Болезнь высоты и болезнь глубины

С. АЛЬТШУЛЕР

«Сильнее чувствуется высота. Дышать становится труднее, через каждые 20—30 шагов отдыхаешь... Идем медленнее. Легкая апатия, безразличие ко всему — неотъемлемый признак «горнянки» — туманит голову...» (Марк Айзерман, участник массового восхождения на Эльбрус в 1933 г.).

В 1875 г. трое французских ученых — Крос-Спинелли, Зивель и Тиссандье — совершали подъем на воздушном шаре. Аэронавты экономили кислород, потому что запас кислорода на воздушном шаре был невелик. На высоте 7 500 м при давлении 300 мм шар перестал подниматься. Зивель спросил своих товарищей, согласны ли они подниматься дальше, и, получив согласие, сбросил балласт. В записной книжке Тиссандье сделана запись: «Т—10°, барометр, давл. — 300. Зивель бросает балласт. Зивель бросает балласт». Почерк очень неразборчив, повторение слов характерно для состояния, наступающего при резком недостатке кислорода. Тем не менее подъем продолжался. Тиссандье попытался взять в рот мундштук кислородной трубки, но его рука не двигалась. Несмотря на это, он не сознавал опасности и был счастлив, что подъем продолжается. Шар в конце концов опустился, но Крос-Спинелли и Зивель были мертвы, а Тиссандье в обмороке. Они были парализованы прежде, чем попытались дышать кислородом.

Признаки горной болезни — насморк; головные боли, иногда поносы и всегда депрессия (упадок сил, безразличие) — появляются обычно через несколько часов после того, как количество кислорода в воздухе становится ниже нормального.

Развитие авиации заставило и ученых, и практиков заняться изучением дыхания.

Развитие техники водолазного дела также явилось толчком к изучению дыхания.

Трое французских ученых — Крос-Спинелли, Зивель и Тиссандье — во время полета на воздушном шаре в 1875 г.

*

«Из веществ, необходимых для сохранения жизни и деятельности, пожалуй, наиболее важным является кислород. Удивительно, что организм имеет так мало запасов столь необходимого элемента. Больше того, по мере перехода к более высокоорганизованным формам жизни все увеличивается зависимость организма от непосредственного снабжения кислородом: анаэробы (так называются микробы, живущие без кислорода и умирающие на воздухе) могут жить без кислорода всегда, лягушки — дни, человек — минуты», пишет английский физиолог Баркрофт. Действительно, в нашем организме откладываются запасы пищи и воды на часы и дни, а резервы кислорода истощаются в 2—3 минуты, после чего наступает смерть. Это и понятно, ведь воздух, в противоположность пище и воде, всегда имеется в нашем распоряжении. Поэтому во время эволюции человека выработалась способность откладывать запасы воды и пищи, а в запасах кислорода не было нужды.

Когда Лавуазье открыл, что горение происходит при помощи кислорода, стали проводить аналогию между горением и теми процессами, которые происходят в наших мускулах, в железах и вообще во всех живых тканях во время работы. И для горения, и для поддержания жизни нужен кислород. И при горении, и при работе мускулов образуется тепло. Но уже давно биологам стал известен и другой факт: и без присутствия кислорода возможна работа мышц. Так, например, мышца лягушки может сокращаться при раздражении ее в атмосфере азота или в вакууме (безвоздушном пространстве). Чтобы согласовать эти два противоречивых факта, предположили, что кислород сохраняется в организме в тканях, в молекулах живого вещества.

Но в начале XX в. в представлении биологов о значении кислорода для живого организма произошла целая революция. Было установлено, что при сокращении мышцы не образуется углекислый газ, в то время как при горении органических веществ он образуется. Из этого был сделан вывод, что источником энергии для сокращения мышц служит не сгорание органических веществ, а какая-то другая реакция, т. е. что нельзя провести аналогию между горением и работой мышц.

Далее было установлено, что мышцы черпают энергию для своей работы в химических реакциях разложения сложных органических веществ на более простые.

Возник новый вопрос: для чего же тогда нужен кислород?

