Искусственные водолазные дыхательные газовые смеси (ДГС) используются в основном при глубоководных спусках (более 60 м) методом кратковременных погружений (КП) и при спусках методом длительного пребывания под повышенным давлением (ДП) на различные глубины. Для кратковременных рабочих спусков на средние глубины (21–45 м) предназначена лишь одна воздушно-кислородная смесь, которая в практике производственных водолазов почти не используется.
Газовые смеси, подаваемые на дыхание водолазу по шлангу с поверхности, из водолазного колокола, из дыхательных аппаратов различных типов, а также газовые среды в отсеках барокамер с точки зрения физиологии должны обеспечивать адекватный гипербарическим условиям газообмен между организмом и средой, умственную и физическую работоспособность, безопасность и сокращение времени декомпрессии.
Это может быть достигнуто за счет снижения плотности смеси при использовании более легкого инертного компонента, нормирования для данного диапазона глубин величин парциального давления кислорода (РО2), минимизации действия инертных газов на центральную нервную систему.
Эти три основных принципа оптимизации ДГС в зависимости от глубины погружений реализуются путем использования, кроме обязательного кислорода, инертных газов, отличающихся между собой по своим физическим свойствам и биологическому действию на организм, – водород (Н2), гелий (Не), неон (Ne), азот (N2).
Следующие в этом ряду аргон (Ar), криптон (Kr) и ксенон (Xe) в водолазной практике не применяются в связи с их высокой плотностью и выраженной наркотической потенцией даже при дыхании в нормальных условиях (криптон и ксенон), но в перспективе они, возможно, могут использоваться как небольшие добавки к ДГС на основе гелия и водорода для устранения неврологических расстройств на больших глубинах.
Неон, хотя и является вполне пригодным для использования вместо азота в дыхательных смесях, так как он значительно легче азота и не проявляет заметных наркотических свойств, на практике не применяется из-за слишком высокой стоимости. Но в исследовательских целях он применялся многократно. Выдающимся научным достижением российских ученых (Институт медико-биологических проблем совместно с Институтом океанологии им. П.П. Ширшова) была серия «погружений» в барокамерном водолазном комплексе в 1986 году на кислородно-неоновых смесях до 400 м. При этом плотность ДГС более чем в 25 раз превышала плотность воздуха при нормальном давлении и соответствовала примерно 2000 м при дыхании легкой кислородно-гелиевой смесью. Неожиданных функциональных изменений в организме испытателей обнаружено не было.
Позже в опытах на животных санкт-петербургскими исследователями были получены интересные результаты – гипоксия мозга развивается лишь при 60-кратной плотности нормоксической кислородно-неоновой смеси, что во много раз превышает критическую для развития гипоксии плотность смесей, не содержащих неон. То есть оказывается, что смесь на основе неона относительно поддержания очень важного физиологического параметра (обеспечение мозга кислородом) является лучшей по сравнению с другими смесями. Так это или нет, покажет будущее. Ведь от фундаментальных исследований до практики дистанция чаще всего огромного размера.
Многие исследователи использовали кислородно-аргоновые смеси при проведении фундаментальных и прикладных исследований по проблеме, в том числе с участием людей, до давлений 8–10 кгс/см2. Были получены научно полезные результаты, но ожидаемо бесперспективные для практического использования таких смесей, так как их плотность почти в полтора раза выше и они в два раза более наркотичны, чем кислородно-азотные.
Таким образом, оказывается, что у физиологов выбор для разработки водолазных дыхательных смесей невелик – кроме обязательного кислорода, азот и гелий. На больших глубинах (примерно более 500 м) – и водород, который считается перспективным. Однако после последних рекордных погружений в море на 534 м в 1988 году и в барокамере на 701 м в 1992 году (Comex, Франция) не только попыток поставить спуски с использованием водорода на коммерческую основу, но и развития в этом направлении прикладных исследований с участием человека не было ни в одной стране. Причины разные, но одна из них та же, что и для неона – дорого.
