Физиологические основы ныряния методом апноэ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Физиологические основы ныряния методом апноэ

Содержание

1. Природные приспособления к подводному обитанию. Животные-водолазы

2. Физиологические барьеры глубины и пути их преодоления. Основы гипербарической физиологии

3. Ныряние методом апноэ. Физиологические основы апноэ. Физиологические сдвиги в организме при нырянии: гипоксия, гиперкапния, уменьшение объёма лёгких

4. Возможности увеличения времени задержки дыхания при нырянии. Гипервентиляция, правила ее выполнения

5. Опасности свободного ныряния. Причины потери сознания при нырянии. Возможные заболевания ныряльщиков и пути их предупреждения. Запрещенные способы ныряния

6. Резервные возможности организма ныряльщика. Метаболические адаптации животных к нырянию

7. Рекомендации для начинающих фридайверов

Литература

1. Природные приспособления к подводному обитанию. Животные-водолазы

У животных, обитающих в подводном мире - рыб, моллюсков, иглокожих - все существование проходит в водной среде и их органы дыхания приспособлены к извлечению кислорода, содержащегося в воде. Однако мы можем встретить в подводном мире и тех, кому для дыхания просто необходим воздух. Как же им удаётся выживать? Некоторые механизмы, используемые этими животными, человек реализовал (осознанно или неосознанно) в специальных аппаратах и приемах, используемых для пребывания под водой. Дальнейший детальный анализ этих механизмов может натолкнуть человека на новые открытия.

Многие животные, дышащие легкими (киты, тюлени, выдры), водоплавающие птицы (пингвины, бакланы), личинки москитов ныряют тем же способом, что и пловцы: делают перед погружением глубокий вдох, а под водой задерживают дыхание как можно дольше.

Некоторые живые существа, находясь под водой, всасывают воздух с поверхности:

а) Личинка мухи рода Эристалис из семейства журчалок.

Эта личинка, называемая также крыской, большую часть жизни проводит в гниющей жидкости. Последние три сегмента ее брюшка образуют характерный «хвост», который при нахождении личинки под водой вытягивается до контакта с воздухом (предел вытягивания - 12-15 см). Хвост состоит из внешней прозрачной оболочки, внутри которой проходят два воздушных канала, с звездообразной втулкой, плавающей на поверхности. По воздушным каналам личинка всасывает воздух. Внешняя оболочка способна вытягиваться, а внутренние трубки не растягиваются и не сокращаются благодаря спиральной кромке, скрепляющей их цилиндрическую форму. В момент сокращения - укладываются кольцами, но не в одном направлении, а, как и шланги водолазов, - должны делать «обратный поворот». Если крыска не может дотянуться хвостом до поверхности, то использует воздух из воздушных пузырьков под водой.

Немецкие подводные лодки к концу Второй мировой войны были оснащены подобной втягивающейся вентиляционной трубой (шнорхелем), которую можно было поднимать на поверхность для забора воздуха. Благодаря этому судно могло идти под водой на дизельных двигателях, подзаряжая в это время электроаккумуляторы.

б) Личинка жука рода радужниц из семейства жуков-листоедов.

Эта личинка использует для дыхания капиллярные сосуды стеблей водяных лилий. Ее дыхательный аппарат сообщается с двумя полыми шипами на конце тела, которые личинка вонзает в капилляры растения и высасывает воздух. Сама она не может двигаться в воде, но может погружаться на значительную глубину.

Другие живые существа запасают воздух:

а) Жуки-плавунцы.

Обитают в стоячих водоемах, обновляют запас воздуха, выталкивая заднюю часть тела к поверхности и поднимая надкрылья, тем самым открывая доступ к дыхальцам. При этом вокруг волосков на брюшке образуется пузырек воздуха, который фиксируется при закрытии надкрылий.

Лишь в середине ХХ веке был изобретен аналогичный аппарат, акваланг - устройство с запасом воздуха, переносимое на спине и давшее возможность погружаться под воду миллионам людей.

б) Гладыши и гребляки.

Хранят воздух в пузырьках между рядами волосков на брюшке, в непосредственной близости от дыхальцев, это так называемая диффузионная жабра, по мере расхода кислорода в пузырек некоторое время дополнительно поступает кислород из воды за счет разницы парциальных давлений газов.

Ученые из Университета Аделаиды (Австралия) в 2006 г. установили, что гладыш регулирует свою плавучесть при помощи гемоглобина. Ныряя, клоп использует для дыхания кислород из воздушного пузыря, окружающего тело насекомого в виде серебристой пленки. В результате пузырь быстро уменьшается, что приводит к снижению плавучести. Когда плавучесть приближается к нулевой, гемоглобин начинает отдавать связанный с ним кислород, тем самым пополняя воздушный пузырь и поддерживая плавучесть на близком к нулю уровне.

в) Некоторые водяные клопы и водолюбы.

Имеют пластрон - часть поверхности тела, покрытая водоотталкивающими волосками, удерживающими воздух; волоски препятствуют контакту воздуха с водой, поэтому прослойка воздуха не уменьшается, и кислород из воды проникает в нее неограниченно долгое время. Кроме того, некоторые водные клопы имеют в брюшке крупные клетки с гемоглобином, в которых создается долгосрочный запас кислорода, расходуемого под водой

г) Водяной паук.

Живет в прудах и канавах в наперсткообразном коконе, сотканном из собственного шелка. Паук прикрепляет кокон отверстием вниз ко дну шелковыми нитями и заполняет его воздухом: при погружении под воду в волосках, покрывающих заднюю часть тела паука, задерживается воздух; паук, подплывая к кокону, сталкивает пузырьки, которые поднимаются под купол колокола. Запас воздуха периодически обновляется. В колокол откладываются яйца. В период спаривания самец ткет колокол рядом с колоколом самки и сооружает между ними проход. Установлено, что у водяного паука кожное дыхание преобладает над лёгочным. В колоколе диаметром около двух сантиметров паук может жить, не поднимаясь на поверхность, до трёх недель, при этом воздушный колокол паука функционирует как своеобразный орган дыхания: через стенку воздушного пузыря в воду уходит возникающая при дыхании паука углекислота, а из воды в пузырь диффундирует кислород.

Подобное изобретение, названное «водолазный колокол» - кессон, было впервые опробовано в 1538 году в испанском городе Толедо, а практическое применение нашло лишь в ХIII веке. В настоящее время ведется огромное количество работ под землей и под водой с помощью кессонов различной конструкции.

Есть и другие приспособления для пребывания под водой. Например, для создания и изменения плавучести.

а) Арцелла из надкласса Корненожек.

Это простейшее, живущее на водяных растениях под водой. При падении на дно арцелла способна производить в своем теле пузырьки газа, которые постепенно увеличиваются до тех пор, пока она не приобретет плавучесть и не всплывет на поверхность. При условии получения достаточного количества газа - пузырьки уменьшаются и затем исчезают. Было установлено, что эти пузырьки состоят из чистого кислорода.

б) Личинка перистоусого комара коретры.

Эта прозрачная личинка живет в прудах и имеет 4 воздушных мешочка, расположенных попарно на концах тела. Назначение этих мешочков - достижение «нейтральной плавучести», достигаемое изменением их объема. Газ в мешочках личинки - воздух, растворенный в воде, быстро диффундирующий через оболочку личинки.

В конструкции подводных лодок есть центральная и балластные цистерны для экстренного погружения, всплытия и дифферентовки, эти системы были практически применены только в конце IХХ века, кроме этого сегодня легководолазы и дайверы не уходят под воду без жилета, поддувая который или спуская из него воздух, водолаз или дайвер регулирует свою плавучесть.

в) Рыбы.

Плавающие в толще воды рыбы имеют воздушный пузырь, наполненный газом и позволяющий плавать свободно без затраты энергии на преодоление силы тяжести. Для предотвращения расширения и сжатия пузыря за счет изменения гидростатического давления рыбы имеют средства компенсации. Однако они недостаточны для быстрых и мощных изменений глубины. В отличие от коретры пузырь у рыб не может самостоятельно сжиматься-расширяться, это полость, объем которой зависит от количества газа. Для регуляции количества газа есть несколько приспособлений:

- большинство пресноводных рыб имеют трубку, идущую от пузыря к горлу, с помощью которой могут выделять пузырьки газа из пузыря или втягивать воздух в пузырь;

- большинство морских рыб имеют закрытые плавательные пузыри, но снабженные особыми железами, выделяющими свободный кислород в пузырь по мере надобности, а также органом, поглощающим избыточный газ из пузыря.

Современные подводные аппараты и подводные лодки оснащены системами жизнеобеспечения, которые электрохимическим методом могут извлекать кислород из воды путем электролиза и поглощать углекислый газ, связывая его химпоглотителем.

Некоторые рыбы не могут жить под водой, не вдохнув воздуха с поверхности. Например, змееголов - пресноводная рыба отряда окунеобразных, обитающая в водах Китая и Кореи, в реках бассейна Амура и в озере Ханка. Эти рыбы приспособлены не только к водному дыханию при помощи жабр, но и к дыханию атмосферным воздухом благодаря имеющемуся у них специальному наджаберному органу, что помогает им переносить недостаток кислорода в воде, а при пересыхании водоема переселяться из него в другой по суше. Орган представлен парными выростами в глотке, стенки которых очень богаты кровеносными сосудами. Заглатывание воздуха этим рыбам настолько необходимо, что в случае преграждения им доступа к нему они гибнут даже в воде, содержащей большое количество кислорода.

Кроме таких рыб есть и другие животные, которые не могут жить и без воды, и без воздуха. Это, прежде всего, класс земноводных (Amphibia).

Земноводным присуще три способа дыхания: жаберное, легочное и кожное. Жаберное дыхание только у личинок на ранней стадии развития, а затем меняется на легочное. Кроме легочного дыхания у многих взрослых амфибий возникло еще и кожное дыхание, причем у некоторых видов это почти единственный способ обогащения крови кислородом. В связи с этим кожа гладкая и влажная, у некоторых видов покрытая слизью. Так, например, два типа дыхания характерны для лягушек. Для дыхания у них служат легкие и кожа. Легкие имеют вид мешков. Их стенки содержат большое количество кровеносных сосудов, в которых совершается газообмен. Горло лягушки несколько раз в секунду оттягивается вниз, благодаря чему в ротовой полости создается разреженное пространство. Тогда воздух проникает через ноздри в ротовую полость, а оттуда в легкие. Обратно он выталкивается под действием мускулатуры стенок тела. Легкие лягушки развиты слабо, и кожное дыхание для нее так же важно, как и легочное. Газообмен возможен только при влажной коже. Если лягушку поместить в сухой сосуд, то вскоре кожа ее высыхает, и животное может погибнуть. Погруженная в воду, лягушка целиком переходит на кожное дыхание. Некоторые лягушки вырабатывают дополнительные приспособления. В период размножения у самцов волосатой лягушки кожа по бокам туловища и на бедрах покрыта многочисленными тонкими чёрными волосовидными выростами, которые снабжены кровеносными капиллярами и служат дополнительным органом кожного дыхания. По окончании спаривания «волосы» почти исчезают до следующего периода размножения. У некоторых других видов лягушек имеются постоянные кожные складки, свисающие с задних конечностей и туловищ, крупной водной саламандры аллеганского скрытожаберника складки невелики, но многочисленны и снабжены густой сетью капилляров. Эффективность подобных приспособлений велика настолько, что некоторые земноводные (саламандры, тритоны) вообще обходятся без легких и дышат только кожей.

Кожное дыхание исследовалось и у других позвоночных. Оно в той или иной мере встречается у рыб (двоякодышащие рыбы, акула, форель, треска, серебряный карась, камбала), у пресмыкающихся (пресноводные черепахи, обитающие в воде змеи, ящерица хукуала) и даже у высших позвоночных (летучие мыши).

Есть свои секреты и у «обычных ныряльщиков» среди рептилий, птиц и млекопитающих.

Рептилии. а) Крокодилы.

У этих пресмыкающихся ноздри находятся на переднем конце морды, а глаза приподняты и расположены на верхней стороне головы, что позволяет крокодилам держаться в воде у ее поверхности, выставив на воздух лишь глаза и ноздри.

б) Водяные змеи.

Живут в реках и в море, их можно встретить на расстоянии до 80 км от берега; они прекрасные пловцы и могут оставаться в погружении до получаса. Ноздри их находятся на верхней стороне переднего конца сплющенной и широкой головы (у других змей они лежат по бокам головы) и могут закрываться клапанами в виде кожистой кольцеобразной складки края их наружного отверстия.

в) Черепахи.

Поскольку панцирь черепахи образует неподвижную коробку, грудная клетка неподвижна и дыхание осуществляется путем «заглатывания» воздуха при помощи колебаний подъязычного аппарата. Дыхание черепахи напоминает диафрагмальное, свойственное человеку и другим млекопитающим. Специальные мышцы оттягивают внутренние органы назад, позволяя легким заполниться воздухом; затем другие мускулы осуществляют обратный процесс, сжимая легкие. Кроме того, вентиляция легких происходит при втягивании и выдвигании конечностей. У водных черепах имеется дополнительное водное дыхание через богатые кровеносными сосудами выросты глотки и анальные пузыри, отходящие от задней кишки и наполняемые водой. Болотная черепаха, например, зимой, когда обмен у нее значительно понижен, вполне обходится за счет дыхания через такой анальный пузырь.

Птицы.

Из птиц лучше других приспособлены к водной жизни пингвины, которых насчитывают 15 видов. Они не только хорошо плавают и ныряют, добывая небольших рыбешек, головоногих моллюсков и ракообразных, но и в любую погоду удаляются от берегов до 1000 километров. Они, разогнавшись, выскакивают из воды на обрывистую скалу или льдину высотой более метра, то есть выше роста самого крупного вида императорского пингвина. Этот вид обладает удивительной способностью оставаться под водой долгое время. На одном вдохе императорский пингвин может проплавать под водой более 20 мин. Использование датчиков, регистрирующих уровни кислорода крови в течение погружений, показало, что возвращаются пингвины с минимальным уровнем кислорода в крови, когда-либо зарегистрированным у животных. К концу ныряния пингвина уровни кислорода в легких, артериях и венах оказывались практически одинаковыми и близкими к нулю. Предполагают, что у этих пингвинов более совершенный вариант гемоглобина, эффективно связывающий и переносящий кислород при его небольших концентрациях.

Из птиц, обитающих в северном полушарии, к числу лучших подводников принадлежат гагары, поганки, бакланы и нырковые утки. Но и у чаек, представителей отряда хищных, буревестников и ряда других пернатых есть свои ныряльщики-рекордсмены. Гагары - наиболее типичные, часто преимущественно морские птицы, предпочитающие плавание полету, а ныряние - плаванию. Под водой они двигаются быстрей, чем по поверхности, - за две минуты преодолевают до 300 метров. Под водой могут пробыть до пяти минут.

На три минуты ныряют некоторые виды поганок. Их находили застрявшими в рыболовных сетях, поставленных на глубине 24 метра. Они и птенцов выводят на воде, в плавучих гнездах из тростника, камыша и другой растительности. К концу насиживания гнезда набухают и опускаются, так что яйца отчасти могут находиться в воде. Поэтому птенцы, появляясь на свет, чтобы не захлебнуться, выскакивают из скорлупы мгновенно, как из катапульты. И уже готовы к плаванию.

Но чемпионами погружения являются смерги, они в состоянии оставаться под водой две и даже три минуты и опускаться на 60 м и более. Смерги - единственные водные птицы, живущие в северном полушарии за арктическим полярным кругом.

Также к ныряющим птицам относятся кулик-сорока, плавающий под водой со сложенными крыльями; низинная фула, ныряющая на глубину до 30 м; хохлатый баклан, превосходный и терпеливый подводный охотник, ныряющий до 7 м глубины и задерживающий дыхание до 2 минут. Часто бакланы устраивают групповую охоту. Они выстраиваются шеренгой или полукругом, и, ныряя, гонят рыбу на мелководье, где ей труднее избежать их клювов. Иногда в такой коллективной облаве участвуют и пеликаны. Но так как они не могут нырять, то плывут над бакланами, придерживаясь их линии, и, хлопая по воде крыльями, поднимают шум, пугают рыбу и не дают ей ускользнуть из западни верхом. А на мелководье они, как экскаватором, вычерпывают добычу своим широким клювом с растягивающимся кожистым ковшом. То есть, можно сказать, что пеликаны, как и утки и гуси, погружаются частично, засовывая голову под воду, чтобы достать водоросли или поймать рыбу.

Млекопитающие. Из всех животных, вернувшихся с суши к водной жизни, наибольших успехов в освоении новой среды достигли именно млекопитающие. Количество их водных видов не так велико, как наземных. Впрочем, абсолютно наземных млекопитающих не бывает. Все они, кроме человека и обезьян, способны плавать с первого же захода. Но, как показали наблюдения японских ученых, для обезьяны, преодолевшей страх перед водой, купание и ныряние - одно из величайших удовольствий.

Некоторые млекопитающие, большую часть времени проводящие на земле, могут нырять и находиться некоторое время под водой.

Речная выдра может находиться под водой 4 минуты, утконос - 10 минут, выхухоль - 12 минут. Ондатра не только превосходный пловец, она способна к продолжительнейшим погружениям (даже на 10-15 мин) в озерах и прудах в поисках пищи. Бобр может оставаться под водой от пятнадцати до двадцати минут. Морская выдра, или калан остается под водой 8 и более минут. При этом плавает под водой она значительно быстрее: по поверхности воды - по три километра в час, а при нырянии - до 10,5 километра, погружаясь на глубину 9 - 10 метров. Также умеют нырять выдровая землеройка, норка и многие другие виды млекопитающих. Необычная собака ньюфаундленд, или водолаз, плавает как на поверхности воды, так зачастую и под водой.

Полярный медведь способен, задерживая дыхание, нырять до восьмиметровой глубины, подныривать под лед и укрываться там в течение нескольких минут. Его бурый собрат и даже тигр также умеют плавать и нырять за рыбой. Гиппопотам может весить до 3200 кг и расхаживать по дну рек, не выходя на воздух в продолжение чуть ли не 20 минут. В противоположность гиппопотаму, который больше ассоциируется с водой, чем с сушей, нocopoг в нашем понимании существо вполне земное. И все-таки он тоже хороший пловец и может погружать голову под воду на несколько минут.

