Актуальні аспекти гіпербаричної фізіології та медико-біологічних ефектів інертних газів

Размещено на http://allbest.ru

Актуальні аспекти гіпербаричної фізіології та медико-біологічних ефектів інертних газів

¹Українська військово-медична академія, м. Київ, Україна

²Інститут фізіології ім. О. О. Богомольця КАН України м. Київ, Україна

Вступ. Досягнення у галузі гіпербаричної медицини і фізіології складають основу систем життєзабезпечення операторів екстремальних видів діяльності (водолази, льотчики, космонавти, тощо). При цьому, використання для дихання в умовах гіпербарії газових сумішей різної комплектації сприяє вивченню нових проявів біологічної відповіді. В цілому, результати дослідження механізмів адаптації людини до дії гіпербаричного середовища мають фундаментальне і практичне значення, особливо, у напрямах забезпечення проникнення людини у «гідрокосмічний» і космічний простір, лікувального застосування гіпербаротерапії і гіпербаричної оксигенації, використання у медицині біологічних властивостей інертних газів.

Метою дослідження було проведення огляду наукових досліджень у галузі гіпербаричної фізіології при вивченні механізмів адаптаційних та дизадаптаційних перебудов в організмі людини, удосконаленні технологій практичного використання властивостей низки інертних газів, газових сумішей і гіпербаричної оксигенації у водолазній справі.

Матеріали і методи. У дослідженні були використані методи семантичного аналізу, бібліографічного дослідження та опису електронних ресурсів.

Результати. У продовж останнього століття освоєння людиною підводного світу стрімко прогресує. Це пов'язано з інтенсифікацією проведення робіт у річкових і шельфових акваторіях, включаючи видобуток корисних копалин, розширення завдань придонного будівництва, зростання актуальності специфічної підводної діяльності збройних сил, аварійно-рятувальних підрозділів, тощо. Підводне занурення з можливістю водолаза виконувати фахові завдання безпосередньо в умовах підводної гіпербарії потребує постійного удосконалення технологій медичного забезпечення і якості підготовки кваліфікованих фахівців. При цьому, відомо, що обмежені резерви адаптаційної здатності організму людини до комплексного впливу специфічних факторів підводного середовища відіграють лімітуючу роль у реалізації повноцінної комфортності при перебуванні в умовах гіпербарії і підводного середовища. Отже, забезпечення надійності життєдіяльності, працездатності і безпечного перебування людини у гіпербаричних умовах та підводному середовищі залежать від досконалості вивчення механізмів адаптації організму людини до впливу високого барометричного тиску та зміненого дихального середовища, що є основними напрямами досліджень у галузі гіпербаричної фізіології і водолазної медицини.

Висновки. Тематика даного огляду продиктована наявним дефіцитом прицільних наукових досліджень у галузі гіпербаричної фізіології та обмеженим доступом до профільної інформації, що не дозволяє у повному обсязі враховувати навіть вже відомі медико-біологічні ефекти при вивченні механізмів адаптаційних та дизадаптаційних перебудов в організмі, а також удосконалювати технології практичного використання властивостей низки інертних газів, газових сумішей і гіпербаричної оксигенації для потреб медицини.

Ключові слова: гіпербарична фізіологія, гіпербарична медицина, екстремальні умови, адаптація, інертні гази.

гіпербаричне середовище медицина адаптація людина

Вступ. Становлення гіпербаричної фізіології. Початок становлення гіпербаричної фізіології сягає 1878 року коли французький вчений Paul Berts у науковій праці «La Pression barometrique» визначив, що дихання чистим киснем під тиском більше 2 кгс/см² для людини становить смертельну небезпеку, а також встановив причини декомпресійної хвороби і вказав на шляхи її запобігання [11].

В 1906 р. Haldane John Scott науково обґрунтував і склав робочі водолазні таблиці декомпресії, що забезпечують безпечний підйом водолазів на поверхню, а в 1908 р. опублікував таблиці ступінчастої декомпресії, що офіційно були прийняті у багатьох країнах і це призвело до широкого розвитку водолазної справи. Саме ця робота відкрила нову еру у підводній фізіології - еру формування спеціалізованих наукових колективів для вивчення фундаментальних основ гіпербаричної фізіології та практичного розвитку водолазної медицини на основі планового державного, відомчого та комерційного фінансування. З цього часу настає найбільш важливий період, коли в усіх розвинених країнах підводні роботи стають невід⁽ємною частиною промислового виробництва. Вирішувати ці завдання можна було тільки на основі наукового методу підвищення безпеки водолазної праці, різкого збільшення рентабельності, глибини і тривалості перебування людини під водою [12].

З 1940 року у медичних установах почали викладати курс спеціальної фізіології (водолазної медицини), і були організовані фундаментальні та прикладні дослідження з гіпербаричної фізіології та водолазної медицини. Було створено спеціальну баролабораторію і її основним обладнанням стала барокамера для проведення досліджень під тиском до 20 кгс/см². Були розроблені режими декомпресії для водолазів при спусках на глибини до 200 м з використанням для дихання гелієво-кисневих сумішей і проведені перші імітаційні спуски водолазів у барокамері, всередині якої величина барометричного тиску газового середовища сягала 21 атм. Тим самим, вперше людиною була досягнута небувала для того часу «глибина» 200 м в умовах сухої барокамери з використанням індивідуального рятувального апарату.

За період існування гіпербаричної медицини було засновано доволі багато різних національних і загальноєвропейських наукових товариств. Однією з найстарших є Societe de Physiologie et de Medicine Sub- Aquatigues et Heperbares de Langue Francaise (MEDSYBHYP), у перекладі з французької - товариство з підводної та гіпербаричної медицини і фізіології [25]. Метою товариств є поширення знань у галузі підводної гіпербаричної медицини і фізіології, що і було основним джерелом профільного обговорення наукових досягнень на міжнародних форумах.

Суттєві успіхи у галузі гіпербаричної фізіології були досягнуті у 70-х роках минулого століття. У роботі міжнародних конференцій, які щорічно проходили за тематикою проблем освоєння великих глибин, гіпербаричної фізіології, патофізіології, гіпербаричної оксигенації, брали участь науковці багатьох країн світу. Такі форуми сприяли оприлюдненню підсумків передових наукових проектів з розробки систем життєзабезпечення людини в умовах підводної гіпербарії, встановленню можливостей підкорення людиною великих глибин, визначення механізмів адаптації до гіпербаричного середовища [25].