Напряженная физическая работа утомляет. Когда попробовали кровь очень уставшей собаки перелить другой собаке, то обнаружилось, что вместе с кровью второй собаке передалась усталость первой. Начали производить исследования химического состава мышцы до и после работы. Анализы показали, что если заставлять сокращаться мышцу в атмосфере азота, то в ней быстро исчезает гликоген — вещество, очень близкое к крахмалу, — и образуется много молочной кислоты. При этом мышца сравнительно скоро перестает сокращаться, она истощается. Если же через сосуды мышцы пропускать жидкость с растворенным в ней кислородом, гликоген исчезает гораздо медленнее, молочная кислота не накапливается, и мышца работает дольше. Молочная кислота, образующаяся при работе мышц, — вещество, отравляющее организм, вызывающее чувство усталости. Реакция образования молочной кислоты протекает без участия кислорода. И только после того как мышца сократилась и образовалась молочная кислота, начинается другая реакция, главную роль в которой играет кислород. В присутствии кислорода часть молочной кислоты сгорает, и при этом освобождается энергия, которая частично выделяется в виде тепла в окружающую среду, а частично идет на превращение несгоревшей молочной кислоты в гликоген. Вот почему мышца, снабжающаяся кислородом, работает дольше, чем мышца без кислорода.

Мы рассказали только об одной реакции, происходящей в мышце при работе. На самом деле этих реакций, связанных друг с другом, несколько. Но это не меняет сути дела.

Читатель, вероятно, заметил, что, говоря о роли кислорода, мы до сих пор не остановили своего внимания ни на легких, которыми дышит человек, ни на крови, переносящей кислород из легких к тканям. Сделали мы это не случайно. И легкие, и кровь — это только вспомогательное приспособление для снабжения тканей кислородом. Есть животные, дышащие без легких, например рыбы, есть животные, дышащие без крови, например насекомые, но у всех животных процесс дыхания, протекающий в самих тканях, более или менее одинаков.

В продолговатом мозгу находится дыхательный центр. Это скопление нервных клеток, посылающих свои отростки к мышцам, расширяющим грудную клетку. Когда в тканях наступает недостаток кислорода, в них накапливается молочная кислота. Кислота не остается в тканях, а «вымывается» кровью. В крови растворен углекислый газ, часть которого соединена с натром. Если на соединение натра с углекислым газом подействовать какой-нибудь кислотой, то начнут выделяться пузырьки газа. Поэтому, когда в крови накопляется молочная кислота, она воздействует на соединение углекислого газа с натром, и начинает выделяться углекислый газ, который раздражает дыхательный центр. Результатом такого раздражения являются усиление и учащение дыхательных движений. В легких уменьшается количество углекислого газа и увеличивается содержание кислорода. Это приводит к тому, что углекислый газ быстрее переходит из крови через легкие в воздух, а кислород полнее насыщает кровь, а следовательно, и ткани. Благодаря присутствию большого количества кислорода в тканях перестает накапливаться молочная кислота, перестает выделяться углекислый газ, раздражение дыхательного центра уменьшается, и дыхание становится нормальным. Вот такой сложный автоматический, т. е. независимый от нашей воли, механизм регулирует дыхание так, что частота и глубина дыхательных движений соответствуют потребности организма в кислороде. При мышечной работе в тканях образуются молочная кислота и углекислый газ, и если в окружающем воздухе недостаточно кислорода, в крови скопляется избыток углекислого газа, и вслед за этим наступает одышка — усиление вентиляции легких. То же самое бывает при заболевании сердца, крови или легких, т. е. тогда, когда доставка кислорода к тканям затруднена.

У самого основания черепа, там, где спинной мозг переходит в головной, расположен продолговатый мозг. В продолговатом мозгу заложены центры, без которых невозможна жизнь, — центр дыхания и центр, управляющий работой сердца и кровеносных сосудов.

