердца.

На высоте 3800 м ткани горца извлекают 10,2 мл О2 из каждых 100 мл крови против 6,5 мл у приехавшего в горы молодого здорового жителя равнин; на 4350 м коронарный кровоток и потребление О2 горцев на 30 % экономичнее. Эти большие резервы позволяют горцу выполнять большую мышечной нагрузку. Увеличена у горцев и масса циркулирующей крови, что обусловливает возрастание ее дыхательной поверхности.

При длительном воздействии высотной гипоксии активируется синтез РНК и белка в различных отделах нервной системы и, в частности, в дыхательном центре, что обеспечивает возможность усиления дыхания при низких концентрациях СО2 в крови; улучшается координация дыхания и кровообращения. Возрастает мощность гормональных звеньев и их экономичность — уровень основного обмена в процессе адаптации может снижаться. Установлено, что вторая фаза акклиматизации в целом завершается через три недели после начала прибытия в горы. Однако для больших высот и эта длительность акклиматизации может быть недостаточна [ 6 ]».

Как мы видим, акклиматизация к высокогорью требует значительной перестройки организма. А это значит, что обедненная кислородом атмосфера представляет собой не комфортные, а наоборот, экстремальные условия для жизни человека. Если бы при длительной кислородной недостаточности организм сохранял своё прежнее совершенство, то у больных, страдающих, например, сердечно-легочной недостаточностью, не наблюдалось ухудшения общего самочувствия, снижения работоспособности, аппетита, сна, диуреза, обменных расстройств и др. [ 7 ]

Доказано, что у горцев возникает гипертензия малого круга, что приводит к гипертрофии правого желудочка сердца [ 8 ].

Вот что думает о жизни на высоте американский патолог Бек Уизерс, который на грани смерти прошел акклиматизацию, в трагическом восхождении на Эверест в мае 1996 г:  [ 9 ]

«Одной из наиболее важных физиологических приспособлений организма к большой высоте являются миллионы и миллионы лишних кислородосодержащих эритроцитов, которые производит ваш костный мозг в ответ на хроническое лишение кислорода. Вам всё время необходим дополнительный кислород. Высоко в горах вы просто жаждете воздуха. Дыхание становится настолько тяжелой работой, что ей посвящается 40 % вашей общей энергии.

Разряженный воздух содержит меньше влаги, поэтому каждый день вы теряете с дыханием целых 7 литров воды. Это делает вас постоянно обезвоженным. Кроме того, вы больше не можете ни спать, ни есть. В Зоне Смерти, на высоте выше 8 тысяч метров, мысль о еде становится отвратительной для большинства. Даже если вы можете заставить себя жевать и проглатывать что-то, ваше тело не переварит еду. Но у вас сгорает около 12 тысяч калорий в день, а это значит, что вы потребляете свою собственную ткань — около 3 кг мышц в день — чтобы остаться в живых. Кроме прочего, полученные раны на большой высоте не заживают».

— «Я не хожу в горы и живу на уровне моря»

В Украине нет дефицита кислорода в атмосферном воздухе — большинство из нас живет на высоте немногим выше уровня моря. Однако и здесь чувствительные и больные люди болезненно реагируют на перемены погоды. Даже при незначительном падении барометрического давления, многие из нас чувствуют ухудшение самочувствия, при этом оставаясь на уровне моря.

Нормобарическая гипоксия

Вдох может нести мало кислорода при нормальном атмосферном давлении. Речь идет о дыхании в герметичных или плохо вентилируемых помещениях, шахтах, подводных лодках и т.д. Сюда относятся ситуации нарушения подачи кислорода в автономных костюмах, летательных или глубинных аппаратах, аппаратах искусственной вентиляции легких (ИВЛ), или случаи нарушения режима искусственной вентиляции лёгких.

Каждый из нас регулярно сталкивается с нормобарической гипоксией, потому как более 80 % своего времени мы проводим в закрытых помещениях.

Осмотритесь. Кислород людьми в этом помещении используется, но воздух может не обновляться. Организован ли здесь воздухообмен, при котором загрязненный воздух заменяется более чистым?

Дадим слово специалисту главного в Беларуси государственного Института, по вопросам экспертного обследования зданий Леониду Данилевскому: [ 10 ]

«В наших квартирах воздухообмен практически отсутствует, поскольку большинство людей живут с неорганизованной системой вентиляции. Среднее значение обмена воздуха в квартирах составляет 51 м3/час на всю квартиру, что в 2 – 3 раза меньше того минимального количества, которое нужно для нормального дыхания. Это ненормально!

Уже много десятков лет у нас здания проектируются с естественной системой вентиляции. Её устройство таково: есть выходные вентиляционные шахты, но нет организованного притока воздуха. Предполагается, что мы должны себе обеспечить воздухообмен через неплотности заделки оконных конструкций и дефекты стеновых конструкций. Но чем качественнее строительство, тем меньше дефектов остается — чем лучше установлены окна, тем меньше воздуха попадает в помещения. Современная конструкция окон с двухкамерными стеклопакетами — полностью герметичная конструкция, без возможности притока воздуха. А если нет притока, то нет и воздухообмена.