Приміром, на міжнародних профільних наукових форумах проблема освоєння великих глибин висвітлювалася керівником Центру морських досліджень у Марселі - J. Chouteau, керівником наукового центру французької фірми КОМЕКС - Fructus X., які займалися морською експертизою і підводними роботами, а також керівником лабораторії медико-біологічних досліджень в Рантсвіллі (США) - Brauer R. Вирішувались актуальні проблеми, що стосуються глибоководних занурень, якими вважали занурення на глибини:

- для людей Т» понад 300 м при експериментальних умовних спусках у барокамерах і більше,

- 200 м - при практичних спусках у морі,

- для тварин - 500-800 м (тобто 50-80 додаткових атмосфер тиску).

Дослідження виконувались із залученням людей (в тому числі самі вчені Brauer R., А. Delosie A. і ін.) і тварин - миші, кролики, собаки, кози, мавпи. Враховувались способи подолання давно відомих і докладно вивчених негативних явищ, що супроводжують глибоководні спуски (декомпресійна хвороба, токсична дія кисню під підвищеним тиском або наркотична дія інертних газів - гіпербаричний наркоз), проте, значне збільшення глибини занурення змушує не тільки вносити корективи вже у встановлені норми, а й породжує нові проблеми.

Після рекордних по глибині «занурень» у барокамерах багато тварин (мавпи, кози) гинули від помилок у розрахунку режимів декомпресії при явищах кесонної хвороби, розладах дихання і інших порушеннях, виявлених за допомогою електрокардіографічного і електроенцефалографічного обстеження.

Оскільки сильно виражена наркотична дія азоту виключає застосування стисненого повітря при глибокому зануренні, застосовувалися геліо- кисневі суміші (геліокс) або воднево-кисневі (гідрокс). Дискусія виникала щодо ступеню нешкідливості водневих сумішей. Першим став застосовувати водень для водолазних занурень шведський вчений Zittershtrem A., який трагічно загинув у 1948 р при одному з експериментальних спусків.

Численні експерименти за участю Fructus X. і Brauer R., що проведені на різних тваринах, зокрема на мавпах, показали повну відсутність шкідливості воднево-кисневих сумішей. (Звичайно, робота з воднем вимагає обережності, так як у певних пропорціях з киснем він створює вибухонебезпечну суміш.)

У дослідах Fructus X., де застосовувався гідрокс, мавпа (P. papio) на кличку «Лулу» перебувала дві години на «глибині» 300 м (у барокамері). Дослідження перенесла добре і через три дні була «занурена» на дві години до 500 м. Дослідження також пройшли благополучно. Через 6 днів героїчна «Лулу» була «занурена» на глибину700 м. Почалися судоми, і експозиція була скорочена. Декомпресія проводилась тривалістю 66 годин, і мавпа вийшла в хорошому стані за нормальних показників електроенцефалограми.

У дослідженнях Brauer R. кілька мавп до 24 годин перебували під тиском 58, 68 і 71 атм і, незважаючи на виникаючі судоми, були «підняті» без ускладнень. Звичайно, у всіх цих дослідах суворо контролювався парціальний тиск кисню (0,21-0,4 атм) і С©–2 (нижче 0,005 атм).

Особлива увагу у роботах привертає так званий «нервовий синдром високих тисків», встановлений вперше Brauer R. у дослідах на мавпах, що, особливо виражений при спусках на геліоксі. Цей синдром спостерігається також при, так званих сухих, «зануреннях» людей у барокамері на глибини понад 300 м.

Fructus X. надає наступну порівняльну таблицю глибин, коли виникає при геліоксі «нервовий синдром високих тисків»:

- для людини - тиск порядку 36 атм,

- для мавпи - 57 атм,

- кролика - 99 атм,

- щурів - 110 атм.

«Нервовий синдром високих тисків» проявляється спочатку запамороченням, нудотою (у людей), змінами електроенцефалограми (спалах тета-ритму), сонливістю, тремором, переходом у судоми - тонічні і клонічні.

Заміна геліоксу гідроксом віддаляє розвиток такого роду симптомів, що обидва дослідники пояснюють більшим, ніж у гелію, наркотичним ефектом водню, який послаблює прояви порушення нервової системи. Ці спостереження отримали підтвердження і у дослідах Brauer R. на мишах.

У дослідженнях обох авторів чітко проявилася залежність порогу виникнення судом (тобто глибини, на яких вони з'являються) від швидкості компресії: чим повільніша компресія, тим більша глибина, на якій починаються судоми. Так, при швидкості компресії 24 атм/год судоми у мавп виникали при тиску 60 атм, при швидкості 1 атм/год - при 80 атм (досліди Brauer R.).

Важливо вказати на те, що відбувається поступова адаптація до тиску: після нападу судом наступав період спокою в 2-4 години, потім змінюється новим, правда, більш слабким нападом, а потім йшов тривалий період спокою, період пристосування, адаптації.

Патогенез нервового синдрому високих тисків ще далеко не з'ясований, але, мабуть, у ньому не відіграють ролі дихальні порушення, що викликані утрудненням вентиляції легень або перешкодою у дифузії газів у газовій атмосфері підвищеної густини. Всі, хто займається глибоководними зануреннями, відмічають дихальні розлади і гіпоксичні явища при тиску 40-50-60 атм і більше.

Полярографічні дослідження підтвердили падіння напруги ©–2 у тканинах (досліди Chouteau J.), хоча дихальна суміш (геліокс) містила достатній відсоток кисню. Збагачення середовища киснем вище прийнятих норм ліквідувало гіпоксичні явища. Можливо, при такому барометричному тиску в результаті підвищеної густини газу страждає вентиляція легень, порушується відповідність між вентиляцією і кровообігом у легенях і, можливо, погіршення дифузійних властивостей легеневого аерогематичного бар'єру. Якщо гелій замінюється газом з більш високою молекулярною вагою - аргоном, неоном, дихальні розлади настають значно раніше, що показали досліди Fructus X. і ін. Тому, застосування водню - газу легшого, ніж гелій, становить інтерес і з точки зору поліпшення вентиляції легень.