Стоимость, по понятным причинам, включает обеспечение безопасности и стоимость самого водорода. Он должен быть очень чистым и практически не содержать высокотоксичных водородных соединений.
По признанию французских коллег, наличие таких примесей было вероятной причиной гибели животных в первых экспериментах со смесями на основе водорода. Основная опасная примесь в водороде – арсин (AsH3 – мышьяковистый водород). ПДК арсина составляет 0,05 ppm, или 0,000005 об. %. И это для нормального давления и восьмичасового рабочего дня. Для глубины 700 м эту величину надо разделить на 71 и учесть длительность воздействия. Такой водород в два-три раза дороже используемого при глубоководных водолазных спусках гелия.
Так зачем надо снижать плотность ДГС?
Повышенная плотность дыхательных смесей, поступающих на дыхание водолазу, и дыхательной среды в барокамере приводит к изменению механики дыхания, увеличению сопротивления дыханию, повышению работы дыхания, снижению вентиляции легких при физических нагрузках и задержке выведения двуокиси углерода (СО2) из организма, повышению нагрузки на сердечно-сосудистую систему. Эти изменения под влиянием плотности сопровождаются повышением потребления кислорода организмом. Это дополнительное потребление кислорода направлено в основном на обеспечение повышенной работы дыхательной мускулатуры. А при тяжелой физической нагрузке, когда работа дыхания приближается к максимуму, весь дополнительно потребляемый кислород направлен на обеспечение вентиляции легких, а не на обеспечение выполнения полезной работы. Это происходит как при работе под водой, так и в сухих условиях барокамеры.
Физическая работа в условиях гипербарии практически всегда выполняется на фоне сниженной вентиляции легких. Причем, вентиляция снижается тем больше, чем тяжелее работа. Но это все равно не компенсирует общее увеличение нагрузки на дыхание, но закономерно приводит к накоплению СО2 в организме. Вероятно, что основные причины снижения вентиляции заключаются в феномене сжатия бронхов на выдохе при работе в условиях повышенной плотности и утомлении дыхательной мускулатуры. Следствием всех этих физиологических сдвигов в организме является снижение работоспособности. Вот поэтому и надо снижать плотность ДГС. Полностью нормализовать эти изменения не удастся, но ослабить влияние плотности можно и нужно включением в состав ДГС более легкого инертного компонента.
Следует отметить, что плотность необходимо снижать не только из-за ограничений вентиляции легких и снижения работоспособности, но и по ряду других физиологических причин, которые здесь мы не рассматриваем.
Зачем надо оптимизировать парциальное давление кислорода?
Снижение РО2 до 0,18–0,16 кгс/см2 от нормоксического уровня (0,21 кгс/см2) приводит к развитию гипоксии в организме, при более низких величинах – к кислородному голоданию. Превышение этого уровня приводит к гипероксии и, как следствие, к отравлению кислородом при превышении допустимого уровня парциального давления и времени дыхания.
В любую водолазную дыхательную смесь закладывается величина объемного содержания кислорода, обеспечивающая гипероксический, но не токсический, уровень РО2 на любых глубинах, для которых данная смесь предназначена. Поэтому при кратковременных спусках ДГС не может быть причиной кислородного голодания. Чаще всего это бывает связано с техническими, организационными и квалификационными факторами. Но какова бы ни была причина, все реакции организма на гипоксию направлены на компенсацию недостатка кислорода. При этом водолаз не способен эффективно или вообще выполнять физическую работу под водой.
