Изменение парциального давления газов и заболевания водолазов связанного с ним

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Изменение парциального давления газов и заболевания водолазов связанного с ним

СОДЕРЖАНИЕ

Азотный наркоз

Азотный наркоз

Под азотным наркозом (наркотическим действием азота) понимается патологическая реакция организма, связанная с действием повышенного парциального давления азота во вдыхаемом воздухе или ДГС и характеризующееся изменениями высшей нервной деятельности.

Выраженное наркотическое действие азота в водолазной практике встречается при использовании для дыхания сжатого воздуха на глубинах более 60 м.

Историческая справка.

Долгое время в науке господствовало представление о том, что азот является физиологически индифферентным газом, хотя практика водолазного дела и кессонных работ накопила случаи необычного поведения людей и животных в условиях повышенного давления воздуха.

Первое сообщение о действии сжатого воздуха на организм человека было сделано в 1820 г. швейцарским врачом Колладоном, который отмечал у водолазов возбуждение, напоминающее опьянение. Французский врач Т. Жюно (1835) сообщил, что при дыхании сжатым воздухом «функции мозга активизировались, фантазия оживлялась, мысли имели необычное очарование, у некоторых возникали симптомы интоксикации». В 1861 г. Дж.Б. Грин описал состояние сонливости у водолаза с наличием галлюцинаций и ухудшением умственной деятельности, что потребовало немедленного возвращения на поверхность.

Поль Бер (1878) на основании результатов исследований на животных и растениях в условиях сжатого воздуха пришел к заключению, что основным вредным компонентом сжатого воздуха является кислород, к действию которого наиболее чувствительна нервная система. Он высказал гипотезу о полной физиологической индифферентности азота, которая просуществовала несколько десятков лет. Под впечатлением исследований П. Бера подобные расстройства истолковывались различными исследователями (Качановский П.С, 1881; Храбростин М.Н., 1903; Хилл Л., Гринвуд М., 1906, и др.) либо как следствие токсического действия кислорода, либо как результат неустойчивости психической сферы водолазов.

В первой четверти двадцатого века (через четыре десятка лет после появления книги П. Бера «Барометрическое давление» и два десятка лет после открытия инертных газов) ни у кого из ученых не возникало подозрений, что какие-то еще составные части воздуха, кроме кислорода и углекислого газа могут проявлять физиологическое действие. Теоретическое представление о том, что все остальные компоненты воздуха - азот, водород и инертные газы - являются биологически индифферентными, оправдывалось: они не вступали в организме ни в какие химические реакции.

Между тем, в биологии накапливались факты и формулировались обобщения, которые находились в вопиющем, но долгое время незамеченном противоречии с только что указанными представлениями.

Эти факты были получены при попытке сформулировать единую теорию наркотического действия различных веществ.

Выяснилось, что наркотическими свойствами обладает большое количество разнообразных, в структуре которых не удается найти общих черт, которые позволили бы дать объяснение явной однотипности их действия. К 90-м годам XIX века начали появляться работы, указывающие на тот факт, что существует закономерная связь между физико-химическими свойствами наркотиков и силой их действия. Первой ласточкой физико-химической «весны» в учении о наркозе стало так называемое правило Рише: оказалось, что наркотики действуют тем сильнее, чем меньше они растворимы в воде. Затем в 1899-1901 годах появились первые сообщения Ханса Хорста Мейера и Чарльза Е. Овертона, в которых ими независимо друг от друга была исчерпывающе сформулирована «липоидная теория наркоза». Краеугольным камнем новой теории было утверждение, что всякое химически индифферентное (или, во всяком случае, лишь медленно изменяющееся в организме) вещество, растворимое в липоидах, должно быть наркотиком и притом тем более сильным, чем больше его коэффициент распределения между липоидами и водой.

С этого времени химическая индифферентность азота и инертных газов в организме перестала быть надежным обоснованием их физиологической индифферентности. Однако открытие осталось незамеченным. Противоречие между липоидной теорией наркоза и верой в существование абсолютно индифферентных физиологически газов усилили эксперименты Вернона (1907), доказавшего высокую липоидную растворимость азота, заставляющую ставить его по наркотической силе рядом с этиловым эфиром (воздух при этом не оказывал наркотического действия), но и эти эксперименты не получили осмысления широким кругом ученых. И только 16 лет спустя сын Х.Х. Мейера Курт Мейер вместе с Генрихом Гопфом (1923) сделали смелый, но необходимый логический вывод, предположив, что азот - тоже наркотик, и доказали это экспериментально на животных.

Дальнейшая судьба открытия Курта Мейера повторила открытие Марко Поло. Его опытам многие не поверили, как не поверили венецианцы рассказам о Китае вернувшегося после двадцатипятилетнего отсутствия великого путешественника. Научный мир упорно не хотел видеть открытия «азотного наркоза». Спустя 15 лет вышла первая немецкая «Общая фармакология» (1938) Аксмахера, автор которой, воспроизводя таблицу опытов Мeйера и его сотрудников, устанавливающую связь силы наркотического действия различных газов и паров с коэффициентами их растворимости в оливковом масле, без всяких оговорок исключил из нее данные об азоте, считая, очевидно, невозможным помещать подобные материалы в серьезной фармакологической книге.