При роботах на глибинах моря, особливо, на геліо-кисневих сумішах, велику роль відіграє температура. Холод підсилює прояви гіпербаричного наркозу, токсичної дії кисню, судомного ефекту високих тисків, тощо. У зв'язку з цим дослідники приділяють увагу утепленню за рахунок застосування спеціальних костюмів для тривалих занурень.

Цікавою у теоретичному відношенні була думка про те, що нервовий синдром високих тисків (тремтіння, судоми) є основним фактором, що лімітує глибину занурення людини (Miller R.). Це явище вивчалось на різних видах тварин - мишах, тритонах - і було надано прицільну увагу його біологічному значенню. У результаті виникла ідея - для протидії цього нервового перезбудження слід використовувати наркотичну дію інертних газів - азоту, неону, а також наркотичні речовини - фентобарбітал, тощо. Тобто, саме барометричний тиск стає антагоністом наркозу і наркотичні гази можуть використовуватися на великих глибинах для пом'якшення судом та інших нервових розладів.

Швейцарський фізіолог досліджував екскрецію кортикостероїдів під час спусків на геліоксі. Він висновку, що нерідко у водолазів посилене речовин, що пов⁽язано із стресом, емоційним збудженням, а не із специфічними факторами водолазного занурення. Buhlmann A. вважав навіть, що і гелієвий тремор - скоріше ефект збільшеної секреції катехоламінів і гіпервентиляції, ніж результат прямого впливу гелію під високим тиском на центральну нервову систему.

Проблемами обміну С©–2 займались науковці Schaefer К. (США) і Broussolle B. (Франція). Проблема ця має велике значення для гіпербаричної фізіології і підводної медицини, так як людям нерідко доводиться дихати сумішшю з підвищеним вмістом С©–2. Schaefer К. стверджував, що до вмісту у повітрі 1,2-2% С©–2 люди добре адаптуються. Зазвичай, виникає ацидоз, але якщо він компенсується, то шкідливих наслідків не відмічається [13].

За повідомленням Schaefer К., люди чітко поділяються на дві групи:

- у більш стійких (зазвичай це досвідчені водолазні інструктори, адаптовані до затримок дихання) в нормі спостерігається низька альвеолярна вентиляція, висока альвеолярна напруга С©–2;

- для менш стійких, зокрема для працівників розумової праці, навпаки, зазвичай занадто часте дихання, гіпокапнія, тощо.

Лікар французького військово- морського флоту Broussolle B. детально вивчав водолазів різного ступеня тренованості і прийшов до аналогічних висновків: у досвідчених водолазів є схильність до зменшення вентиляціі легень при роботі і при підвищеному тиску, що веде до затримки СО 2. Можливо, з роками тренування формується знижена чутливість до С©–2 [13].

В той же час у США вивчали патогенез важких, що не піддаються лікуванню, декомпресійних розладів і надавав великого значення двом факторам - різкому підвищенню гемоконцентрації (у результаті втрати плазми із судинного русла) і жировій емболії (Cokket A.). Якщо викликати у собак дуже швидкою декомпресією важкі кесонні розлади і не лікувати їх, то всі собаки гинуть; якщо втрату плазми компенсувати відразу ж, наприклад замінником декстреном, всі собаки виживають. При швидкій декомпресії, крім газових, виникають і жирові емболи, що походять з кісткового мозку (ліпідні частинки агрегуються у венозній системі). Cokket A. повідомляв, що лікувальна рекомпресія не вплине на жирову емболію, але хороший лікувальний ефект нібито має гепарин.

В Англії досліджували місце виникнення газових бульбашок при декомпресії (Chaempelman G.) Різні експерименти привели автора до висновку, що пухирці утворюються з газу, який розчиняється при підвищеному барометричному тиску у тканинах легень, де є ділянки з низькою швидкістю кровообігу і слабкою вентиляцією, і тому там легше виникає і триває пересичення. Наявність у тканинах легень поверхнево-активних білків - сурфактантів сприяє утворенню бульбашок, а отже, дрібних газових емболів, і переходу їх у загальну циркуляцію, де вони ростуть за рахунок тканинних газів. Бульбашки є практично після всіх спусків, якщо навіть декомпресійна хвороба не виникає.

Bennett P. провів фізіологічні дослідження при експериментальному «спуску» з повним насиченням на глибину 457 м. У 70-ті роки це був перший рекордний за глибиною тривалий експериментальний «спуск» людей у барокамері. Дослідження проводились у барокамері гіпербаричної лабораторії військово-морського флоту. Особливість «спуску» - ступінчаста компресія, яка дозволяла адаптуватися до досягнутої глибини. «Водолази» - два молодих наукових співробітники лабораторії - три дні перебували на глибині 300 м і 10 годин на глибині 457 м, де виконували дозовану фізичну роботу на велоергометрі. «Спуск» проводився на геліоксі. Вміст О2 і СО2 весь час контролювався. Проводилися різні фізіологічні та біохімічні дослідження, тести на визначення показників розумової працездатності. Наркотичної дії гелію в експерименті не спостерігалося; явища збудження у вигляді тремору відзначалися на різних глибинах, але судоми не виникали. Декомпресія зайняла 8 діб, більше ніж очікувалося, так як доводилося робити рекомпресію через біль у кінцівках («бендс»), запаморочення. Після декомпресії обидва водолази були у доброму фізичному і психічному стані [10,21].

Після цього фірма КОМЕКС здійснила у Марселі, під керівництвом Fructus X., ще більш глибокий «спуск» двох людей на геліоксі у барокамері до граничної глибини 520 м. Вельми розумною його особливістю було застосування методу ступінчастою компресії. Швидка компресія змінювалася повільною, на глибинах 350 і 450 м робилися зупинки по 14-18 годин. Це дозволяло водолазам адаптуватися до великих глибин. Зникали явища тремору, тремтіння, акванавти спали і «приходили до тями». На граничній глибині 520 м водолази перебували 77 хв., причому, вміст кисню у дихальному середовищі тримався на 0,4 атм. На цій глибині знову з'явилися тремор, втрата координації рухів, наркотичні явища, сонливість, повільні тета-хвилі на електроенцефалограмі. Декомпресія продовжувалась 9 днів, і акванавти вийшли у хорошому стані.