Повышение парциального давления кислорода также влияет на функциональные возможности организма. Все реакции на гипероксию зависят от уровня повышенного РО2 и длительности воздействия. Первые выраженные физиологические реакции на гипероксию приблизительно в пределах РО2 до 1 кгс/см2 (соответствует чистому кислороду при нормальном давлении или 40 метрам глубины при дыхании сжатым воздухом) обнаруживаются в дыхательной системе. Они направлены на ограничение доставки кислорода: небольшое снижение легочной вентиляции в основном в покое, циркуляции крови, сужение сосудов головного мозга, уменьшение количества эритроцитов и гемоглобина в крови и другие. Ограничение вентиляции легких в дополнение к такому же действию плотности приводит к большему накоплению СО2 в организме, что, в свою очередь, может ускорять начало появления признаков кислородного отравления. В целом эти реакции противоположны тем, которые наблюдаются при гипоксии.
Длительное действие гипероксии, но в пределах времени спуска методом КП, сопровождается реакциями со стороны центральной нервной и сердечно-сосудистой систем. Физиологические реакции переходят в патологические, когда кислород начинает оказывать токсическое действие на организм. Результатом могут быть различные формы отравления кислородом, которые требуют незамедлительного лечения. Допустимые уровни РО2 и времени дыхания регламентируются действующими правилами проведения водолазных работ в России. Эти уровни в любой принятой для использования водолазной ДГС не превышены. Поэтому ДГС не может быть причиной отравления водолаза кислородом. Причинами могут быть: нарушение правил, аварийная задержка водолаза под водой, нарушение работы дыхательного аппарата при попадании воды в регенеративный патрон и другие.
При многосуточном пребывании в условиях повышенного давления нетоксичные величины РО2 находятся в пределах 160–220 мм рт. ст. (0,21–0,30 кгс/ см2). Это подтверждено многими исследователями и практикой водолазных спусков методом ДП в жилых отсеках барокамер. Не будет заметно проявлять токсичность и РО2 на уровне 0,35 кгс/см2, но при ограничении длительности пребывания под повышенным давлением.
Следовательно, оптимизация ДГС по кислороду направлена на исключение гипоксии, кислородного голодания и отравления кислородом.
Зачем надо минимизировать действие инертных газов на центральную
нервную систему?
Прежде всего, для снятия азотного наркоза, который проявляется при водолазных спусках и в барокамере на сжатом воздухе и азотсодержащих смесях, а также для уменьшения неврологических расстройств, которые проявляются при глубоководных спусках методами КП и ДП и в целом определяются как нервный синдром высокого давления (НСВД).
Азотный наркоз развивается на глубинах примерно от 30–35 метров и проявляется в заметном нарушении умственной деятельности, замедлении времени реакций, общей эйфории и других нежелательных реакциях. Все это отражается на снижении работоспособности. Большая опасность азотного наркоза состоит в том, что при этом водолаз неосознанно подвергает себя большому риску. Понятно, что избавиться от наркоза можно лишь путем замены азота другим (ненаркотичным) инертным газом. В пределах доступных водолазу в настоящее время давлений не проявляют заметных наркотических свойств водород, гелий и неон. Но заменяя тяжелый наркотичный азот легким ненаркотичным гелием, получаем другие проблемы, связанные с теплообменом и искажением речи, которые весьма успешно решаются соответственно с помощью средств теплозащиты и электронных корректоров речи.
Механизм азотного наркоза точно до сих пор неизвестен. Считается, что наркотическая потенция азота и других инертных газов зависит от их растворимости в жирах (теория Мейера-Овертона). Чем более растворим газ, тем больше наркотический эффект при данном его парциальном давлении. Поэтому гелий и неон, которые относительно плохо растворяются в жировой ткани, могут использоваться как инертные газы-разбавители при глубоководных водолазных спусках. Они ненаркотичны в пределах доступных водолазу давлений.
Более важным проявлением действия инертных газов на центральную нервную систему является развитие НСВД. Это наиболее выражено при дыхании кислородно-гелиевыми смесями при давлениях, соответствующих глубинам примерно 100 и более метров. Симптоматика НСВД проявляется как тремор (дрожание) конечностей, сонливость, нарушение мышечной координации, равновесия. При давлениях, соответствующих глубинам порядка 300 и более метров, у водолазов может наблюдаться апатия, тошнота, нарушения ориентации и сознания, возможны даже периоды микросна. Считается, что признаки НСВД являются результатом главным образом действия давления и скорости его повышения при использовании ДГС на основе гелия. Поэтому их можно свести к минимуму путем снижения скорости компрессии и применения ступенчатой компрессии с выдержками на остановках.