Не оценили важности опытов Мейера и те, кого эти исследования больше всего касались - физиологи и врачи, занимающиеся проблемами действия на организм сжатого воздуха. Это относится даже к такому выдающемуся ученому, каким был Холдейн. Во втором издании 1935 года его замечательной книги «Дыхание», в главе, посвященной влиянию на организм высокого атмосферного давления, нет ни слова о возможности влияния азота на организм при высоком давлении, работа Мейера и Гопфа не цитируется и не при водится в приложенном к книге литературном указателе.

Между тем, постепенно накапливались факты, которые должны были рано или поздно заставить вспомнить об исследованиях Мейера. В 1932 г. Гилли сообщил, что у некоторых водолазов, работавших при давлении в 9 - 10 абсолютных атмосфер, наблюдались преходящие изменения высшей нервной деятельности, начиная с затруднённого усвоения фактов и принятия быстрых решений, вплоть до потери сознания.

Поскольку на водолаза, работающего на сжатом воздухе и большой глубине, действуют многие необычные факторы среды, явление требовало тщательного анализа. В 1935 году Бенке, Томсон и Мотли вопрос о причинах описанных явлений подвергли экспериментальному исследованию.

Для этого 9 человек (сотрудников лаборатории) помещали в большую, хорошо освещенную барокамеру с кондиционированием воздуха. Время воздействия, включая и период декомпрессии, составляло от 1,5 до 5 часов. Воздух сжимался до 4, а в одном опыте - до 10 абсолютных атмосфер. Сотрудники-испытатели вели обычную для них вивисекционную лабораторную работу. Оказалось, что, уже начиная с 3 атмосфер, наблюдались некоторые изменения психики. При 4 атмосферах отмечалась определенная эйфория, смешливость и болтливость, замедление реакции на зрительные, слуховые, обонятельные и тактильные раздражения, ослабление ассоциаций, частые ошибки в вычислениях, нарушение координации тонких движений; изменения эти появлялись с самого начала экспозиции и не нарастали при изопрессии. После декомпрессии обычно ощущалась усталость и сонливость. При 10 атм. оцепенение было выражено гораздо сильнее; самая простая задача, пальпация пульса у другого лица, выполнялась с чрезвычайным трудом. По характеру нарастания явлений от 3 до 10 атмосфер авторы заключили, что предельное давление воздуха, совместимое с человеческой деятельностью, лежит в пределах от 10 до 14 атмосфер.

На основании результатов этих работ, а также своих предыдущих исследований по действию высоких концентраций кислорода, авторы отвергли предположение, что объяснить наблюдавшиеся явления может повышенное парциальное давление последнего и пришли к мысли, что единственным объяснением всего описанного может быть только наркотическое действие азота (плюс аргон и другие инертные газы). Практическим выводом отсюда было предложение заменять воздух искусственной газовой смесью, в которой парциальное давление кислорода было как в воздухе, а для увеличения глубины вместо азота в таких смесях использовать газ с низким коэффициентом растворимости.

В дальнейших исследованиях Бенке и Ярбро в 1938 г. наркотическое действие азота на людей подтвердилось. В 1940 году Лазарев, Цибина и Дурасов впервые зарегистрировали азотный наркоз у мыши при парциальном давлении азота в 35 атмосфер.

Несколькими месяцами позже вышло краткое сообщение Бресткина, Кравчинского, Павловского и Шистовского с подтверждением данных Бенке и соавторов о токсическом действии сжатого воздуха на глубинах свыше 100 м, выражающемся при 5-7 минутах пребывания на глубине вначале в состоянии возбуждения, а затем отупения, потере контроля над своими движениями, и даже в галлюцинациях. В этом же сообщении указано, что авторы получили азотный наркоз кошки при давлении от 10 до 30 атм. азота, при давлении свыше 30-40 атм. наступает состояние глубокого наркоза, сопровождающееся периодами двигательного возбуждения, подергиваний конечностей и даже судорог.

Затем было показано, что наркоз могут вызывать не только азот, но и другие индифферентные газы.

«Биологическое действие индифферентных газов» Лазарева.

В 1941 году профессор кафедры фармакологии ВММедА Николай Васильевич Лазарев впервые выдвинул теорию биологического действия химически индифферентных газов в книге "Биологическое действие инертных газов", руководствуясь вышеупомянутой липоидной теорией наркоза, согласно которой всякое химически индифферентное вещество, растворимое в липидах клеточной мембраны, является наркотиком, не позволяющим нервным клеткам генерировать импульсную активность при раздражении, или общим анестетиком, угнетающим синаптическую передачу. Чем выше коэффициент распределения этого вещества между липидами и водой (жиро-водный коэффициент Мейера-Овертона), тем сильнее его наркотические свойства. В работах Н.В. Лазарева было экспериментально подтверждено наличие биологического действия инертных газов, заключающееся в наркотическом эффекте.

Причем по силе наркотического эффекта газы выстроились в соответствии с убыванием коэффициента Мейера-Овертона в ряду: криптон, аргон, азот, неон, водород, гелий.

Зависимость наркотической активности газов от их коэффициента растворимости

Следует отметить, что Лазарев считал, что наркотическое действие гелия будет проявляться на глубинах 400-500 м и послужит серьезным препятствием для проведения подводных работ. Однако предположения великого ученого о том, что адаптации человека к условиям высокого давления будет служить барьером лишь наркотическое действие инертных газов, оказалось ошибочным. Впоследствии в многочисленных экспериментах так и не удалось получить наркотические эффекты неона и гелия. А те проявления, которые ученые наблюдали у человека и животных, начиная с глубины 300 метров водного столба при дыхании кислородно-гелиевой смесью, имели иную природу и получили название «нервный синдром высоких давлений» (НСВД).