Таким чином, показано, що людина може занурюватися і ефективно працювати на глибинах до 500 м (51 атм).

Однак, серед невирішених проблем, і на сьогодення, одне із ключових положень займає створення технології індивідуальної детекції і регуляції адекватності процесу декомпресії, оскільки математичні розрахунки не гарантують стовідсоткову профілактику десатураційної аеропатії. У природі існування біологічного сенсора до ступеню тканинного газоутворення демонструється при глибоководних зануреннях китів на затримці дихання. У ході підйому з глибини на поверхню кити роблять тривалі зупинки на різних рівнях менших глибин, тобто проходять певний «режим декомпресії», а значить мають специфічні рецептори або їх комплекс, у результаті чого регулюється такий процес і який, вірогідно, функціонує за принципом зворотного біологічного зв'язку.

Крім великих глибин, інтерес викликали тривалі (багатогодинні, багатоденні) спуски у морі, тобто спуски до повного насичення організму інертним газом. При таких спусках водолази після роботи на ґрунті не піднімаються на поверхню, а переходять до підводного притулку - підводні гіпербаричні барокамери (водолазні дзвони), що встановлені на такій глибині де перехід до них не потребує декомпресії. У таких гіпербаричних умовах водолази відпочивають і перебувають весь час під тиском, виходять з них на ґрунт для роботи а, закінчивши весь цикл робіт, проходять досить тривалу декомпресію при підйомі на поверхню. Спуски з повним насиченням організму виявляються у багато разів більш ефективними, вигіднішими, ніж багаторазові повторні декомпресії при короткочасних спусках.

При високому ступені насичення тканин організму індиферентними газами проявляється певний комплекс пристосувальних реакцій, який багато в чому обумовлений психофізіологічними резервами організму. Цей принцип використовується для здійснення так званих тривалих занурень.

Вивченням механізмів газообміну в організмі людини за умов перебування у середовищі підвищеного барометричного тиску тривалий час (70-80 роки) займались науковці лабораторії підводної фізіології Інституту фізіології ім. О. О. Богомольця НАН України. Результати наукових робіт мали вагоме практичне значення у плані розробки профільних методичних рекомендацій для водолазної галузі [2, 4].

У кінці 70-х років на базі гіпербаричного комплексу Південного відділення інституту океанології ім. П.П. Ширшова виконувались дослідження механізмів виникнення азотного наркозу у гіпербаричному азотно-кисневому середовищі, середовищі з використанням для дихання неону та медико-фізіологічні дослідження з порівняльної характеристики наркотичної дії азоту, неону, і гелію. Контрольні дослідження були виконані за участю акванавтів та науковців на глибинах - 100-115 м (липень 1978 року і травень- червень 1979 р, глибини - 100-115 м). На той час, вперше були зареєстровані незрозумілі ознаки патологічного стану, що розвивався у ході декомпресії при різких змінах газових компонентів дихального середовища (після тривалого дихання геліоксом або неоноксом на глибині 115 метрів перехід на дихання стисненим повітрям з глибини 60 метрів).

Згодом, у 1986-87 рр. були проведені дослідження з імітацією занурень по густині дихальної суміші на глибини до 1500 метрів, що досягалось застосуванням для дихання неоно-кисневої суміші під тиском до 3,5-4,0 МПа (35-40 атм). У дослідженнях брали участь акванавти, які були і раніше (1978-79 рр.) учасниками проектів. При високій густині неоно-кисневої суміші усі акванавти відчували утруднене дихання і політопну симптоматику невизначеної патології, ознаки якої зникали після декомпресії. Однак, у наступному десятиріччі більшість акванавтів померли у віці 45-55 років, переважно від патології системи кровообігу, а друга частина акванавтів отримали інвалідність. Отже, механізми патологічного впливу на людину газових сумішей підвищеної густини і їх дифузійних ефектів залишаються невідомими.

Синдром ізобаричної протидифузії. Для розуміння явищ газоутворення в організмі при перепадах барометричного тиску та при ізопресії слугують фізичні газові закони, шо відкриті вже понад 200 років.

Англійський вчений У. Генрі відкрив закон - розчинність газу у даній рідині прямо пропорційна тиску цього газу над розчином, а Дж. Дальтон відкрив закон - сума парціальних тисків газових компонентів складає загальну величину тиску суміші газів, а при розчиненні суміші газів у розчині розчинність кожного з них пропорційна величині його парціального тиску. Тканини організму людини за фізичними ознаками близькі до розчинників (рідин) але у різних тканинах умови для розчинення відрізняються, що суттєво впливає на швидкість процесів розчинення (насичення) та вивільнення газових компонентів при зміні парціального тиску.

Основна заслуга у визначенні сутності сатурації і десатурації належить Haldane John Scott (1908 р.), який відкрив здатність організму утримувати газ у стані перенасичення і визначенні ступеню перенасичення азотом, при якому починають утворюватися газові бульбашки. Ці роботи лягли в основу всіх подальших розрахунків різних режимів декомпресії. Він науково обґрунтував і склав робочі таблиці декомпресії, що забезпечують безпечний підйом водолазів із глибини на поверхню.

Значно пізніше C.J. Lambertsen з Інституту прикладної медицини у Філадельфії у своїй статті в 1972 році «A new gas lesion syndrome in man, induced by isobaric gas counterdiffusion» показав, що при зустрічні дифузії двох інертних газів через біологічну мембрану на ній починають утворюватися мікропухирці, у зв'язку з чим виникає ефект перенасичення у навколомембранній зоні [20].

Перші роботи з вивчення механізмів газоутворення при використанні багатокомпонентних газових сумішей мали на меті практичне вирішення проблем, так званої, протидифузії для професійних водолазів, що використовують в якості дихальної суміші геліокс, а заповнення водолазного спорядження здійснюють аргоном. У цьому випадку виникав ефект контрдифузії інертних газів через шкіру з подальшим утворенням мікропухирців і ознаками шкірної форми декомпресійної хвороби. Було доведено, що ефект утворення мікробульбашок можливий на будь-яких мембранах (альвеоли легень, стінки судин, внутрішньотканинні перетинки, тощо) і при зустрічній дифузії будь-яких інертних газів, у тому числі, при нормальному барометричному тиску, тобто при 1 ата (це добре відображено в статті доктора B. A. Hills «Super-saturation by counterperfusion and diffusion of gases», опублікованій ще в 1977 році) [17, 18].