Не менее эффективно и добавление в дыхательную смесь второго инертного компонента – азота, который является физиологическим антагонистом гелия, то есть минимизирует реакции организма на действие гелия при компрессии. В основном именно это (конечно, наряду с другими причинами) породило трехкомпонентные смеси, которые используются в жилых отсеках барокамер ДП водолазных комплексов и при кратковременных глубоководных спусках. Надо отметить, что роль азота как компонента дыхательной смеси не вполне ясна. Ведь есть зарубежные экспериментальные данные о том, что после четырех часов пребывания человека в нормоксической кислородно-гелиевой среде при нормальном давлении начинались проявления, похожие на симптомы НСВД (тремор, характерные изменения на электроэнцефалограмме). Может быть, отсутствие азота в смеси приводит к такому эффекту?! Значит, азот необходим! Ведь на фоне азота в составе воздуха проходила и продолжается наша эволюция. Кстати, установлено, что и добавление водорода к смеси на основе гелия оказывает противодействие НСВД.
Таким образом, соблюдая режим компрессии трехкомпонентными смесями, минимизируются проявления НСВД, которые, как и азотный наркоз, и плотность, и токсичность кислорода, отрицательно влияют на работоспособность водолаза.
Водолазные ДГС можно разделить на две группы: предназначенные для спусков методом КП и методом ДП. Принципиальных различий по газовому составу ДГС между ними нет. В обеих группах используется кислород с одним или двумя инертными газами – азот и гелий. Разница состоит лишь в количественном соотношении газов в смеси. При этом соблюдается важный принцип – снижение процентного содержания кислорода в смеси с увеличением глубины, чтобы парциальное давление кислорода сохранилось на заданном оптимальном для данной смеси и глубины уровне.
При спусках на малые и средние глубины методом КП в основном используется воздух. Формально – это смесь кислорода с азотом. Но не искусственная, а природой созданная смесь. Поэтому использование воздуха лимитируется глубиной, на которой не был бы превышен порог токсичности кислорода и азотный наркоз не ограничивал бы эффективность работы водолаза. С учетом этого в России допускается глубина не более 60 метров, хотя в большинстве стран она не превышает 55 метров, что является более обоснованным.
В некоторых искусственных водолазных дыхательных смесях чистый воздух используется как один из компонентов смеси. Это воздушно-кислородные смеси (ВКС), когда воздух смешивается с кислородом и, по сути, получается двухкомпонентная кислородно-азотная смесь (КАС – найтрокс) и воздушно-гелиевые смеси (ВГС), когда воздух добавляется к гелию и получается трехкомпонентная кислородно-азотно-гелиевая смесь (КАГС – тримикс). Конечно, ДГС можно приготовить и из отдельных чистых газов. Но методически это сложней и дороже. Однако при подготовке спусков методом ДП дыхательная среда в отсеках барокамер формируется путем смешивания газовых компонентов, кроме использования воздуха на начальном этапе компрессии.
Кислород также является компонентом водолазных ДГС. Но это особый, обязательный, компонент, который в чистом виде, без других газовых добавок, с ограничениями может использоваться для дыхания. Поэтому кислород можно считать однокомпонентной дыхательной средой. Его действие на организм сохраняется практически независимо от состава ДГС. Парциальное давление кислорода является главным параметром оптимизации любых водолазных дыхательных газовых смесей.
Основные ДГС, используемые в России при водолазных спусках на малые, средние и большие глубины методом КП, приведены в таблице.