Итак, если при компрессии гелием у мышей в экспериментах Лазарева не возникало наркоза даже при давлении в 100 кгс/см², а наоборот, регистрировался НСВД (развивающуюся симптоматику которого Лазарев принял за проявления наркотического эффекта гелия), то при применении аргона наркоз наступал уже при 16-18 кгс/см², а при использовании криптоно-ксеноновой смеси - при 3,5 кгс/см². Эти данные привели профессора Лазарева к выводу, что ксенон должен вызывать наркоз при обычном атмосферном давлении, что было блестяще подтверждено в 1946-1948 гг. как в экспериментах самого Николая Васильевича, так и в экспериментах американских ученых Дж. Лоуренса и В.Ф. Лумиса. И ксенон привлек к себе внимание ученых всего мира как перспективное средство для общей анестезии.

Описано, что вдыхание кислородно-ксеноновой смеси (70%Xe/30%O₂) последовательно вызывает прохождение стадий общей анестезии: через 2 мин - периферической парестезии и гипоальгезии, на 3 мин - стадия психомоторной активности, на 4 мин - стадия частичной амнезии и анальгезии, на 5 мин - стадия анестезии, соответствующая первому уровню хирургической стадии анестезии эфиром.

Через 2-3 мин после отключения газа возвращается сознание с полной ориентацией в пространстве и времени. Поскольку ксенон не вступает в химические преобразования в организме, то он не токсичен.

Сопоставление свойств гипотетического идеального анестетика со свойствами ксенона

Интерес к этому анестетику и дальше возрастает, особенно в экономически развитых странах. Аппараты для проведения ксенонового наркоза находят всё большее применение, в том числе в России. Ксенон представляет собой будущее современной анестезии. Этот анестетик не имеет противопоказаний, обладает более мощными анестезиологическими свойствами, чем имеющиеся средства, рекомендован пациентам с высокой степенью операционного риска, характеризуется быстрым выходом из наркоза. И на сегодняшний день его применение ограничивается лишь ценой.

Однако, вернёмся к азоту. При освоении глубин более 60 м появились сообщения отдельных специалистов водолазного дела и врачей, обеспечивающих спуски (Даман Дж.С, 1930; Хилл Л., Филлипс Э., 1932, и др.), об изменении самочувствия и поведения у водолазов: ухудшении работоспособности, ослаблении самоконтроля, нарушении памяти и логического мышления, потере сознания и др. Л.Хилл и Э.Филлипс впервые сделали заключение о том, что причиной наркотического эффекта является азот. При проведении спасательных работ на затонувшей на глубине 72 м американской подводной лодке «Сквалус» в 1935 г. некоторые водолазы не смогли выполнить самые простые задания. Кроме того, один водолаз потерял контроль за объемом воздуха в снаряжении и всплыл на поверхность, а другой водолаз потерял сознание. А.Р. Бенке, Р.М. Томсон и Е.П. Мотли (1935) установили, что у испытуемых в барокамере под давлением воздуха 4 кгс/см² возникала эйфория, наблюдались замедление реакции на зрительные, слуховые, обонятельные и тактильные раздражения, а также нарушение координации движений. В 1939 г. М.П. Бресткин, Б.Д. Кравчинский, К.А. Павловский и С.П. Шистовский обнаружили выраженное токсическое действие сжатого воздуха при водолазных спусках на глубину 100 м и более. У водолазов возникало возбуждение, подобное опьянению при приеме алкоголя, а затем появлялись помутнение сознания и зрительные галлюцинации. Дальнейшие наблюдения наркотического действия азота на животных провели Л.А. Орбели, М.П. Бресткин, Б.Д. Кравчинский, К.А. Павловский и С.П. Шистовский. Они установили, что азот при повышенном давлении угнетает высшие отделы ЦНС и вызывает возбуждение нижележащих отделов мозга (промежуточного, среднего, продолговатого и спинного). Слюноотделение, расширение зрачков и взъерошенность шерсти животных расценивались ими как результат возбуждения вегетативной нервной системы. Впервые полный азотный наркоз холоднокровных животных (огненных саламандр, тритонов и лягушек) был получен в 1923 г. К. Мейером и Г. Гопфом, а теплокровного животного (белой мыши) - в 1939 г. Н.В. Лазаревым. Физиологическое действие азота на организм человека и животных оценивалось также в исследованиях А. Бенке и соавт. (1935, 1939), Дж. Бина (1947, 1950), Г.Л. Зальцмана (1961, 1968), П. Беннетта (1975), В.В. Смолина, К.М. Рапопорта, Г.А. Кучук (1968), А.Ю. Следкова (1995, 1999) и др.

Теория физиологического действия неэлектролитов, к которым относятся азот, водород и инертные газы, была разработана К.Мейером (1937) и Н.В. Лазаревым (1937, 1938, 1940, 1941). Эта теория основывается на закономерности, выявленной Г.Мейером (1899) и Е. Овертоном (1901), что всякое вещество, инертное в химическом отношении, но растворимое в жирах и липоидах, является наркотиком. Азот в жирах и липоидах растворяется хорошо (в 5,24 раза лучше, чем в воде). Расчеты, выполненные Н.В. Лазаревым (1943), показали, что азот является сильным наркотиком, по силе наркотического действия превосходящим этиловый спирт и стоящим близко к этиловому эфиру. Было установлено (Лазарев Н.В., 1941; Сапов И.А., Карев И.С, 1971; Беннетт П.Б., 1975), что, чем больше относительная молекулярная масса индифферентного газа и чем больше он адсорбируется на мембранах, тем более выраженным является его наркотический эффект.