Наш Институт проводит обследования проблемных зданий, когда в них возникают какие-то проблемы. Никто не жалуется на плохую вентиляцию. Все жалобы касаются её последствий — конденсация влажности, появление плесени на стенах и т.д. Основная причина этих проблем, наряду с недостаточным утеплением — плохая работа вентиляции.

В этих вентиляционных шахтах часто полное безобразие. Это и свищи, при которых воздух движется как угодно, строительный мусор, который часто полностью перекрывает эти вентиляционные каналы. Всё это приводит к нарушению воздухообмена.

Мы делали расчет, на предмет того, какой возможен воздухообмен в воздухонепроницаемых ограждающих конструкциях. Оказалось, что не более 1/10 от нормы. То есть за 1 час в квартире меняется только одна десятая часть от того объема воздуха который есть в квартире. В то время как нормой является смена объема воздуха 1 – 2 раза в час. Обеспечить качество воздуха в рамках существующего свободного воздухообмена просто невозможно.

Отдельная проблема — низкая влажность воздуха. В большинстве квартир содержание влаги в воздухе всего 2,5 грамма, в то время как необходимо не менее 5 грамм влаги на 1 м3 воздуха. В итоге свежий увлажненный воздух в квартирах — роскошь, в то время как он жизненно необходим каждому из нас. Такое качество воздуха незаметно, день за днем сокращает нашу продолжительность жизни. Поэтому у нас в Беларуси средняя продолжительность жизни мужчины 62 года».

Вынужденная скученность людей

Вынужденная скученность людей в крупных городах и помещениях — бич XXI века. Отсутствие нормальной вентиляции и большая скученность людей в тесном помещении резко повышает концентрацию углекислого газа (СO2) в воздухе — его мы вдыхаем 0,04 %, а выдыхаем 4,4 % — в 110 раз больше.

19 % и ниже — столько кислорода мы получаем в конце рабочего дня в слабо проветриваемом офисе или в заполненном общественном транспорте. Уровень кислорода падает, снижается концентрация внимания, становится душно, клонит в сон, появляется слабость и другие признаки гипоксии. Чуть выше, мы уже обсудили, что содержание кислорода на уровне 19 %, соответствует уровню кислорода в горах на высоте 2 тыс. м.

Сколько углекислого газа должно быть в воздухе? Содержание СO2 на улице составляет 350 ppm. По стандартам ASHRAE и Министерства Труда США уровень СO2 во вдыхаемом воздухе не должен превышать 1000 ppm (0,1 %). Рекомендуемый уровень для спален, детских садов и школ — не более 600 ppm (0,06 %).

Исследования проведенные KPMG совместно с Университетом Миддлэсэкс среди 300 взрослых, показали, что более высокий уровень СО2 снижает концентрацию внимания на 30 %. При уровне свыше 1500 ррm (0,15 %) — 79 % испытывали чувство усталости, а при уровне выше 2000 ррm (0,2 %) 2/3 опрошенных заявили, что не в состоянии сосредоточиться. 97 % из тех, кто время от времени чувствует головную боль, заявили, что головная боль появляется у них уже при уровне 1000 ррm (0,1 %).

Управляющий отдела здоровья KPMG Джули Беннетт: «Я делала замеры в офисах компаний, в общественных зданиях, в школах. Мы провели замеры в ряде офисов компаний, школах и на улицах г. Москва, и хочу заметить, что уровень намного превышающий 1000 ррm — это не редкость. В ряде офисов уровень достигал 2000 ррm и выше. Уровень углекислого газа на улицах колебался в показателях до 1000 ррm, но замеры были сделаны не в самые неблагополучные дни, с точки зрения климатической обстановки. [ 11 ]

СO2 должен заменяться кислородом, поэтому в жилом помещении должен быть приток свежего воздуха, и его отвод. Воздух, который поступает через неплотности и щели, не может обеспечить требуемый воздухообмен.

— «У нас есть кондиционер».

Благодаря ему вы не перегреваетесь в жару, но кондиционер не участвует в воздухообмене. Он лишь создает иллюзию свежести тем, что охлаждает застоялый воздух.

— «У нас есть вытяжные отверстия на кухне и санузле».

В случае отсутствия притока свежего воздуха, вытяжка почти бесполезна, и даже вредна — она может работать на приток. В этом случае через неё в квартиру поступает отработанный воздух от соседей. Проходя через туалет, он захватывает с собой в жилые помещения еще и вредные бактерии.

— «Мы периодически открываем окна на проветривание».