*

Начало изучению влияния разреженного воздуха на организм положил в 1878 г. крупный физиолог П. Бер. Он сконструировал специальный аппарат, при помощи которого мог произвольно менять внутри колокола давление и количество кислорода. Это позволило Беру решить, наступают ли горная болезнь и смерть при подъеме на большую высоту от уменьшения барометрического давления или от недостатка кислорода. Этот вопрос имел огромное практическое значение. В самом деле, если смерть наступает от низкого барометрического давления, то летчику и альпинисту не поможет никакой кислородный аппарат. Наоборот, если все дело в недостатке кислорода, то достаточно дать летчику баллон с кислородом — и опасность заболеть горной болезнью будет устранена. Бер показал, что если уменьшать давление и одновременно увеличивать содержание кислорода в воздухе, то и очень большое разрежение не вызывает никакой реакции со стороны подопытного животного. Напротив, уменьшение содержания кислорода даже при нормальном давлении быстро вызывает удушье. Таким образом, уже в 1878 г. было установлено, что причиной горной болезни является недостаток кислорода. Однако и до сих пор существует мнение, что само по себе уменьшение абсолютной величины давления может вызвать заболевание. Основано это мнение на том, что при быстром переходе от нормального к очень пониженному давлению появляются болезненные симптомы. Но дело здесь не в низком давлении, как таковом, а в процессе перехода от высокого давления к низкому. Такие же явления наблюдаются при быстром переходе от давления в несколько атмосфер к нормальному (их мы разберем дальше, когда будем говорить о кессонной болезни).

Выкачивая воздух или, наоборот, увеличивая его давление под колпаком, Бер изучал, как действуют на организм высокое и низкое давления.

Уже давно альпинисты заметили, что хорошо тренированные, физически крепкие люди лучше переносят подъем на горы, чем люди слабые, не занимающиеся спортом. Это навело на мысль, что горная болезнь связана с усталостью. Но когда начались полеты на воздушных шарах и аэропланах, при которых подымающиеся люди не утомлялись физически и тем не менее заболевали горной болезнью, это объяснение пришлось оставить. Чем же можно объяснить то, что физическая тренировка облегчает пребывание на больших высотах?

При физической работе потребность тканей в кислороде резко возрастает. Спокойного дыхания не хватает для покрытия этой потребности, точно так же как не хватает спокойного дыхания при уменьшении содержания кислорода в воздухе. Таким образом, существует очень большое сходство между процессами, происходящими в организме во время физической работы, и процессами, которые происходят при приспособлении человека к горному воздуху — при акклиматизации.

При акклиматизации, как и при физической работе, дыхание становится глубже, в крови увеличивается количество гемоглобина и кровь начинает больше поглощать кислорода. Но самым интересным является изменение в способе поглощения кислорода в легких. Знаменитый английский физиолог Холден считает, что, когда мы дышим в спокойном состоянии и при нормальном давлении, кислород из воздуха переходит в кровь через стенки легких, а из крови в воздух переходит углекислый газ, так же как эти газы переходили бы сквозь неживую тонкую пленку. Это чисто физический процесс диффузии (просачивания) газов в сторону меньшего давления. Но когда потребность в кислороде повышается (физическая работа) или его становится мало в окружающем воздухе, начинает действовать новый механизм — физиологический, в отличие от физического. В этом случае кислород не просто просачивается в кровь, а легкие начинают как бы накачивать кислород и выделять углекислый газ. Если организм тренирован, этот запасный механизм работает лучше. «Вот почему физическая работа служит хорошей тренировкой для летчиков», объясняет Холден. Баркроф, Крог и другие ученые отрицают активную роль легких в дыхании. Решение этого интереснейшего вопроса, вероятно, будет дано в ближайшие годы.

Тот же Бер впервые перешел от опытов на животных к опытам на людях. Для этого он построил стальную камеру — прототип наших современных барокамер для испытания и тренировки летчиков. С тех пор было поставлено очень много опытов над людьми в барокамерах. Но хотя мы и можем доводить давление в них до любой величины и таким образом «подымать» людей на любую высоту, условия в барокамерах не вполне соответствуют условиям на больших высотах. Наверху сильное действие на организм оказывают низкая температура и ультрафиолетовые лучи, которых на высоте нескольких километров гораздо больше, чем у поверхности земли. Вот почему даже длительное пребывание в барокамерах не совсем заменяет тренировку высотными полетами.

Стальная камера Бера для изучения действия разреженного воздуха на организм человека.

У поверхности земли барометрическое давление равно 760 мм. На долю кислорода приходится около 1/5 этого давления (150 мм), так как кислорода в воздухе приблизительно 20%. С уменьшением барометрического давления падает и давление кислорода. При низком давлении кровь перестает полностью насыщаться кислородом, и начинается кислородное голодание тканей.