Під синдромом ізобаричної протидифузії індиферентних газів розуміють патологічний стан організму, що виникає внаслідок утворення в організмі бульбашок газу при зустрічній дифузії через тканини двох індиферентних газів, що володіють різними дифузійними властивостями і розчинністю у тканинах.

На відміну від декомпресійної хвороби газові бульбашки утворюються у результаті перенасичення організму не в ході декомпресії, а при постійному барометричному тиску.

За характером прояву розрізняють зустрічну дифузію у поверхневих тканинах і зустрічну дифузію у глибоких тканинах організму.

Ізобарична протидифузія індиферентних газів проявляється у поверхневих і глибоких тканинах.

Початкові прояви поверхневої протидифузії газів виражаються свербінням шкіри на відкритих ділянках (шия, обличчя, вушні раковини, груди), що поступово наростає і у підсумку стає нестерпним. Початок появи свербіння може не супроводжуватись видимими змінами шкірних покривів, але через деякий час в місцях його локалізації з'являються гіперемія і виступають над поверхнею шкіри висипання білого кольору діаметром 0,3-0,5 мм, які поступово зливаються, утворюючи великі конгломерати щільної консистенції діаметром до 50-80 мм. Зазначені конгломерати виникають у клітковині шкіри, поступово наростають і, розтягуючи її поверхневі прошарки, наближаються до поверхні. Після переходу на дихання з газового середовища барокамери, в якій відсутній азот, свербіння шкіри і набряклість, деякий час залишаються без змін, а потім поступово зникають (через 40-60 хв.). Однак, при цьому з'являється мігруюче свербіння по всьому тілу з переважною локалізацією на внутрішніх поверхнях верхніх і нижніх кінцівок. Це свербіння може з'явитися через 10-25 хв. після переходу на дихання з газового середовища барокамери, залишатися на незмінному рівні протягом 1,0-1,5 год, а потім поступово зменшуватися і через 4-5 год повністю зникнути. Мігруючий свербіж швидко проходить при підвищенні тиску у барокамері.

При диханні киснево-азотною сумішшю в умовах повного насичення організму гелієм прояви симптомів ізобаричної протидифузії індиферентних газів можуть виникати при барометричному тиску у барокамері не менше 5-6 кгс/см². Швидкість пересичення тканин організму індиферентними газами при змінній подачі визначається не тільки прямим їх градієнтом між вмістом (напругою) у тканинах і у дихальній газової суміші (парціальним тиском), а й вмістом його у навколишньому газовому середовищі. Поява мігруючого свербіння після переходу на дихання з газового середовища барокамери можна пояснити наявністю газових бульбашок, що утворюються у капілярній мережі за рахунок зворотної міграції азоту з тканин у капіляри, що містять тільки гелій.

Крім шкірних явищ зустрічна дифузія індиферентних газів через покривні тканини може викликати розлад зору, вестибулярні порушення у вигляді запаморочення, нудоти, зміни у координації рухів і інші симптоми, що пов'язані з газовою емболією.

В основі механізму вестибулярних розладів лежить ізобарична протидифузія індиферентних газів через кругле вікно між середнім і внутрішнім вухом, у результаті чого газові бульбашки утворюються в ендолімфі внутрішнього вуха. Час виникнення цих симптомів становить 15-20 хв. від початку дихання газовою сумішшю з важким індиферентним газом.

Слід мати на увазі, що пересичення глибоких тканин організму в умовах ізопресії, навіть якщо воно за своєю абсолютною величиною недостатньо для появи в організмі газових бульбашок, створює підвищену небезпеку газоутворення при зниженні тиску і має враховуватися при розробці режимів декомпресії.

Спеціальні суміші кисню і інертних газів (гелію, аргону, ксенону, криптону, азоту, СО2, тощо). мають відмінні від повітря фізико- хімічні властивості і виявляють фізіологічну активність в умовах зниженого, нормального і підвищеного атмосферного тиску, змінюючи адаптивні можливості організму. Ці дихальні суміші можуть знайти широке застосування в якості нових немедикаментозних засобів оздоровчого та лікувального впливу на організм людини.

На цей час здійснено низку винаходів, наприклад, «Спосіб впливу газових сумішей на біологічний об'єкт», теоретичною основою якого є гіпотеза про газовий молекулярно-клітинний «масаж», суть якого полягає у періодичному, з різним інтервалом часу, процесі протидифузіі у клітинах і тканинах організму молекул індиферентних газів (Міжнародний патент №140806 від 22.05.2006 р.)

Гелій володіє надзвичайно високою проникаючою здатністю і теплопровідністю, має низьку розчинність у жирах і воді, сприяє швидкій елімінації наркотичних речовин з організму. Гелій забезпечує збільшення об'ємної швидкості руху газової суміші, покращує газообмін, нормалізує газовий склад крові і кислотно-лужну рівновагу, зменшує роботу дихальних м'язів і оптимізує діяльність дихального центру.

Підігріта киснево-гелієва газова суміш, не тільки у порівнянні з повітрям, але і з дихальною сумішшю на основі гелію термонейтральної або кімнатної температури, покращує дифузію кисню через альвеоло- капілярну мембрану у 1,6-2,0 рази, причому, збільшення дифузії кисню і вуглекислого газу зберігається понад дві години після припинення дихання киснево-гелієвою сумішшю, знижує опір диханню за рахунок меншої густини гелію, розслаблює гладкі м'язи, зменшує в'язкість мокротиння, навантаження на дихальні м'язи, а також відбувається потужний тепловий і тепло- рефлекторний вплив на організм.

Дифузійна здатність легень людини зростає під час дихання киснево-гелієвою сумішшю, причому, ефект яскраво проявляється навіть через 2,5 години після припинення впливу.

Виявлено зміну динаміки накопичення молочної кислоти у крові при фізичному навантаженні, що полягає у вираженому зниженні піку концентрації лактату при використанні у відновлювальному періоді дихальної киснево-гелієвої суміші.

В умовах сучасності, у багатьох країнах світу продовжуються наукові дослідження у галузі водолазної медицини та гіпербаричної фізіології з урахуванням перманентного створення нових водолазних технологій, наукових досягнень біомедичної галузі та змінюваного спектру завдань водолазної діяльності.