Этиопатогенез.

Азот, как известно, относится к числу метаболически индифферентных газов, так как он не вступает в организме в химические реакции. При нормальном атмосферном давлении он является нейтральным газом для организма. При повышенном парциальном давлении азот вызывает ряд биологических ответных реакций организма, которые могут быть компенсаторными (приспособительными) и патологическими, а по своему характеру сходными с действием на организм алкоголя. На основании сходства проявления биологического действия азота с влиянием на организм человека наркотиков действие азота квалифицируется как наркотическое. С физиологической точки зрения хирургический наркоз (общая анестезия) -- это искусственно вызванная реакция биологической системы, которая характеризуется общим обратимым угнетением функций, основным субстратом которых является ЦНС. С другой стороны, известно, что индифферентные газы, в том числе азот, при большом напряжении в тканях организма вызывают морфологические изменения, которые рассматриваются как результат его токсического действия. Поэтому нередко действие азота характеризуют не как наркотическое, а как токсическое.

В результате исследований высшей нервной деятельности человека при действии на организм повышенного парциального давления азота было установлено, что азот является наркотиком I типа, вызывающим в первую очередь качественные нарушения высших, самых сложных реакций, а также снижение показателей динамики более примитивных реакций.

Наркотическое действие азота, как и большинства наркотических веществ, проявляется в двух фазах: вначале наступает возбуждение, которое затем сменяется угнетением функций центральной нервной системы. В зависимости от величины парциального давления азота и индивидуальной чувствительности к его воздействию азотный наркоз у человека условно можно разделить на три стадии: начальную, или скрытую, стадию неполного наркоза и стадию общего наркоза. Каждая стадия характеризуется определенным функциональным состоянием центральной нервной системы и соответствующими внешними проявлениями.

Г.Л. Зальцман (1968) свел общие реакции организма к функциональному состоянию центров нервной системы в последовательные стадии развития наркотической реакции, что представлено в таблице

Общие реакции организма и состояние ЦНС в последовательные стадии гипербарического наркоза

Общий характер наступающих в организме сдвигов при наркотическом действии азота проявляется в понижении тонуса коры головного мозга и растормаживании подчиненных функциональных систем. Начальные сдвиги выявляются при исследовании словесных реакций сложной умственной деятельности, сенсорных и двигательных реакций. В стадии частичного наркоза начинается функциональная декомпенсация регуляторных механизмов высших функций. При этом происходит генерализация наркотического торможения на корковые процессы. Основной чертой третьей стадии наркотической реакции азота является общая генерализация наркотического торможения во всех отделах центральной нервной системы с потерей сознания.

Для объяснения наркотического влияния азота на организм человека существует несколько точек зрения. По мнению одних авторов, наркотическое действие азота является следствием нарушения проницаемости мембран нервных клеток за счет адсорбции на их поверхности молекул азота, что в конечном итоге приводит к снижению интенсивности обмена веществ в клетках. Другие считают, что азот под большим давлением оказывает тормозящее действие на передачу импульсов по всем синапсам нервной системы. Специальными электроэнцефалографическими исследованиями было показано, что наркотики I типа, к которым относится и азот, подавляют в первую очередь активность ретикулярной формации без нарушения классических афферентных путей, вследствие чего ослабляется функция коры головного мозга. Наркотическое действие азота может усиливаться при воздействии на организм высокой или низкой температуры воды, приводящей соответственно к перегреванию или переохлаждению организма, при выполнении тяжелой физической работы под водой, а также при наличии во вдыхаемом воздухе примеси углекислого газа, окиси углерода или окислов азота более допустимых величин.

Клиника.

Первые клинические проявления азотного наркоза обнаруживаются при давлении воздуха около 4 кгс/см² (на глубине спуска 40 м) и выражаются в появлении у человека состояния, сходного с легким алкогольным опьянением (приподнятое настроение, беспричинная веселость, излишняя болтливость, неуверенность в движениях и т.д.). При психологических исследованиях уже при 2 кгс/см² несколько уменьшается скрытый период реакции на световой и звуковой сигналы, а при 4 кгс/см² незначительно уменьшается время простой сенсомоторной реакции. До 2 кгс/см² электроэнцефалограмма не изменяется, а до 4 кгс/см² изменяется незначительно. На электромиограмме при 4 кгс/см² отмечается увеличение амплитуды мышечных потенциалов и длительности реакций.

При окружающем давлении воздуха 6 кгс/см² эти явления становятся более отчетливыми, но большинство водолазов еще продолжают сохранять общее хорошее самочувствие и почти нормальную работоспособность.

При давлениях воздуха порядка 8 кгс/см² чувство опьянения становится весьма сильным: появляется отчетливое нарушение координации движений (движения становятся неточными, неуверенными). Нарушается общая ориентировка, снижаются сообразительность и сознательный контроль за своими действиями. Некоторые водолазы при этом давлении воздуха под водой становятся практически неработоспособными -- неточно выполняют задания, а иногда и вовсе не осознают, что делают. В ряде случаев водолаз перестает правильно выполнять действия по использованию водолазного снаряжения, в результате чего с ним может произойти авария (запутывание, выбрасывание на поверхность и т.п.).