На высоте около 3500 м барометрическое давление воздуха равно приблизительно 480 мм. Давление кислорода на такой высоте настолько мало, что вступают в действие все средства, имеющиеся в распоряжении организма для улучшения снабжения тканей кислородом. Учащается пульс — в единицу времени больше крови проходит через легкие. Недостаток кислорода в тканях вызывает накопление углекислоты в крови, и, как мы уже говорили выше, дыхание становится глубже.

Кривая, показывающая, как падает давление с удалением от поверхности земли. Цифры внизу показывают расстояние от поверхности земли; цифры слева — давление в миллиметрах ртутного столба.

И вот тут наступает предел приспособления организма к малому давлению кислорода. Дыхание усиливается настолько, что, несмотря на недостаток кислорода в воздухе, в крови его становится так много, что содержание в крови углекислого газа, возбуждающего дыхательный центр, падает ниже нормы. В результате этого возбудимость дыхательного центра так сильно понижается, что его нормальная работа нарушается, и даже сильнейший кислородный голод тканей, наступающий после этого, не вызывает больше усиления дыхания. А от недостатка кислорода в первую очередь страдает сам дыхательный центр — он очень скоро истощается, и наступает смерть от остановки дыхания. Итак, недостаток кислорода усиливает дыхание. Усиленное дыхание уменьшает давление углекислого газа в крови настолько, что нарушается правильная работа дыхательного центра. Механизм регулировки дыхания, безотказно работавший у поверхности земли, в необычных условиях работает «слишком хорошо», слишком интенсивно снабжает организм кислородом и приводит к нарушению дыхания. Если на этой высоте начать вдыхать из баллона кислород и тем самым предотвратить чрезмерное усиление дыхания, то организм будет поглощать столько кислорода, сколько нужно для нормального дыхания, и смерть не наступит.

С каждым метром подъема усиливается кислородное голодание тканей. В первую очередь страдает самый нежный орган, головной мозг. Ухудшаются зрение и слух, появляется тошнота, притупляется сознание. При длительном недостатке кислорода наступает паралич конечностей. Но на высоте 7—8 тыс. м, особенно при предварительной тренировке, жизнь еще возможна.

Мы уже знаем, что при нормальном давлении в 760 мм на долю кислорода приходится около 150 мм. При спокойном дыхании давление кислорода в легких значительно меньше — около 100 мм, потому что свежий воздух при каждом вздохе не проникает до самых альвеол — микроскопических мешочков, из которых состоят наши легкие. До тех пор, пока давление кислорода в легких не ниже 100 мм, дыхание остается нормальным. На высоте 10 тыс. м при барометрическом давлении воздуха около 200 мм даже при вдыхании чистого кислорода его давление в легких падает ниже 100 мм. Происходит это потому, что воздух в легких состоит не только из кислорода, — в нем содержится много углекислого газа и водяных паров. Следовательно, при общем давлении воздуха 200 мм на долю кислорода приходится только часть этого давления. Значит, на высоте 10 тыс. м даже вдыхание чистого кислорода при спокойном дыхании не предотвращает кислородного голода тканей, а усиление дыхания вызывает падение содержания углекислого газа в крови и уже знакомую нам картину горной болезни. Чтобы предотвратить вымывание углекислоты из крови, Холден предложил прибавлять к кислороду, которым дышит летчик, углекислый газ. Тогда в легочном воздухе давление углекислоты увеличится и переход этого газа из крови в воздух затруднится. Предложение Холдена было проверено в английском воздушном флоте и дало хорошие результаты. На высоте 16 тыс. м барометрическое давление равно примерно 100 мм. Это предел для подъема с кислородным прибором. Даже при максимально интенсивном дыхании давление кислорода в легких падает на этой высоте ниже 50 мм, и наступает потеря сознания, а затем и смерть от удушья.

Дальнейший подъем возможен только в специальных костюмах и в герметических кабинах, в которых можно сохранять нормальное барометрическое давление на любой высоте. Такие кабины делают на стратостатах.