Особое внимание следует уделить слонам. Это толстокожее млекопитающее всегда заставляло размышлять зоологов и физиологов. Все они едины во мнении, что в ходе эволюции у него имелись тесные связи с водной средой и что до сих пор он находится «между водой и сушей». Как у человека и их общего собрата ламантина, возвратившегося в море на постоянное жительство, у слона также имеется слой подкожного жира, присущий морским млекопитающим. У самки слона две фронтальные грудные молочные железы. У отдельных видов доисторических слонов были остроконечные, загнутые книзу бивни, точно такие, как у сегодняшних моржей, которые пользуются ими, чтобы вытащить свои тяжелые туши из воды на паковый лед. А гигантизм слона в земной природе разве не то же, что гигантизм кита в водной? Фантастично, но факт, что слон может ходить по дну реки, держа «шнорхель» над водой для дыхания. Впрочем, это не мешает ему быть прекрасным пловцом и, может быть даже одним из лучших пловцов среди земных животных.

Но, несомненно, наибольшее число физиологических приспособительных механизмов должно эволюционно сформироваться у морских млекопитающих - вторичноводных животных, вернувшихся в воду с суши из-за изменений климата и условий жизни. К ним относятся ластоногие, сирены и китообразные.

Ластоногие объединяют моржей, ушастых тюленей и обыкновенных тюленей. Большую часть своей жизни они проводят на суше в противоположность китообразным, неспособным покидать воду. Превосходные подводники: их ноздри закрываются при погружении и открываются над водой. Ластоногие могут спать, сохраняя автоматизм дыхания. Ввиду отсутствия носослезного протока избыток соленой воды в организме удаляется через глаза. Тюлени могут опускаться на большую глубину: котики попадались на рыболовные крючья на глубине 108-144 метров, сивучи - на глубине 182 метров; дрессированные калифорнийские морские львы опускались на 225 метров, серый тюлень - на 140 метров и находился под водой 20 минут.

а) Нерпа из рода Pusa семейства настоящих тюленей.

По сообщению рыбаков, нерпа попадала в сети на глубине до 200 м, но, как правило, она ныряет на значительно меньшие глубины.

б) тюлени Уэдделла являются рекордсменами среди ластоногих по погружениям на глубину: однажды в ледяном арктическом колодце один из них достиг глубины 600 метров, затратив на погружение и подъем 43 минуты. Обитают тюлени Уэдделла у берегов Антарктики и не выходят из воды, даже когда она замерзает. Спят тюлени у продухов, высунув морду наружу, а тела их свисают в воду. Сохранять это положение им удается, набирая больше воздуха в горло, что выталкивает их к поверхности.

Человечество изобрело спасательный жилет, удерживающий человека на воде, значительно позднее, чем природа.

В семейство сирен входят три известных вида: стеллерова корова (была полностью истреблена в 1768 г.), ламантины и дюгони (находятся на пути к исчезновению). Дюгони способны задерживать дыхание до двадцати минут. Их носовые отверстия, расположенные на конце морды, похожи на отдушины.

Китообразные делятся на два подотряда:

а) беззубые, или усатые, киты (гренландский кит, южный кит, горбач, финвал и др.);

б) зубатые (кашалоты, дельфины, морские свиньи, косатки).

Наружные ноздри китов смещены на верх головы и обладают особыми клапанами, запирающими эти отверстия при нырянии. Трахея и бронхи укорочены, что способствует убыстрению акта дыхания. Китообразные способны подолгу не дышать. Усатые киты обычно ныряют на 40 минут, зубатые - на 30-60, хотя некоторые и них, к примеру, дельфины-бутылконосы, доводят этот рекорд до двух часов. Процесс дыхания китообразных обычно можно подразделить на выдох после длительного ныряния, промежуточные короткие вдохи и выдохи, глубокий вдох перед длительным нырянием (за один раз кит вдыхает около 14 тысяч литров воздуха). Во время промежуточных вдохов и выдохов кит ныряет неглубоко, плывет почти всегда по прямой линии, дышит через правильные промежутки времени. Число промежуточных вдохов-выдохов различно у разных видов и тем больше, чем дольше остается животное под водой во время основного ныряния.

Выдох может начинаться у поверхности под водой, в результате чего выдыхаемый с силой воздух образует водяной фонтан. Манометры, прикрепленные к гарпунам, показали, что раненые киты могут погружаться на 300 метров. Ныряние на глубину 350 и более метров не представляет для черных дельфинов и китов-полосатиков никакой трудности. Клюворылый кит ныряет в глубину до 500 метров. Некоторые киты (кашалоты) способны нырять на глубину свыше 1000 м. Но рекордная глубина была достигнута двумя кашалотами, которые запутались в подводном кабеле на глубине 1100 метров и 2200 метров. Быстрый подъем нырнувшего животного с большой глубины на поверхность воды должен вызвать кессонную болезнь, однако китам она не свойственна, что часто является предметом удивления и догадок. Предполагалось, что в крови китов содержатся аэробные бактерии, обладающие способностью связывать азот. Другой вариант объяснения, что количество азота в легких не намного превышает азотную емкость тканей кита, а воздух в процессе ныряния в легкие больше не поступает (в противоположность тому, что имеет место у водолазов).

Жак Майоль в своей книге «Человек-дельфин» сформулировал общие приспособления морских млекопитающих, облегчающие ныряние:

а. Строение ребер и грудной клетки

Благодаря эластичности ребер и грудной клетки у них происходит замедление дыхания. Установлено, что их «дыхательная амплитуда» в 5-10 раз больше, чем у человека, что улучшает обновление альвеолярного воздуха. Грудная клетка морских млекопитающих способна выдерживать гораздо большие давления и, следовательно, значительно изменять свой внутренний объем. Возможно, например, такое понижение кровяного давления легких, при котором стенки альвеол будут соприкасаться, т. е. легочный объем сократится до размеров мертвого пространства. При каждом вдохе нормальный человек обновляет только 15-20% своего легочного объема воздуха; дельфин же в долю секунды вдыхает почти 90% свежего воздуха, из которого извлекает половину содержащегося в нем кислорода, в то время как наши легкие не позволяют нам извлечь более 5-6%. Мало того, во время глубоководных погружений при сжатии легких воздух остаточного объема притекает в мертвое пространство бронхов и трахеи, которые препятствуют газовой диффузии через свои стенки, накапливая, следовательно, азот в тканях.

б. Устойчивость к углекислому газу

Морские млекопитающие лучше противостоят повышенному содержанию СО₂ в крови, поскольку их дыхательный центр менее чувствителен к углекислоте, и из-за этого использование кислорода вдыхаемого воздуха обычно вдвое выше.

в. Шунты. Анатомические шунты (ответвления от основного направления в обход какого-либо участка) замедляют попадание СО₂ в мозг.