При давлении воздуха 10 кгс/см² наркотическое действие азота становится настолько сильным, что большинство водолазов не в состоянии выполнять целенаправленную работу под водой. Как правило, у нетренированных к воздействию повышенного давления азота людей на глубине 100 м развивается глубокое расстройство координации движений, полностью нарушается ориентировка по месту и времени, утрачивается сообразительность, появляются зрительные и слуховые галлюцинации.

При давлении воздуха более 10 кгс/см² азотный наркоз проявляется в потере сознания и глубоком сне.

По мере повышения давления воздуха от 6 до 10 кгс/см² отмечается прогрессивное ухудшение показателей кратковременной, оперативной и долговременной памяти, умственной работоспособности и координации движений. На ЭЭГ при увеличении давления от 4 до 8 кгс/см² отмечается снижение индекса и амплитуды альфа-волн с постепенным замещением их бета-колебаниями, а при давлении 10 кгс/см² наступают депрессия основного ритма ЭЭГ и замещение его низкоамплитудными медленными колебаниями.

При декомпрессии явления наркотического действия азота быстро уменьшаются и полностью проходят без остаточных явлений при отсутствии каких-либо лечебных мероприятий.

Оказание помощи.

Наркотическое действие азота, как правило, не требует специального лечения, так как при спусках на глубины до 60--80 м оно не представляет опасности для здоровья человека ни в период его проявления, ни в более отдаленные сроки. Опасность для водолаза представляют аварийные действия, которые он может совершать, находясь в наркотическом состоянии. Поэтому при появлении у водолаза признаков наркотического действия азота (неадекватное поведение, беспричинный смех, нарушение правил использования снаряжения, необоснованный отказ от выполнения указаний руководителя спуска и др.) необходимо прекратить дальнейшее пребывание водолаза на грунте и начать подъем его на поверхность с соблюдением режима декомпрессии.

Профилактика.

Предупреждение азотного наркоза в водолазной практике достигается путем ограничения максимальной глубины спуска, которая для большинства водолазов при использовании для дыхания сжатого воздуха составляет 60 м, а для наиболее опытных водолазов при необходимости проведения спусков в аварийной ситуации -- 80 м.

При допуске к спускам водолазный врач должен также учитывать индивидуальную чувствительность каждого водолаза к наркотическому действию азота.

Водолазы, имеющие повышенную чувствительность, могут допускаться к спускам под воду при дыхании сжатым воздухом на глубины не более 45 м. Поскольку у водолазов при проведении систематических спусков под воду с использованием для дыхания сжатого воздуха наступает адаптация к наркотическому действию азота, водолазы в межспусковой период должны проходить тренировочные спуски в барокамере под давлением до 80 м вод.ст. Водолазные врачи (фельдшера), а также водолазные специалисты и водолазы, допущенные к медицинскому обеспечению водолазных спусков, должны проходить тренировки под давлением 100 м вод.ст. 1-2 раза в месяц для поддержания готовности к оказанию заболевшему водолазу медицинской помощи в условиях повышенного давления.

При работе водолазов под водой в вентилируемом снаряжении особое внимание должно обращаться на расход воздуха для вентиляции скафандра (не менее 80--120 л/мин сжатого газа), поскольку при недостаточной вентиляции в скафандре может накапливаться высокая концентрация углекислого газа, которая усиливает наркотическое действие азота.

Отравление кислородом

лечение водолаз кислород азот

Отравление кислородом представляет собой патологическое состояние организма, развивающееся в результате воздействия на него повышенного парциального давления кислорода и проявляющееся в нарушении функций центральной нервной системы, эндокринной, дыхательной и сердечно-сосудистой систем.

Отравление кислородом может проявляться в судорожной, легочной или сосудистой форме.

Историческая справка.

Первые сообщения о некоторых сторонах отрицательного действия повышенного парциального давления кислорода на организм были сделаны еще во времена А. Лавуазье. К. Дюма (1793) и А. Фуркруа (1797) ежедневно в течение 12 ч держали собак в атмосфере чистого кислорода, что приводило к возникновению у них пневмонии. В 1873 г. И.Р. Тарханов установил различие в действии высоких парциальных давлений кислорода на целостный организм и на изолированные его ткани, что способствовало формированию представлений о механизме отравления кислородом. Через 100 лет после первых сообщений о токсическом действии кислорода на легкие Лоррэн Смит (1897--1898) подробно исследовал воздействие относительно небольших (досудорожных) величин парциального давления кислорода на легочную ткань. Он проводил опыты на мышах и наблюдал кровоизлияния, гиперемию и отек легких после пребывания животных в сжатом кислороде в течение нескольких часов и установил, что срок появления изменений в легких и гибель животных зависят от величины парциального давления кислорода. Эта форма отравления кислородом получила название «эффекта Л. Смита».

Наиболее обстоятельно и всесторонне токсическое действие кислорода на живые организмы было изучено Полем Бером (1873, 1878). В результате многочисленных опытов П. Беру удалось показать, что клинические проявления и продолжительность жизни животных при кислородной интоксикации зависят от величины парциального давления кислорода и времени его действия на организм. Он доказал, что при повышенном давлении кислород является ядом хроноконцентрационного действия. Так, например, им экспериментально было показано, что теплокровные животные в среде чистого кислорода при давлении 1--3 абс. кгс/см² погибают через несколько десятков часов. При давлении кислорода свыше 3 абс. кгс/см² у собак, кроликов и воробьев через короткое время (измеряемое единицами и десятками минут) развиваются судороги, которые в зависимости от величины давления и длительности воздействия могут закончиться гибелью животных. Открытую П.Бером судорожную форму отравления кислородом называют «эффектом П.Бера».

В дальнейшем проводилось подробное изучение действия на организм животных и человека повышенного парциального давления кислорода как в нашей стране, так и за рубежом. В нашей стране эти исследования были сосредоточены в Военно-морской медицинской академии и Военно-медицинской академии.

В результате проведенных экспериментальных исследований было установлено, что токсическое действие повышенного парциального давления кислорода проявляется как на уровне всего организма в целом, так и на системном, клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях. В целом организме повышенное парциальное давление кислорода вызывает развитие общего адаптационного синдрома, на что указывает активация симпатоадреналовой системы. Системные физиологические реакции организма на повышение парциального давления кислорода развиваются главным образом со стороны нервной системы, системы дыхания и сердечно-сосудистой системы.

Этиопатогенез.

В водолазной практике отравление кислородом может наступить при продолжительных спусках под воду в любом водолазном снаряжении или в барокамере при дыхании сжатым воздухом, искусственной ДГС или кислородом, когда парциальное давление кислорода будет превышать 0,5 кгс/см². Однако наиболее часто отравление кислородом в водолазной практике встречается при использовании для спусков под воду кислородного снаряжения.

Дыхание чистым кислородом или газовыми смесями с повышенным парциальным давлением кислорода (в частности, 40 % КАС) приводит к увеличению его напряжения в артериальной крови за счет полного насыщения гемоглобина кислородом и избыточного растворения в плазме. При дыхании кислородом на каждую атмосферу избыточного давления происходит увеличение физически растворенного кислорода на 2,14 см³ в 100 мл крови. Увеличение напряжения кислорода в тканях и в клетках организма при одновременном уменьшении концентрации восстановленного гемоглобина приводит в конечном счете к повышению концентрации водородных ионов и к развитию ацидоза.

Патоморфологические реакции на токсическое действие кислорода могут проявиться в трех формах: судорожной, легочной и сосудистой.

В каждой форме отравления кислородом можно выделить 3 стадии:

* дотоксическую стадию, при которой проявляются преимущественно компенсаторные реакции, направленные на уменьшение чрезмерного поступления кислорода через легкие в кровь и с кровью к тканям;

· предтоксическую стадию, когда наряду с частичной компенсацией отчетливо проявляются декомпенсаторные реакции;

токсическую стадию, при которой наступают полный срыв компенсаторных реакций, функциональные и морфологические нарушения отдельных структур организма, что может привести к гибели.

При дотоксических величинах парциального давления кислорода организм реагирует на гипероксию сдвигами функций различных органов и систем, что рассматривается как физиологическое действие кислорода. Наибольшие функциональные изменения наступают в центральной нервной системе, газообмене, системе крови, кровообращении и дыхании. Эти изменения являются приспособительными реакциями, направленными на ограничение поступления кислорода в организм. Влияние гипероксии на нервную систему носит двухфазный характер. В первой фазе ощущается улучшение самочувствия и памяти, улучшаются психофизиологические возможности скорости восприятия и переработки информации, отсутствуют нарушения сложных форм умственной деятельности и тонкой координации движений.

Предтоксическая стадия может наступить после часовой экспозиции в газовой среде с повышенным парциальным давлением кислорода. Она начинается с наступления фазы торможения корковых функций, при которой отмечаются ухудшение тонкой координации движений и внимания, увеличение количества профессиональных ошибок. Указанные изменения функций центральной нервной системы являются следствием неспецифического активирования подкорковых образований головного мозга и рассматриваются как показатели усиления процессов внутреннего торможения с повышением тонуса коры больших полушарий в первой фазе и последующим подавлением ее активации во второй фазе.

Токсическая стадия проявляется клинической картиной судорожной, легочной или сосудистой формы отравления кислородом.

При кратковременных экспозициях в условиях гипероксии снижается газообмен, уменьшаются частота дыхания и объем легочной вентиляции. При длительном дыхании кислородом происходит учащение ритма дыхания, увеличение легочной вентиляции и снижение жизненной емкости легких. В условиях гипероксии отмечаются уменьшение содержания гемоглобина, количества эритроцитов, увеличение количества лейкоцитов. При длительной гипероксии происходит угнетение гемопоэза и свертывающей системы при активации противо-свертывающей системы крови. Со стороны сердечно-сосудистой системы отмечаются урежение частоты пульса, удлинение интервала Р--Q, укорочение времени Q--Т, увеличение волны Т электрокардиограммы. Указанные изменения связаны с повышением тонуса блуждающего нерва. Систолическое давление, как правило, не изменяется или незначительно повышается, а диастолическое обычно повышается.

Под влиянием гипероксии происходит сужение кровеносных сосудов сетчатки глаза, головного мозга, почек и кожных покровов тела. Уменьшение центрального, коронарного и почечного кровотока рассматривается как защитная реакция организма на повышение напряжения кислорода в крови. При длительном пребывании в условиях повышенного парциального давления кислорода урежение пульса сменяется учащением, что свидетельствует о начавшемся отравлении кислородом.

Судорожная форма отравления кислородом наступает в случаях, когда водолаз в снаряжении дышит чистым кислородом на глубине 20 м и более или газовой смесью, в которой парциальное давление кислорода составляет 2,5--3,0 кгс/см² и выше. В условиях барокамеры судорожная форма отравления кислородом может возникать у водолазов в процессе кислородной декомпрессии под давлением 20-10 м вод.ст. Отравление кислородом возможно также при спуске в водолазном снаряжении с полузамкнутой схемой на глубины более 20 м в случае попадания воды в негерметичный регенеративный патрон, заряженный регенеративным веществом, что приводит к бурному выделению кислорода.

Судорожная форма отравления кислородом усиливается при наличии в дыхательной газовой смеси или кислороде углекислого газа, при выполнении тяжелой физической работы, а также при переохлаждении и перегревании. Отчетливое неблагоприятное влияние на характер и течение кислородных судорог оказывает повышенное парциальное давление водорода, азота, гелия и аргона. Степень усиления токсичности кислорода в присутствии индифферентных газов находится в прямой зависимости от плотности (молекулярной массы) последних. При больших величинах парциального давления азота судороги обычно кратковременны и носят тонический характер.

Вопросы патогенеза судорожной формы отравления кислородом изучаются у нас и за рубежом около 100 лет. Однако механизмы возникновения и развития кислородной эпилепсии до сих пор недостаточно выяснены. П.Бер (1878) причиной кислородных судорог считал накопление ядовитых веществ в организме вследствие нарушения обменных процессов. Эти токсины, по его мнению, действуют на нервную систему, в частности на спинной мозг, и вызывают судороги, сходные с судорогами при столбняке, эпилепсии, а также при отравлении стрихнином или карболовой кислотой.

По мнению Р. Гезелла (1923), судороги и другие признаки отравления кислородом обусловлены накоплением углекислоты в тканях организма вследствие того, что в условиях гипероксии весь гемоглобин в артериальной и венозной крови циркулирует в виде оксигемоглобина, который не участвует в транспорте углекислоты от тканей к легким. Тканевое дыхание в этом случае осуществляется только за счет растворенного в плазме кислорода. В настоящее время гипотеза Р. Гезелла признана несостоятельной, так как существенного увеличения углекислоты в крови и тканях животных в условиях гипероксии не происходит.

С.И. Прикладовицкий (1940) экспериментально установил, что переливание крови от животных (кроликов, собак), у которых под давлением кислорода 8 кгс/см² развиваются судороги, животным-реципиентам судорог у них не вызывает. На этом основании он счел неверной гипотезу П. Бера об образовании токсических продуктов в крови и тканях при гипероксии и обосновал положение о непосредственном гуморальном механизме действия кислорода на клетки коры головного мозга. Напряжение кислорода в тканях головного мозга, при котором возникают судороги у животного, С.И. Прикладовицкий называл пороговым. Однако специальными исследованиями было установлено, что судороги у животного могут возникать не только в период наличия высокого парциального давления кислорода, но и через некоторое время после его действия (например, под влиянием яркого света, сильного звука), когда парциальное давление кислорода в клетках мозга значительно ниже порогового.

В последние годы накоплен большой экспериментальный материал, свидетельствующий о нарушении при кислородном отравлении важнейших дыхательных ферментных систем, принимающих участие в аэробной и анаэробной фазах окислительных процессов в организме. При действии повышенных парциальных давлений кислорода на организм снижается активность ангидразы, сукциндегидразной системы, нарушается цитохромная система, меняется активность угольной ангидразы в мозгу и крови, инактивируются ферменты, содержащие сульфгидрильную группу (-SH). Эти изменения вызывают значительные нарушения со стороны углеводного, белкового и жирового обмена.

По данным исследований И.А. Сапова (1952), причиной кислородных судорог является возникновение разлитого торможения в коре головного мозга и выход из-под ее контроля подкорковых образований, сопровождающийся «взрывом» возбуждения подкорковых отделов центральной нервной системы. Многие авторы (Жиронкин А.Г., 1940; Алексеев В.А., 1950; Сапов И.А., 1952; Зилов Г.И., 1953, и др.) главное место в развитии кислородных судорог отводили не непосредственному, а рефлекторному механизму действия кислорода на центры головного мозга через рецепторы сердечно-сосудистой и дыхательной систем.

С целью изучения механизма развития судорожной формы токсического действия кислорода рядом авторов (Зальцман Г.Л., 1961; Зальцман Г.Л. и соавт., 1968, 1979; Савич А.А., 1968; и др.) были проведены специальные биоэлектрические исследования на животных, позволившие сопоставить поведенческие реакции животного и биоэлектрическую активность различных отделов головного мозга в последовательных стадиях развития кислородной эпилепсии. Исследования проводились на белых мышах, кроликах и собаках, находящихся в барокамерах в полуфиксированном состоянии с предварительно вживленными электродами в моторную, сенсорную и затылочную области коры головного мозга, в миндалины, гиппокамп, головку хвостатого ядра, скорлупу, бледный шар, ядра таламуса, вентролатерального и медиального гипоталамуса, ретикулярную формацию, отделы моста и покрышки среднего мозга. Полученные данные позволили авторам установить соотношение общей реакции организма и функционального состояния центров головного мозга в гипербарической кислородной среде в различные стадии кислородной эпилепсии.