Приміром, експериментальне застосування для дихання тварин суміші інертних газів підвищеної густини (щільності) та кисню дозволяє при нормальному барометричному тиску (у нормобаричних умовах) вивчати механізми транспортування респіраторних газів в організмі. Ще на початку 80-х років в Інституті фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України були проведені експериментальні дослідження впливу дихальних газів підвищеної густини (щільності) на здатність організму забезпечувати доставку кисню до тканин та виведення вуглекислого газу [4].

В умовах нормобарії для дихання щурів використовували нормоксичну елегаз- кисневу суміш (густина перевищувала густину повітря у 6 разів) і досліджували зміни кисневих режимів організму у респіраторній, гемодинамічній та гемічній ланках. Результати досліджень засвідчили відсутність порушень у функціональних системах, які можуть обмежувати нормальне транспортування респіраторних газів в організмі при диханні газовою сумішшю з таким високим рівнем густини [4]. Такі висновки можуть слугувати певним обґрунтуванням безпечності дихання людини стисненим повітрям збільшеної густини, що еквівалентно глибинам до 60 метрів.

При цьому, на сьогоднішній день близько 95% водолазних спусків здійснюються до глибин 60 метрів із застосуванням для дихання стисненого повітря. Численні спроби використання рідинного дихання при зануренні у підводне середовище не мали успіху із-за невирішених проблем виведення вуглекислого газу із організму.

Окрім того, саме по собі занурення у водне середовище викликає певні перебудови функцій організму, що обумовлені станом гіпогравітації (у відповідності до закону Архімеда), перепадами гідростатичного тиску, специфічною дією водного середовища. Дослідження впливу імерсійної гіпогравітації на функціональні системи організму виконувались в Інституті фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України ще у 60-роках минулого століття при вивченні біологічних проявів невагомості за напрямом космічної фізіології і медицини.

Медико-фізіологічні ефекти підводної гіпербарії. У процесі еволюції у людини не виробилися спеціальні пристосувальні механізми, які реагують на гіпербарію, підвищення тиску кисню, азоту, їх проникнення у кров. Тому, захисні функції організму опосередковані компенсаторними реакціями з боку функціональних систем. При диханні стисненим повітрям (починаючи з глибини 30-40 метрів) проявляються ознаки змін з боку функціонального стану центральної нервової системи, а при збільшенні тиску порушується діяльність ЦНС, що призводить до втрати людиною працездатності [6,14, 24].

Дихання в умовах підвищеного тиску з використанням спеціального підводного спорядження пов'язано із збільшенням опору диханню, що обмежує резервні можливості вентиляції легень. У людини активним стає вдих і видих, знижується життєва ємність легень, частота дихання зменшується, погіршуються показники бронхіальної прохідності, особливо, при зростанні вентиляції внаслідок виконання фізичної роботи. Зміни показників кислотно-лужного балансу крові після виконання фізичного навантаження під водою свідчили про розвиток ознак дихального ацидозу, виникненні ретенції вуглекислого газу в організмі, що може бути пов'язано із змінами нормальних умов газообміну в легеневій ланці транспорту респіраторних газів в організмі.

Відомо, що у водолазів захворювання серцево-судинної системи виникають частіше, ніж у інших категорій працівників, що дає підставу про віднесення цих захворювань до професійної патології. Підводне середовище володіє антигравітаційним впливом на організм людини, в результаті чого відбувається перерозподіл крові і кровообіг переходить на новий функціональний рівень - збільшується внутрішньоторакальний об'єм крові, підвищується центральний об'єм крові при зменшенні обсягу дихального газу у легенях. Вплив підводного середовища і підвищеного парціального тиску кисню призводять до зменшення частоти скорочень серця, а підвищений опір диханню провокує дихальну серцеву аритмію, в результаті чого можливе виникнення порушень з боку електричної активності серця. У гіпербаричних умовах відбуваються зміни електрокардіограми у вигляді синусової брадикардії, дихальної аритмії серцевого ритму, пов'язаної з підвищенням тонусу парасимпатичної нервової системи і зростає ймовірність виникнення шлуночкових екстрасистол. Зубець Т електрокардіограми зазвичай позитивний з деяким збільшенням або зменшенням, інтервали Р-Q і Q-Т мають тенденцію до подовження, що свідчить про зміни передсердно-шлуночкової провідності і метаболічних процесів у міокарді. При зануренні людини на глибини до 30 метрів на постійно реєстрованій ехокардіограмі чітко зазначається розширення порожнин лівого і правого шлуночків серця, зміна амплітуди скорочень задньої стінки лівого шлуночка серця і швидкісних показників руху міокарда. При цьому відмічається виражене зменшення частоти серцевих скорочень (на 5-6 уд/хв), деяке зниження скорочувальної активності міокарду (з 62% до 57%) 1(з 30 - 40%) у порівнянні з даними, зареєстрованими до занурень. У підводних умовах центральний перерозподіл крові супроводжується гіперволемією органів грудної клітки, підвищенням кінцево-діастолічного та ударного об'ємів крові, збільшенням навантаження на серце, зростанням об'єму крові, підвищення артеріального тиску, зниженням показників пульсового тиску, що проявляється чітко із збільшенням глибини занурення, де парціальний тиск кисню в дихальному середовищі значно підвищується при застосуванні для дихання стисненого повітря [5, 23].

Робота під водою супроводжується збільшеним споживанням кисню організмом у порівнянні з даними досліджень в умовах нормального атмосферного барометричного тиску при знижених значеннях частоти серцевих скорочень. Це свідчить про те, що в умовах підводної гіпербарії відсутня лінійна залежність між частотою серцевих скорочень і рівнем споживання кисню. При виконанні фізичної роботи на різних глибинах в підводних умовах приріст частоти скорочень серця завжди менший, ніж при нормобарії. Враховуючи відсутність прямої залежності між частотою серцевих скорочень і споживанням кисню при виконанні роботи під водою, показники числа скорочень серця для оцінки енерговитрат можна використовувати тільки у тому випадку, коли відома відповідність - частота пульсу - споживання кисню у конкретного водолаза на даній робочій глибині.