*

Бер впервые начал изучение и другой болезни, связанной с изменением давления воздуха, так называемой кессонной болезни. Кессоны были предложены для подводных работ французским инженером Тригером в 1840 г., который приспособил водолазный колокол для подводных работ. И кессон, и водолазный колокол — это полые тела, открытые снизу, из которых вода вытесняется сжатым воздухом. Воздух в колокол подается при помощи шланга. Давление воды на глубине 10 м равно 1 атмосфере, на глубине 20 м — 2 атмосферам и т. д. Поэтому воздух водолазу надо подавать под давлением, иначе шланг, по которому подается воздух, будет сжат водой. Водолазы работают при повышенном давлении. При спуске на десятки метров, т. е. при давлении в несколько атмосфер, не наступает никаких расстройств дыхания. Тогда, когда давление кислорода в воздухе становится выше 3 атмосфер, наступает отравление организма... кислородом. Оказалось, что кислород при повышенном давлении — сильный яд, отравляющий нервную систему и вызывающий воспаление легких. Казалось бы, что так же, как горение, которое тем интенсивнее, чем больше кислорода в воздухе, жизнедеятельность организма тоже должна возрастать при высоком давлении кислорода. Но мы уже видели, что аналогия между горением и потреблением кислорода тканями неправильна. Для человека кислород становится опасным только при давлении выше 3 атмосфер. Если водолазу подают обычный воздух, то давление кислорода достигает 3 атмосфер тогда, когда воздух подается под давлением 15 атмосфер (на долю кислорода, как уже говорилось, приходится 1/5 давления). Практически с такими давлениями не работают, так как давление воды достигает 15 атмосфер только на глубине 150 м. Но если водолаз быстро поднимется с большой глубины или рабочий сразу выйдет из кессона, то они заболевают кессонной болезнью, которую правильнее называть болезнью сжатого воздуха. Следовательно, не пребывание под большим давлением опасно, а опасен переход от повышенного давления к нормальному. «В самых худших случаях, — пишет Холден, — водолаз начинает себя чувствовать плохо через несколько минут по возвращении на поверхность: теряет сознание, пульс исчезает, и через короткое время он умирает. В других случаях у него парализуются конечности... В более легких случаях, часто наблюдающихся среди рабочих кессонов, наступает сильная боль в конечностях или во всем теле. Другой очень частый симптом — это зуд кожи».

Глубоко под водой работает рабочий в кессоне. Снизу кессон открыт, но сжатый воздух не дает проникнуть воде в него.

Чем дольше и чем под большим давлением находился человек, тем опаснее ему возвращаться к нормальному давлению. В крови человека, как и во всякой жидкости, растворяется воздух. Чем выше давление, тем больше растворяется воздуха в крови. При уменьшении давления избыток воздуха выделяется из крови. В организме человека и животного при большом давлении насыщаются воздухом не только кровь, но и все ткани. При резком падении давления избыток воздуха образует пузырьки в крови и в тканях. Эти пузырьки и вызывают болезнь сжатого воздуха. Они закупоривают кровеносные сосуды и вызывают застой крови. Но если нарушается снабжение кровью мозга, человек теряет сознание; если закупориваются сосуды сердца — сердце перестает работать. Образование пузырьков газа в спинном мозгу вызывает паралич и сильнейшие боли. Единственный способ лечения этой болезни заключается в том, чтобы человека опять поместить в атмосферу высокого давления, тогда пузырьки сразу поглотятся тканями, и, если еще не наступило непоправимых повреждений, больной выздоравливает.

При быстром падении давления растворенный в крови и тканях углекислый газ образует пузырьки, которые закупоривают сосуды и нарушают работу мозга. На срезе спинного мозга козы, умершей от кессонной болезни, ясно видны пузырьки газа.

Предотвратить заболевание кессонной болезнью можно, понижая давление очень медленно. При пребывании на глубине 60 м в течение получаса безопасный подъем занимает свыше двух часов, что очень утомляет водолаза. Сейчас уже сконструирован особый водолазный колокол, в котором подъем водолазов производится значительно быстрее.

Водолаза, заболевшего кессонной болезнью, вносят в особую камеру с высоким давлением воздуха. При большом давлении пузырьки газа в сосудах и тканях растворяются и водолаз выздоравливает.

В горах люди дышат разреженным воздухом, под водой — сжатым. И то и другое предъявляет человеческому организму требования, которые он не всегда может выполнить. Помочь организму может наука, изучающая процессы, которые в нем вызывает разреженный и сжатый воздух.