г. Большое количество легочных альвеол.

д. Повышенное содержание эритроцитов, гемоглобина, миоглобина.

е. Большой объем крови морских млекопитающих в процентном отношении к весу тела (вдвое больше, чем у земных).

ж. Перераспределение кислорода, отличное от имеющегося у человека.

Подводник, долго вентилирующий легкие перед тем, как нырнуть, загружает кислородом гемоглобин крови (41% используемого кислорода) и миоглобин мышц (13%), в то время как остаток идет в легкие (34%) и другие ткани (12%). Китообразные же, наоборот, с практически пустыми легкими и незаполненными миоглобином мышцами сосредоточивают тот же самый 41 % кислорода в крови и такое же высокое количество его в миоглобине, т. е. тоже 41%.

з. Низкий уровень основного метаболизма.

Сейчас установлено, что метаболизм у млекопитающего-ныряльщика значительно ниже, чем у человека. Ткани крупных морских млекопитающих нуждаются в меньшем потреблении кислорода, поскольку они эффективнее используют каждое пополнение легких воздухом. Метаболизм ламантина в 5-10 раз ниже, а кита - в 14 раз ниже, чем у человека.

и. Защита от холода.

У всех млекопитающих-ныряльщиков есть изотермический слой подкожного жира, животные же северных морей защищены от холода массивной жировой оболочкой, и их потери тепла значительно ниже.

к. Периферийное сужение сосудов.

При погружении китообразных за счет сужения сосудов в периферийных областях тела, в конечностях кровь возвращается и концентрируется в районе грудной клетки и в наиболее «ценных» органах, которым она в данный момент особенно нужна.

л. «Чудесные сети» Кювье.

Кювье открыл у млекопитающих-ныряльщиков сеть капилляров, играющих роль настоящих теплообменников. Во время процесса периферийного сужения сосудов эти «чудесные сети» выступают посредниками между насыщенными кровью областями тела животного и обескровленными, создавая некоторым образом преграду теплу и ограничивая его распространение необходимым минимумом. Такие капилляры сравнивают с губками, хранящими запасы свежей крови в грудной клетке и мозге.

Самая важная артерия простирается вдоль позвоночного столба и между ребрами. Эта «чудесная сеть» грудной клетки образована двумя маленькими ветвями аорты и межреберными артериями. Такая же сеть окружает мозг, насыщаемый кислородом позвоночных артерий, которые тесно связаны с «чудесной сетью» грудной клетки.

м. Обращение к анаэробному дыханию.

Организм млекопитающих-ныряльщиков может обратиться за помощью к приспособленным функциям древнего анаэробного дыхания, когда запас кислорода у него на пределе, и выиграть несколько лишних минут.

н. Кислородный дефицит

Млекопитающее-ныряльщик может заставить ткани своего организма занять часть кислорода в долг, который поспешит восполнить, как только вернется на поверхность.

о. Брадикардия при погружении

Брадикардия уменьшает энергетический расход сердечной мышцы, замедляет перенос кислорода к тканям, и по этой же причине тормозятся метаболические процессы. Этот механизм выживания срабатывает· моментально, едва голова животного или человека погружается в воду, он похож на снижение числа оборотов мотора при сокращении подачи топлива (кислорода на нашем примере).

	На поверхности, ударов в минуту	В погружении, ударов в минуту
Нормальный человек	70	50
Подводник	70	35
Хорошо тренированный подводник	60	28
Дельфин	110	45
Белуха	30	16
Бобр	140	20
Тюлень	120	10
Пингвин	240	20

п. Приток крови к легким

Это явление состоит в важном изменении кровообращения, вызванном прямым воздействием давления воды на организм животного. С увеличением глубины и давления происходит отток крови от конечностей, концентрация ее в области грудной клетки и наиболее «ценных» органов, прежде всего сердца и мозга. В результате этого сосуды и капилляры, окружающие легкие и легочные альвеолы, как бы затвердевают, и сопротивление организма давлению увеличивается. Кроме того, эта дополнительная кровь обогащена запасными эритроцитами из резерва, предоставленного менее важными в этот момент органами (печенью, например), что удлиняет животному время пребывания под водой.

Стоит заметить, что некоторые из этих приспособлений, например, чудесная сеть капилляров, характерны и для наземных млекопитающих, способных нырять.

Как видно из вышесказанного, животные различных видов адаптировались к нырянию, а некоторые и к постоянному обитанию под водой. Часто подобная адаптация является не только морфологической, но и биохимической. Подробнее об этом рассмотрим далее.

Хотелось бы также упомянуть Тихоходок, называемых «водные медвежата» и «моховые поросята». Хотя они и не относятся к ныряющим животным, но эти микроскопические беспозвоночные, близкие к членистоногим, обладают уникальным свойством - поразительной выносливостью, изучение механизмов которой может открыть новые перспективные направления в прикладной биологии. У них отсутствуют дыхательная и кровеносная системы - дыхание кожное, а роль крови выполняет заполняющая полость тела жидкость. При наступлении неблагоприятных условий они способны на годы впадать в состояние анабиоза; а при наступлении благоприятных условий довольно быстро оживать. Выживают тихоходки в основном за счёт т. н. ангидробиоза, высушивания. При высыхании они втягивают в тело конечности, уменьшаются в объеме, принимают форму бочонка и покрываются восковой оболочкой, препятствующей испарению. При этом их метаболизм падает до 0,01%, а содержание воды способно доходить до 1% от нормального. В состоянии анабиоза тихоходки выносят невероятные нагрузки: нагрев до 60-65^оС в течение 10 ч, охлаждение жидким воздухом до -193^оС в течение 20 мес.; мощное ионизирующее излучение (до 570000 рентген). Особенно интересна способность оживать после получасового пребывания в вакууме и довольно долгого пребывания в атмосфере сероводорода или углекислого газа, а также выдерживать давление до 600 МПа.

И это только часть секретов-подарков Природы, которые человек может использовать при освоении новых жизненных пространств в стремлении улучшить свою жизнь в гармонии с окружающей средой.

2. Физиологические барьеры глубины и пути их преодоления. Основы гипербарической физиологии

На пути освоения подводных богатств Океана, проникновения человека под воду, исторически, по мере задач, которые ставила жизнь, на пути в глубину человечество сталкивалось с физиологическими барьерами глубины:

Первый - гипоксия, нехватка кислорода при нырянии в глубину, когда человек, задержав дыхание, ныряет и плавает под водой столько времени, насколько хватает запасов кислорода. Это время в среднем равно 1 минуте, у тренированных ныряльщиков - до 3 минут, описаны люди, время задержки дыхания которых доходило до 6-8 минут в покое.

Но даже если бы человек мог задерживать дыхание на 20 минут и более, он не мог бы нырять очень глубоко, поскольку его поджидает следующий барьер.

Второй барьер глубины - отек легких. При погружении на каждые 10 метров воздух в легких сжимается в 2 раза, так что на глубине 30 метров объем легких в грудной клетке будет равняться остаточному объему 1,4-1,6 литра. Сегодня некоторые люди ныряют за 100 метров, а рекорд ныряния без специального снаряжения на одном вдохе перешагнул отметку 150. Что же происходит с грудной клеткой и легкими на такой глубине? Кровь рефлекторно начинает депонироваться (скапливаться) в многочисленных сосудах легочной ткани и ее количество в легких может превышать половину всего объема крови, от 2,0 до 3,0 литров, эта кровь занимает место сжатого в легких воздуха и не дает травмироваться грудной клетке. Но, легко скапливаясь, эта кровь медленней и с большими трудностями покидает кровеносное русло легочной ткани, в этом важную роль играют и врожденные механизмы регуляции кровообращения. Даже у хорошо тренированных и обученных людей этот механизм может не сработать, что приводит к отеку легких, а в дальнейшем аноксии и смерти. Так завершилась карьера многих спортсменов-ныряльщиков. Не зря в СССР при занятиях подводным спортом ставить рекорды по длительности пребывания под водой и глубине ныряния на одном вдохе запрещалось.

Создание в XIX веке водолазного снаряжения для погружений на сжатом воздухе позволило водолазам находиться под водой уже не минуты, а часы, но при этом возникла следующая серьезная проблема.

Третий барьер глубины - декомпрессионная болезнь (кессонная, «заломай» и т.д.) - плата человека за возможность работать под водой или под давлением в кессонах многие часы. Пересыщение тканей азотом воздуха, быстрое снижение давления, образование пузырьков, закупорка сосудов, местная гипоксия, боль, омертвление клеток в области закупорки, возможная инвалидность и смерть - вот что ждало человека, быстро поднявшегося на поверхность после длительного пребывания на глубине. Этот барьер удалось победить разработкой безопасных режимов декомпрессии.

Четвертый барьер глубины - токсическое действие кислорода на глубинах более 20 метров, когда при погружении на чистом кислороде могут возникнуть судороги, потеря сознания и смерть. Такую цену приходилось платить подводным пловцам и диверсантам. Они использовали аппараты, работающие на чистом кислороде по замкнутой схеме дыхания, не выпуская пузыри на поверхность, чтобы не быть обнаруженными. Эта проблема была решена созданием аппаратов с замкнутой схемой дыхания, работающих на искусственных газовых смесях. Однако доступность в неограниченных количествах сжатого воздуха делала его наиболее рентабельным для водолазных спусков. Это привело к столкновению со следующим препятствием.

Пятый физиологический барьер глубины - азотный наркоз, наркотическое действие повышенного парциального давления азота, содержащегося в воздухе в количестве 78%, на глубинах более 60 метров вызывающего следующие симптомы: эйфорию, беспричинную радость, неадекватное восприятие обстановки, неконтролируемое поведение, что могло привести к несчастным случаям и травматизму.

Спуск на глубины более 60 м становился опасным для здоровья водолазов. А жизнь, тем не менее, требовала освоения человеком все больших и больших глубин: все шире развивались океанология и флот, боевые субмарины скрывались под толщей воды в 200, 300, 500, 1000 метров, эти же глубины понадобились для разведки и добычи гигантских запасов нефти, газа, полезных ископаемых на дне океана, а подводные колхозы и города перестали быть фантастическими сюжетами. К тому же выяснилось, что на поверхности Венеры давление атмосферы приближается к 60 кгс/см²...

Мейер-Овертон, липоидная теория наркоза. Жиро-водный коэффициент. Наркот. активность: ксенон-16(анестетик при атмосферном давлении), криптон-4,2, аргон-1,4, азот-1, неон-0,8, гелий-0,012, водород-0,15. Лазарев,1041. гелиокс - наркоз на 400-500 м. Ошибка.

Экспериментаторы многих стран пытались преодолеть этот стратегически важный барьер. Так, в США в 60-х годах затратили на подводные исследования средств больше, чем на освоение космоса. Было предложено для увеличения глубины погружений водолазов и ликвидации возможности возникновения «азотного наркоза» частично или полностью заменить в воздухе азот гелием. Дело пошло: глубины водолазных спусков резко увеличились до 200, 300 метров. Однако следующий физиологический барьер не заставил себя ждать.

Шестой барьер глубины - нервный синдром высоких давлений нсвд, первые симптомы которого появлялись на глубине 200-300 метров при дыхании водолазов смесью, содержащей гелий. У водолазов отмечались тремор рук, нарушение координации движений, головокружение, миоклонии, артральгии, тошнота, рвота и т.д. Дальнейшее повышение давления (в экспериментах на животных) сопровождалось развитием клонических и тонических судорог, между приступами появлением патологических ритмов дыхания, паралича жизненно важных центров, остановкой дыхания, сердцебиения и гибелью.

Неужели это предел безопасной глубины погружения для человека? Каковы последствия НСВД? Чем он вызывается: действием холода, эффектами дыхания гелием, большой глубиной? А кроме того, каковы механизмы возникновения «азотного наркоза» и НСВД, как предотвратить развитие этих проявлений? Все это предстояло выяснить ученым. Направления исследований, результаты этой титанической работы, перспективы водолазной науки в целом - отдельная большая тема.

На сегодняшний день максимальная глубина погружения человека под воду с выполнением глубоководных работ - 520 м, (1988 год, Франция); максимальное давление в барокамере, которое испытал человек, - 701 м (1993 год, фирма «Комекс», Франция), человекообразная обезьяна - 1000 м, млекопитающее (крыса) - 1908 м (2004 г., ГБК ИМБП, Москва).

3. Ныряние методом апноэ. Физиологические основы апноэ. Физиологические сдвиги в организме при нырянии: гипоксия, гиперкапния, уменьшение объёма лёгких

Весь комплекс действия факторов повышенного гидростатического давления человек испытывает при нырянии с задержкой дыхания, т.е. методом апноэ (от греч. а - отрицание, pnoe - дыхание; отсутствие дыхания), сейчас это занятие носит название фридайвинг. Исторически это был первый способ погружения под воду.

То, что известные нам доисторические и пещерные люди погружались на дно озер и морей около берегов, чтобы собирать моллюсков, ракообразных, раковины и морские водоросли, которыми они питались, можно заключить из ископаемых раковин, что обнаруживаются в наши дни в местах их поселений в самых неожиданных точках планеты: Огненная Земля и взморье Балтики, Северное море и Дальний Восток, Полинезия, Азия и Африка, как в Средиземном, так и в Красном морях. С уверенностью можно говорить о существовании ныряльщиков-апноистов 4500 лет назад: в Месопотамии найдены украшения с жемчугом, единственным способом добывания которого было погружение. Индейцы племени Лукаян, ловцы жемчуга, в прошлом славились прекрасными ныряльщиками. Из литературных источников известно, что они опускались на глубины до 30 м и умели задерживать дыхание на 12-15 минут. Ловцы жемчуга с островов Тихого океана ныряют на 42-45 м. Знаменитые японские «ама» трудятся уже свыше 2000 лет на глубинах от 15 до 30 м, обеспечивая потребности в жемчуге, добываемом с искусственно разведенных раковин, при этом задерживая дыхание под водой до 4 минут. Эти удивительные женщины, пока ныряют, не выходят замуж и могут за это время скопить немного денег для будущей жизни. Однако самыми глубоководными ныряльщиками в мире, по-видимому, являются греческие охотники за губками. Они достигают глубины 56 метров. Греки первыми из европейцев продемонстрировали реальное знание подводной жизни: в описаниях Геродота существуют свидетельства подвига ныряльщика Скиллия Скионского и его дочери, перерезавших швартовы флота Ксеркса. Фукидид описал осаду Сиракуз в 415 г. до н.э., когда подводным бойцам афинян удалось перепилить столбы противодесантных заграждений сиракузцев. Гераклит дал античному человеку-лягушке имя "Skaphe аndros", что буквально означает "человек-лодка" и указывает на этимологию слова "скафандр". Александр Македонский в IV в до н.э. создал отряды воинов-водолазов. Финикийцы и карфагеняне всегда имели на борту своих кораблей ныряльщиков-апноистов. Греки и в дальнейшем неоднократно подтверждали славу великолепных ныряльщиков. Так, в 1911 году грек Георгиос Хаджи Статти нырнул на 70 м для того, чтобы найти и при вязать канат к якорю судна "Regina Maгgherita". Современные рекорды ведут свой отсчет с 1949 г., когда молодой офицер-летчик итальянской армии Раймондо Буше выиграл спор, нырнув на 30 м.

В настоящее время огромное количество людей посвящает свое свободное время нырянию апноэ, называемому фридайвингом, заниматься которым начинают уже с юного возраста.

Проводятся даже соревнования по этому виду спорта, на которых ставятся рекорды, заставляющие задуматься о том, на что способен организм человека.

Современная программа соревнований по фридайвингу предусматривает следующие виды:

1. ныряние в глубину с постоянным грузом Соnstапt Weight (спуск и подъем на ластах),

2. ныряние в глубину с переменным весом VariabIe Weight (спуск с грузом по направляющей не более 30 кг, подъем на ластах);

3. ныряние в глубину без ограничений No Limits (спуск на следе - аппарате для погружения - по направляющей с грузом без ограничения веса, подъем с использованием воздушного шара);

4. задержка дыхания в статике (неподвижно);

5. задержка дыхания в динамике при нырянии в длину.

	Пол	Рекорд	Исполнитель
Постоянный вес	женщины	-86 метров	Наталья Молчанова Россия)
	мужчины	-111 метров	Herbert Nitsch (Австрия)
Постоянный вес без ласт	женщины	-55 метров	Наталья Молчанова (Россия)
	мужчины	-80 метров	Martin Stipanek (Чехия)
Переменный вес	женщины	-122 метра	Tanya Streeterm(США)
	мужчины	-140 метров	Carlos Coste (Венесуэла)
Без ограничений	женщины	-160 метров	Tanya Streeterm(США)
	мужчины	-183 метра	Herbert Nitsch (Австрия)
Апноэ в статике	женщины	7 мин 30 с.	Наталья Молчанова (Россия)
	мужчины	9 мин 4 с.	Herbert Nitsch (Австрия)
Апноэ в динамике	женщины	200 метров	Наталья Молчанова (Россия)
	мужчины	223 метра	Тоm Sietas (Германия
Апноэ в динамике без ласт	женщины	131 метров	Наталья Молчанова (Россия)
	мужчины	183 метра	Тоm Sietas (Германия
Свободное погружение	женщины	-80 метров	Наталья Молчанова (Россия)
	мужчины	-106 метров	Martin Stipanek (Чехия)

Однако фридайвинг представляет собой очень рискованный и травмоопасный вид спорта, поскольку в процессе ныряния происходит целый каскад физиологических и метаболических изменений под влиянием факторов изменяющейся окружающей среды. Рассмотрим подробнее эти изменения.

При нырянии с задержкой дыхания на фоне эмоционального напряжения и большой физической работы развивается целый комплекс реакций, которые могут привести к патологическим нарушениям функций организма. Один из главных аспектов такого рода - быстрое снижение напряжения кислорода и рост напряжения углекислого газа в крови. Охлаждающее действие воды еще больше усиливает интенсивность потребления кислорода (более 2,5 л/мин) и в организме быстро развивается кислородная недостаточность - гипоксия. Кроме того, при нырянии резко увеличивается давление на организм, которое сжимает грудную клетку и уменьшает объем легких. Задержка дыхания на вдохе повышает внутрилёгочное давление до 50-100, что ухудшает внутрилегочное кровообращение и затрудняет приток крови к сердцу.

Изменение газового состава крови. Изменение газового состава крови играет важную роль для организма при нырянии. Дело в том, что состав альвеолярного воздуха всегда постоянен, и даже незначительное изменение в его компонентах приводит к резким сдвигам, которые могут вызвать патологические состояния, например потерю сознания при всплытии из-за кислородного голодания головного мозга после свободного ныряния.

Состав альвеолярного воздуха

Наименование газов	Содержание, %	Парциальное давление, мм
Кислород	13,0 - 14,4	100-110
Углекислый газ	4,9 - 5,9	37 - 45
Азот	73,5 - 76,0	558 - 576
Водяные пары	6,2	47

В первые секунды задержки дыхания после максимального вдоха в легких находится около 1000 мл О₂.

В крови - не превышает 1000 мл, В тканевых пространствах - 250-300 мл. В скелетных мышцах содержится 200-300 мл 02 в связанном состоянии (в соединении с миоглобином). Таким образом, запас кислорода, представляющий собой сумму резервов легких, крови, мышц, тканевой жидкости, несколько превышает 2500 мл. Такой запас кислорода в организме человека обеспечивает его автономную жизнедеятельность приблизительно в течение 6 минут при "стандартном" метаболизме (энерготраты в состоянии покоя), или основном обмене. Во время физической нагрузки средней интенсивности резервы его способны поддерживать достаточную оксигенацию артериальной крови только 60-70 с.

Большинство органов и тканей адекватно функционируют, пока насыщение крови кислородом (НвО₂) не снизится до 50%, парциальное (частичное) напряжение кислорода в артериальной крови (ра О₂) при этом составляет 27 мм рт. ст. Ниже указанного уровня чувствительность тканей к гипоксемии (снижение кислорода в артериальной крови) значительно варьирует. Нижний критический уровень кислорода, при котором может наблюдаться расстройство умственной деятельности и потеря сознания, составляет 55% насыщения артериальной крови кислородом, парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе (рАО₂) составляет при этом 33 мм рт. ст. В первую очередь от гипоксии страдает центральная нервная система (ЦНС), раньше и сильнее всего нарушается нормальная деятельность клеток коры головного мозга. При высокой метаболической потребности практически 90 % энергии клетки обеспечивается за счет аэробных процессов и только 10 % - за счет анаэробного гликолиза. Кислородное голодание проявляется вначале «оглушением», спутанностью сознания, замедлением движений и, наконец, обмороком. Однако при нырянии, в связи с усилением потребления кислорода и отсутствием внешнего дыхания, потеря сознания происходит внезапно, как бы среди полного благополучия.

Хотя запасов кислорода в организме может хватить сравнительно надолго, но при этом в нормальных условиях задержка дыхания на уровне обычного вдоха составляет в среднем 40-42с (от 30 до 90 с). Это связано с возбуждением дыхательного центра, происходящем в первую очередь из-за определенного повышения в альвеолярном воздухе и в притекающей к дыхательному центру крови парциального давления углекислого газа при соответствующем понижении парциального давления кислорода.

4. Возможности увеличения времени задержки дыхания при нырянии. Гипервентиляция, правила ее выполнения

В период апноэ в альвеолярном воздухе и в артериальной крови нарастает напряжение углекислого газа (норма - 37-42 мм рт. ст.) и падает содержание кислорода (норма - 88-110 мм рт. ст.). Вследствие этого происходит раздражение клеток дыхательного центра, расположенного в продолговатом мозге, и человек субъективно испытывает ощущение удушья. В момент, когда задерживать дыхание долее невозможно, рАО₂ падает до 75-60 мм рт. ст., а парциальное давление углекислого газа в альвеолярном воздухе (рАСО₂) повышается до 43-50 мм рт. ст. Именно значения рО₂ и рСО₂ в крови в точке срыва апноэ отражают величину хеморецепторной стимуляции, вызывающей возобновление дыхания. Таким образом, императивный, то есть повелительный стимул неотвратимо выводит дыхание из-под произвольного контроля и предотвращает опасные сдвиги в химизме внутренней среды организма. Действие его обуславливается двумя факторами: повышением рСО₂ (гиперкапнией) и снижением рО₂ (гипоксией). Первый, получивший название гиперкапнический стимул, играет более важную роль в прекращении произвольной задержки дыхания, чем второй - гипоксический стимул, поскольку именно СО₂ служит основным возбудителем дыхательного центра.

Нетренированный человек прекращает произвольное апноэ задолго до развития острого кислородного голодания, подчиняясь императивному желанию возобновить дыхание, обусловленному возбуждением нейронов дыхательного центра ствола мозга нарастающей гиперкапнией. Именно поэтому длительность произвольной задержки дыхания у нетренированного человека невелика. Но специальные длительные тренировки и гипервентиляция (максимально частое и глубокое дыхание с целью удаления углекислого газа и насыщения организма кислородом) могут ее значительно увеличить: до 3, а в редких случаях до 4-5 минут.

Произвольная гипервентиляция. Чтобы увеличить продолжительность произвольной задержки дыхания перед погружением в воду производят гипервентиляцию - повышенную вентиляцию легких, существенно превышающую ту, которая необходима для удовлетворения обмена веществ. Сущность ее состоит не столько в накоплении резервов кислорода в организме, сколько в удалении из него возможно большего количества СО₂.

Интенсивное промывание легких атмосферным воздухом способно повысить содержание кислорода в воздухе альвеол приблизительно с 14-15 % (99,8-106,9 мм рт. ст.) до 16-17 % (114,8-121,2 мм рт. ст.), увеличив таким образом количество этого газа в легких на 100-200 мл. При этом дополнительного насыщения крови кислородом не происходит, так как гемоглобин крови при обычном дыхании почти полностью насыщен кислородом. Самое большое, что может быть дополнительно воспринято кровью, это 50-100 мл. В общем при гипервентиляции количество кислорода в организме возрастает на 300-350 мл, что обеспечит возможность увеличения апноэ в среднем еще на 60 с, а при физической нагрузке, в зависимости от ее интенсивности, только на 15-25 с.

Во время гипервентиляции альвеолярный воздух, содержащий приблизительно 5,0-5,6 % СО₂ (35,7 - 39,3 мм рт. ст.), значительно разбавляется атмосферным воздухом. Напряжение СО₂ в альвеолярном воздухе резко падает, и углекислота крови усиленно выделяется в легкие в результате того, что поступление СО₂ из тканей в крови не увеличено, а выделение ее усилено, содержание углекислоты в крови снижается. Благодаря этому при последующей задержке дыхания гиперкапнический стимул возбуждает дыхательный центр значительно позже, чем в тех случаях, когда усиленная вентиляция легких не производится, и продолжительность апноэ увеличивается.

...