Робота під водою може супроводжуватися проявами з боку електрокардіограми - сплощенням зубця Т і депресією інтервалу S-T, збільшенням зубця Р, що, можливо, пов'язано із зростанням опору у малому колі кровообігу. У літературі дуже мало даних про пристосувальні реакції циркуляторної системи людини на фізичне навантаження в умовах занурення під воду, що значною мірою зумовлено методичними труднощами [22].

Найбільш характерними проявами функціональної недостатності при роботі людини під водою з боку системи дихання є розвиток респіраторного ацидозу, з боку серцево-судинної системи - порушення функції автоматизму міокарду, метаболізму серцевого м'яза, збільшення опору малого кола кровообігу, зниження скорочувальної активності міокарду, з боку центральної нервової системи - зміна співвідношень збудливості кори і сегментарних структур спинного мозку, зміна співвідношень фаз активності і спокою працюючих м'язів- антагоністів; з боку гормональної системи - пригнічення активності функції кори надниркових залоз. Все це свідчить про зниження можливостей роботи людини в умовах підвищеного атмосферного тиску і підводного середовища, а також необхідності суворого контролю за допомогою об'єктивних фізіологічних критеріїв за станом організму водолаза, який працює у підводних умовах [15, 19].

Важливо відзначити наявність великих індивідуальних відхилень на однотипні навантаження у водолазів, які мають однакову фізичну підготовку, але різну ступінь переносимості впливу чинників, пов'язаних з гіпербарією, що викликають стан гіперкапнії, гіпоксії, так званого гіпербаричного наркозу, тощо. Це свідчить про необхідність індивідуального відбору до водолазної професії з урахуванням філогенетичної схильності до впливів факторів підвищеного тиску і водного середовища.

Отже, гіпербарична фізіологія у своєму широкому спектрі досліджень має безпосереднє відношення до встановлення механізмів газообміну в організмі при перебуванні людини в умовах підвищеного барометричного і парціального тиску інертних та респіраторних газів. Відомо, що різке падіння навіть нормального барометричного тиску при наборі висоти літального апарату може провокувати газоутворення у тканинах організму льотчика за рахунок вивільнення розчиненого в організмі азоту. Таке газоутворення у тканинах головного мозку супроводжувалось ознаками десатураційної аеропатії (декомпресійного захворювання) і потребувало, в свій час, застосування біоінженерних технологій протекції.

Окрім того, азот викликає наркотично- подібний стан у людини внаслідок проявів психотропного впливу високого парціального тиску азоту у гіпербаричних умовах. Наркотична дія азоту проявляється при диханні стисненим повітрям на глибинах або у ході «занурення» у барокамері, де парціальний тиск азоту у рази перевищує його нормобаричні значення, при порушенні правил змінної подачі штучних дихальних газових сумішей в умовах гіпербарії, при переключені на дихання повітрям у водолазній гіпербаричній барокамері (водолазний дзвін) на глибинах понад 60 метрів, а також при тренувальних «спусках» та у ході лікувальної рекомпресії у барокамері з використанням для дихання стисненого повітря. Підвищений парціальний тиск азоту викликає в організмі низку біологічних реакцій компенсаторного (пристосувального) або патологічного характеру, прояви яких подібні алкогольному сп⁽янінню. Загальна симптоматика порушень є наслідком зниження тонусу кори головного мозку та розгальмуваня підкоркових структур. При використанні для дихання стисненого повітря початкові ознаки наркотичної дії азоту проявляються на глибинах від 30 метрів, коли відчувається ейфорія, спостерігається збудження, самовпевненість, безпричинний сміх, уповільнення розумової активності. Такі прояви підсилюються до глибини 60 метрів і підводять межу першої стадії токсичної дії азоту, при якій зберігаються добре самопочуття та фізична працездатність. Стадія неповного наркотичного стану розвивається при диханні стисненим повітрям на глибинах 60-100 м і характеризується більше вираженими ознаками першої стадії та виникненням симптомів марення, запаморочення, порушення пам⁽яті, координації рухів, втрати просторової орієнтації, контролю за ситуацією, проявів сп'яніння, немотивованих дій, втрати працездатності. Стадія повного наркозу розвивається при диханні стисненим повітрям на глибинах понад 100 м і характеризується втратою свідомості і наркотичним сном. Спеціальними режимами тренування водолазів у барокамері досягається певна адаптація до токсичної дії азоту, що дозволяє якісно виконувати водолазні роботи з використанням для дихання стисненого повітря на глибинах до 60 метрів. Тому, всі водолазні роботи із застосуванням для дихання стисненого повітря обмежені глибинами до 60 метрів. Для виконання водолазних робіт на більших глибинах для дихання використовують газові суміші на основі інших інертних газів (гелій, неон, водень, тощо), що не викликають наркотичного ефекту. Наркотична дія азоту, як правило, не вимагає спеціального лікування, так як при спусках на глибини до 60 м вона не становить небезпеки для здоров'я людини. Небезпеку для водолаза становлять аварійно обумовлені дії, які він може здійснювати, перебуваючи у наркотичному стані. Тому, при появі у водолаза ознак наркотичної дії азоту (неадекватна поведінка, безпричинний сміх, порушення правил використання спорядження, відмова від виконання вказівок керівника спуску, тощо) необхідно припинити подальше перебування водолаза на глибині і почати підйом його на поверхню з дотриманням режиму декомпресії [6].

Окрім азоту, групу інертних газів складають, так звані, благородні гази (англ. noble gases; нім. lnertgase) - хімічні елементи VIII групи головної підгрупи періодичної системи елементів, що мають схожі властивості та за нормальних умов є одноатомними газами без кольору, запаху та смаку з дуже низькою хімічною реактивністю, котра зумовлена наявністю у атомів стійкої зовнішньої електронної оболонки. До таких газів відносяться гелій (Не), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Хе) та радіоактивний радон (Rn). До інертних газів відносяться також азот (N2), водень (H2) і синтезовані гази (наприклад, елегаз або шестифториста сірка, SF6 - важкий газ, у 6 разів важчий за повітря.)

Індиферентні гази мають властивості, що проявляються в їх наркотичному впливі на організм і по силі цього впливу вони розташовуються наступним чином: Xe-Kr-Ar- N2-H2-Ne-He. При цьому, наркотичний ефект ксенону і криптону проявляється при нормальному барометричному тиску, аргон - понад 0,2 МПа, азот - 0,6 МПа, водень - 2,0 МПа. Наркотична дія неону і гелію у дослідах не реєструється, тому що підвищений барометричний тиск цих газів призводить до розвитку нервового синдрому високого тиску.