Так поступает большинство из нас. Однако, частота и время проветривания, особенно в зимнее время, увы, слишком недостаточна. Необходимо, чтобы воздух в жилых и спальных помещениях обменивался 2 – 3 раза в час. Потребность человека в свежем воздухе составляет, примерно, 32 м3/час. Воздухообмен в жилых помещениях: — 0,8 объема помещения на 1 человека в час. [ 12 ] Даже продолжительное проветривание от случая к случаю не является оптимальным решением. Инфильтрация через форточки является случайной вентиляцией и поэтому непригодна для современных зданий. [ 13 ]

Низкое качество воздуха негативно влияет на здоровье и самочувствие человека, вызывает усталость, сонливость и разного вида аллергии. Развитие любой экзогенной гипоксии проходит по следующему сценарию:

  • в альвеолах падает парциальное давление кислорода;
  • насыщение гемоглобина кислородом замедляется;
  • снижается процент оксигемоглобина;
  • в тканях возникает недостаток кислорода, производство энергии переключается на бескислородный гликолиз, который быстро сжигает запасы глюкозы, в больших количествах появляется молочная кислота которая закисляет организм, появляется большое количество свободных радикалов;
  • в тканях возникает цианоз;
  • из-за гипервентиляции развивается гипокапния, которая приводит к развитию респираторного алкалоза;
  • кровоснабжение сердца, мозга и других органов затрудняется.

###

GO

Кислородные бикарбонатные ванны могут помочь справится с последствиями гипоксии, но не могут увеличить концентрацию кислорода в воздухе или удалить из него CO2. Чтобы избежать экзогенной гипоксии, позаботьтесь о чистоте воздуха в помещениях, в которых вы и ваши дети находитесь чаще всего. Особенно обратите внимание на спальни. Голландские ученые из Delft University of Technology считают, что для сна важнее качественный воздух в спальне, чем продолжительность сна.

● Установите приточно-вытяжную систему вентиляции в каждую комнату. Рекомендуем немецкие рекуператоры подогревающие входящий воздух — они не шумят, не создают сквозняк и относительно недорого стоят.

● Обязательно следите за уровнем CO2 в помещении. Сегодня на рынке существует большое количество бытовых и профессиональных CO2 мониторов. Здесь их обсуждают уже на протяжении 6 лет.

В следующей статье мы рассмотрим как кислород ведет себя в бронхо-легочной системе. Мы узнаем что такое дыхательная гипоксия и что её вызывает.

ПРОДОЛЖИТЬ ЧТЕНИЕ

Используемые в статье источники:

1 ] Олег Янчевський. Проблемы акклиматизации в горах. 2009. https://www.tkg.org.ua/node/11577

2 ] Semenza G.L. Hypoxia-Inducible Factor 1 and the Molecular Physiology of Oxygen Homeostasis // J. Lab. Clin. Med. 1998. Vol. 131, 3. Р. 207-214.

3 ] Айзек Азимов «Кровь: река жизни. От древних легенд до научных открытий»: Центрполиграф; Москва; 2004 ISBN 5-9524-0974-1.

4 ] Агаджанян Н.А, Тель Л.З, Циркин В.И, Чеснокова С.А. Физиология человека. Изд. Медицинская книга, 2009. ISBN 978-5-86093-061-2.

5 ] Шмидт-Ниельсен К. Физиология животных: Приспособление и среда: В 2 кн. М.: Мир, 1982. Т. 1. 414 с.

6 ] Л.А. Бельченкова. Адаптация человека и животных к гипоксии разного происхождения. Соросовский образов. журнал, Т.7, 7. 2001

7 ] Успенский В.И. Лечебное применение кислорода. Монография 1959 г. Издательство: М.: Медгиз

8 ] Агаджанян Н.А, Тель Л.З, Циркин В.И, Чеснокова С.А. Физиология человека. Изд. Медицинская книга, 2009. ISBN 978-5-86093-061-2

9 ] Beck Weathers, книга «Оставленный умирать» (Left for Dead) ISBN-10: 0440509173

10 ] Данилевский Л., зам. ген. директора УП, "Институт НИПТИС им. Атаева С.С.", г. Минск, доклад «Реализация комплексной программы строительства энергоэффективных зданий в Республике Беларусь» на конференции «Технологии проектирования и строительства энергоэффективных зданий Passive House». Москва, ЦВК «Экспоцентр», 6 апреля 2011

11 ] www.e-xecutive.ru

12 ] Нойферт. Строительное проектирование. Справочник. Германия. 2014. Ориг. название Bauentwurfslehre Изд. Архитектура-С. ISBN 978-5-9647-0258-0, 978-3-8348-1825-6

13 ] Вольфганг Файст. Основные положения по проектированию пассивных домов. - М: Издательство Ассоциации строительных вузов. -144 стр. Пер. с немецкого с доп. под ред. А.Е. Елохова ISBN 3-935243-00-6 (нем.) ISBN 978-5-93093-619-3 (рус.)

Поиск по тегам: 

На Главную