Общая реакция организма и состояние ЦНС в последовательные стадии кислородной эпилепсии (по Зальцману ГЛ., 1979)

Патологическая реакция организма, формирующаяся в гипербарической кислородной среде, рассматривается указанными авторами как проявление процесса развития общего центрального патологического возбуждения, вызванного действием на мозг растворенного кислорода. Для него характерны ослабление связей между отделами мозга и их функциональная разобщенность. В итоге формируются очаги гиперсинхронной судорожной активности -- показателя «местной» синхронизации активности возбужденных нейронов, их функционального выключения из целостной деятельности мозга. В дальнейшем наступает генерализация судорожной активности по всем отделам мозга, в силу чего мозг начинает работать в едином регулярном синхронном ритме как недифференцированная «слитная» система, интегрированная на низком уровне организации. О патологии указанного состояния мозга свидетельствует не само наличие на ЭЭГ гиперсинхронной спайковой активности, которая может встречаться и при нормальной деятельности мозга, а всеобщая глобальная синхронизация низкочастотной активности, не свойственная нормальной деятельности мозга. Глобальная синхронизация потенциалов биоэлектрической активности приводит к нарушению избирательной центральной регуляции подчиненных соматических и вегетативных функций, что проявляется в форме генерализованной депрессии. При такой форме реакции нарушается нормальное уравновешивание организма со средой.

Организация глобальной синхронизации потенциалов биоэлектрической активности всех отделов мозга осуществляется структурами мезодиэнцефального уровня, которая наступает вследствие «высвобождения» из-под контроля вышестоящих центров. Изучение функционального состояния различных типов нейронов в разных отделах мозга в последовательные стадии развития кислородной эпилепсии показало, что при токсическом действии кислорода развивается деполяризация нейронов, причем в начальной стадии действия кислорода нейрональные элементы, как и в норме, находятся в состоянии деполяризации, образуя ограниченные участки нейронов с одноименным уровнем возбуждения. В завершающей стадии генерализованных судорог нейрональные элементы мозга находятся только в состоянии деполяризации, охватывая практически весь мозг.

А.И. Селивра (1978) привел новые данные, подтверждающие представления Л.А. Орбели (1961) и А.В. Войно-Ясенецкого (1958) об эволюционной обусловленности эпилептического симптомокомплекса при гипероксии. Им было установлено, что нейрофизиологический механизм нарушения системных приспособительных реакций в условиях гипероксии заключается в появлении эволюционно более ранних форм реагирования, проявляющихся в синдроме судорожной готовности. Основными компонентами этого синдрома являются усиление местной и дистантной синхронизации биопотенциалов мозга, торможение внешнего дыхания, брадикардия и увеличение кровенаполнения мозга.

Установлено, что прекращение судорожного припадка происходит в результате мобилизации активных механизмов торможения, а не энергетического истощения (Иванова Т.И., Рубель Л.Н., 1969;СеливраА.И., 1974).

Относительно механизма действия повышенного давления кислорода на внутриклеточные процессы единого мнения не достигнуто. Наиболее вероятные пути воздействия кислорода, приводящие к деполяризации нейрональных мембран, сводятся к повреждению или нарушению функций мембраны, снижению энергетического обеспечении ионного насоса, повышению продукции медиаторов. Повреждение или нарушение функции нейрональных мембран является следствием непосредственного химического действия кислорода как на их липидные, так и на белковые компоненты. Считается, что кислород вызывает окисление ненасыщенных жирных кислот и образование липидных перекисей и свободных радикалов в условиях гипербарической кислородной среды. Воздействие кислорода на белковые компоненты мембраны связывают с окислением сульфгидрильных групп. Изменения мембран могут привести к видимым изменениям ультраструктуры нейронов, что подтверждается данными о дегенерации нейрональных митохондрий у животных, подвергнутых действию повышенных давлений кислорода. В литературе имеется множество сообщений о том, что связанные с мембраной активные транспортные системы имеют тенденцию к инактивации под влиянием кислорода. Инактивация транспортной системы мембраны клеток головного мозга может привести к внеклеточному накоплению калия и солей глутаминовой кислоты. Оба эти эффекта могут усилить возбудимость нейронов и в конечном счете ускорить развитие судорог, так как калий является деполяризующим агентом, а соль глутаминовой кислоты усиливает проведение возбуждения по нервному волокну. На основании анализа данных современной литературы можно представить схему последовательности метаболических изменений в организме под воздействием гипероксии.

Вначале под влиянием увеличенного напряжения кислорода в клетках происходит усиление образования переокисленных анионов (свободных радикалов), перекиси водорода и, возможно, других активных веществ, таких как атомарный кислород и гидроксильный радикал, формирующих систему тканевых оксидантов. Указанные оксиданты могут повреждать мембраны клеток и внутриклеточные ферменты посредством окисления тканевых белков и липидов. В ответ на повреждающее действие оксидантов в клетках увеличивается концентрация биологических антиокислительных ферментов и повышается их активность. Быстрота, с которой гипероксия вызывает выраженные токсические проявления в любой ткани или органе, определяется взаимодействием между образовавшимися токсическими веществами и способностью антиокислительной защиты. Основным направлением механизма этой защиты является прекращение цепной реакции взаимодействия свободных радикалов с липидными компонентами клетки, которая приводит к прогрессирующему переокислению липидов и повреждению мембран. Указанная цепная реакция нарушается и прекращается под влиянием биологических антиокислителей, таких как витамины А, С и Е, а также восстановленного глутатиона. Витамин Е действует как антиокислитель путем принятия электрона для формирования стабильного радикала ос-токоферола, который, в свою очередь, восстанавливается при взаимодействии с витамином С. Восстановленный глутатион способен принять электроны для формирования стабильных сульфидных связей. Репарация поврежденных тканей может происходить в результате восстановления их окисленных компонентов за счет глутатиона, который превращается в окисленный глутатион. Восстановление окисленного глутатиона происходит под действием пентозного шунта метаболического превращения глюкозы.