До теперішнього часу існує низка теорій наркотичної дії інертних газів:

- розчинення у ліпідах клітинних мембран змінює їх проникність для іонів і гальмує їх збудливість, тобто, модифікує структурні властивості клітинних мембран неспецифічним чином (липоїдно-мембранна теорія Овертон-Мейера, 1899-1901);

- у нервовій тканині формуються мікрокристали, що блокують нервову передачу імпульсів (молекулярна теорія наркозу Поллінга,1961);

- формуются диполі з утворенням молекулярних конгломератів, що знижує збудливість клітини у результаті стабілізації мембран, зниження електропровідності, блокування іонних каналів (теорія Міллера, 1963);

- блокада кальцієвих каналів у мембрані, що порушує роботу натрій-калієвого насосу і модулює процеси збудження та гальмування (мембранна теорія Ходжкина, 1963);

- виникнення наркотичного ефекту пов'язується з коливальними низькочастотними рухами атомів газу (електромагнітна теорія);

- взаємодія зі специфічними протеїнами, зокрема, з рецепторами нейромедіаторів, що впливає на активність анестетичних систем;

Існують також теорії: коагуляційна, термодинамічна, адсорбційна, концентраційна, оксидаційна, тощо.

У медичній практиці, в умовах сьогодення, інертні гази використовують у якості багатокомпонентних дихальних сумішей і середовищ у космонавтиці, авіації, водолазній галузі, тощо.

Киснево-гелієві суміші і середовища використовуються при водолазних спусках, лікуванні низки захворювань органів дихання і серцево-судинної системи, реабілітації після переохолодження і фізичних навантажень, профілактики і лікування висотної декомпресійної хвороби.

Киснево-аргонові суміші і середовища використовують для підвищення резистентності організму до гіпоксичної гіпоксії, покращення сну після психофізичних навантажень, створення пожежобезпечного середовища у космічних гермооб'єктах.

Киснево-криптонові суміші і середовища використовують для терапії безсоння, неврозів різної етіології, реактивних і абстинентних станів, зниження больової чутливості, загальної анестезії, дослідження можливості радіаційного захисту організму.

Дихальні газові суміші і середовища, використовують при гіпербаричних дослідженнях, у водолазній практиці, аерокосмічній галузі. При цьому, виявлено, що штучні газові суміші мають відмінні від повітря фізико-хімічні властивості, які призводять до значних змін діяльності аналізаторів організму і механізмів регуляції гомеостазису.

Відомо також, що на фоні дихання газовими сумішами, за фізичними властивостями, відмінними від нормобаричного повітря, можуть модифікуватись лікувальні ефекти при застосуванні традиційних фармакологічних засобів.

Висновки

Тематика даного огляду продиктована наявним дефіцитом прицільних наукових досліджень у галузі гіпербаричної фізіології та обмеженим доступом до профільної інформації, що не дозволяє у повному обсязі враховувати навіть вже відомі медико-біологічні ефекти при вивченні механізмів адаптаційних та дизадаптаційних перебудов в організмі, а також удосконалювати технології практичного використання властивостей низки інертних газів, газових сумішей і гіпербаричної оксигенації для потреб медицини.

Гіпербарична фізіологія у своєму широкому спектрі досліджень має безпосереднє відношення до встановлення механізмів газообміну в організмі при перебуванні людини в умовах підвищеного барометричного і парціального тиску інертних та респіраторних газів.

В умовах сучасності, у багатьох країнах продовжуються наукові дослідження у галузі водолазної медицини та гіпербаричної фізіології з урахуванням перманентного створення нових водолазних технологій, наукових досягнень біомедичної галузі, змінюваного спектру завдань водолазної діяльності та забезпечення надійності життєдіяльності, працездатності і безпечного перебування людини у гіпербаричних умовах та підводному середовищі.

Отже, інертні гази мають доволі умовну назву і можуть проявляти властивості прямої та опосередкованої дії на фізіологічні функції на всіх рівнях організації організму, включаючи клітинний, субклітинний, молекулярний.

Література

1. Воскресенський Д.В., Черетських О.М. Фізіологія підводного плавання та медичне забезпечення водолазних спусків: Навчальний посібник - Севастополь, 2003. - 189 с.

2. Гуляр С.А., Шапаренко Б.А., Киклевич Ю.Н., Барац Ю.М., Гриневич В.А. Организм человека и подводная среда - Киев: Здоров'я, 1977. - 184 с.

3. Малигон О.І., Яворський В.В., Богданчикова О.А. Біологічні ефекти інертних газів та перспективи їх використання при низькотемпературному зберіганні гемокомпонентів (огляд експериментальних досліджень). Актуальные проблемы транспортной медицини № 3, т. 2 (4-ІІ), 2015. С. 7-11

4. Моісеєнко Є. В. Транспорт респіраторних газів кров'ю в організмі людини при короткочасній гіпербарії. Автореф. Дис. на здоб. ст. к. м. н., 1981. - 21 с.

5. Моісеєнко Є.В., Єна А.І., Чегодар С.В. Особливості впливу підводного середовища на організм людини та професійний добір водолазів. Військова медицина України. Т.3, 2003, 99-103.

6. Моісеєнко Є.В., Трінька І.С. Основи гіпербаричної фізіології та медичного забезпечення водолазних спусків: Навчальний посібник. К.: «МП Леся», 2022. - 247 с.

7. Чуєв П. М., Владика А. С., К. П. Воробйов Гіпербароокситерапія /За ред. П. М. Чуєва/. - Одеса: Одес. держ. мед. ун-т, 1999. - 187 с.

8. Утєвський А.Ю., Луценко Д.Г., Утєвська О.М., Луценко О.Л. Книга для підводних плавців SCUBA-DIVING +.Х.:Граматика, 2008 - 416 с.

9. НАКАЗ «Про затвердження Інструкції з організації водолазних спусків та робіт у Державній службі України з надзвичайних ситуацій» від 01.03.2019 за № 15038.

10. Bennett P.B., Elliott D.H. The physiology and medicine of diving. Ball.Tindall - London, 1988. - 486 p.