Дыхательная газовая среда в отсеках барокамер водолазных комплексов длительного пребывания подразделяется в зависимости от глубин – до и более 40 метров. При спусках методом ДП на глубины до 40 м используется двухкомпонентная кислородно-азотная смесь (КАС) с РО2 0,3±0,01 кгс/см2 или кислородно-азотно-гелиевая смесь (КАГС) с РО2 0,25±0,01 кгс/ см2 и парциальным давлением азота 1,0±0,2 кгс/ см2. Для глубин более 40 метров парциальное давление кислорода в смеси незначительно повышается – до 0,27–0,35 кгс/см2 в зависимости от глубин.
При работе на грунте на больших глубинах водолазу (акванавту) на дыхание подается двухкомпонентная кислородно-гелиевая смесь (КГС – гелиокс) с РО2 0,65±0,05 кгс/см2 и 1,2±0,05 кгс/см2 в зависимости от типа дыхательного аппарата (с открытой или полузамкнутой схемой дыхания). Расчеты показывают, что плотность КГС с парциальным давлением кислорода 0,65 кгс/см2 несколько ниже плотности ДГС в жилом отсеке барокамеры ДП судового водолазного комплекса под давлением, эквивалентным глубинам в диапазоне 100–500 м. Это очень важно, учитывая, что дыхательный аппарат сам представляет собой сопротивление дыханию, которое повышает нагрузку на дыхание акванавта. В результате общая нагрузка на дыхание, обусловленная плотностью ДГС и сопротивлением аппарата, мало отличается от нагрузки в отсеке барокамеры, что не приводит к большому накоплению СО2 в организме. Даже при дыхании на грунте кислородно-гелиевой смесью с РО2 =1,2 кгс/ см2 ее плотность незначительно превышает величину в отсеке, что некритично для дыхания. Кроме того, при дыхании гипероксической КГС токсическое действие кислорода ослабляется, так как СО2 накапливается меньше из-за меньшей плотности. Эти благоприятные для организма условия обусловлены тем, что в смеси нет азота.
Гипероксия при этом целесообразна, так как поддерживает физическую работоспособность водолаза и при соблюдении режимов работы под водой не приводит к отравлению кислородом, поскольку время работы на грунте не превышает допустимое.
Неврологических расстройств при выходе в воду из условий ДП, в отличие от кратковременных спусков, не наблюдается. Их и не должно быть, так как водолаз на грунте выполняет работу при том же самом давлении, что и в жилом отсеке барокамеры водолазного комплекса, где эти расстройства, если они и были, ликвидируются в процессе выдержки под давлением.
Все эти искусственные дыхательные смеси имеют свои лимиты по глубинам и длительности дыхания, которые отражены в рабочих режимах. Для каждой смеси соблюдены допустимые величины парциальных давлений кислорода и азота вплоть до максимальной глубины их использования (см. таблицу). В смесях на основе азота и гелия (КАГС), предназначенных для глубоководных спусков, проявляется физиологический антагонизм этих газов. Гелий снижает плотность смеси и ограничивает наркотический эффект азота, так как большая его часть замещается гелием. Азот, в свою очередь, блокирует признаки НСВД, улучшает теплообмен и речевую связь с водолазом. В этом и состоит физиологическая суть оптимизации водолазных ДГС.
Конечно, рассмотренные физиологические принципы разработки ДГС относятся не только к смесям, предназначенным для дыхания при работе под водой или в барокамере. Есть не менее важная категория смесей, предназначенных для декомпрессии, лечебной рекомпрессии и работы со смесевыми аппаратами замкнутого цикла. Эти смеси могут отличаться от рабочих водолазных не только по газовому составу, но и по количественному соотношению компонентов в смеси, особыми схемами их использования (сменная подача другой смеси, изменение состава смеси в процессе дыхания, длительность использования данной смеси на остановках и др.) в целях профилактики, лечения декомпрессионного заболевания и сокращения времени декомпрессии.
Но это другая проблема, требующая отдельного рассмотрения.
Автор: Яхонтов Б.О., заведующий лабораторией гипербарической физиологии Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН
