1. Давление и растворение газов

Человек — существо с очень высокой организацией и чрезвы­чайно сложными физиологическими функциями. Чтобы лучше понять происходящие в его организме физические, точнее, биофи­зические, явления в условиях, отличающихся от атмосферных, нуж­но представить себе его анатомию.

Человек дышит легкими, которые можно уподобить мешку из пористой ткани. Такое их свойство позволяет газу легко диффун­дировать изнутри кнаружи и наоборот. Мешок окружен жидкостью, имеющей постоянную температуру 37° С. Эта жидкость, кровь, или же внутренняя среда, омывает органы вплоть до их самой мельчай­шей частички — клетки и доставляет им элементы, необходимые для поддержания жизни. Жидкий посредник удаляет продукты распада, образующиеся в организме в результате бесчисленных химических реакций. Так циркулируют в связанном или растворенном состоянии кислород, поглощаемый легкими, и углекислый газ, выра­батываемый клетками в процессе распада углеводов.

Растворение газов. Уподобив легкие мешку, поместим его в определенные условия. Предположим, что мешок наполнен каким-нибудь чистым газом, например азотом. Давление окружающей сре­ды 1 кг/см², то есть 1 атм. Температура постоянная, 37° С.

Азот, пройдя сквозь пористую ткань, растворится в окружающей ее жидкости. Физические законы растворения газов гласят, что количество растворенного газа на единицу объема жидкости зависит от (1) свойств газа, (2) свойств жидкости, (3) температуры, (4) давления, (5) времени.

Здесь мы имеем четыре постоянных фактора — азот, жидкость, температуру и давление. В этих условиях состояние насыщения, то

есть момент, когда единица объема жидкости растворит максималь­ное количество газа, будет достигнуто через определенный и неиз­менный промежуток времени. Но на это явление наслаивается второй процесс — растворение. Внутренняя среда омывает органы, состоящие из тканей и клеток, которые должны считаться тоже жидкостями, ибо они, в свою очередь, будут растворять азот. Рас­творение произойдет в тех же условиях температуры и давления; газ не изменился, но свойства растворителя иные, поскольку одни ткани богаты водой, а другие состоят главным образом из жиров, иногда чрезвычайно сложных. Время насыщения для каждой ткани будет различно. Однако настанет момент, когда весь комплекс будет насыщен и установится равновесие:

Наружный газ ↔ внутренняя среда ↔ органы (или ткани)

Равновесие не нарушится, если все условия будут постоянными; оно может быть выражено и следующим образом:

Давление наружного газа ↔ концентрация газа внутренней среды ↔ концентрация в тканях

Это, конечно, упрощенное изложение, но оно имеет целью обобщить происходящие в организме процессы.

Их можно обобщить и таким образом:

и , где и - константы.

Теперь изменим одно из условий и в качестве переменной возь­мем наружное давление. Оно может, предположим, учетвериться и, следовательно, дойти до 4 кг/см². Представим себе, что каждая молекула азота — маленькая пружинка, острие которой пытается проникнуть в жидкость. Тогда количество пружин, упирающихся в единицу поверхности, тоже учетверится. В результате и концен­трация азота, растворенного во внутренней среде, увеличится:

в 4 раза.

Все это ясно отражено в законе растворения газов в жидкости, или законе Генри — Дальтона: «Количество газа, растворенного в жидкости при данной температуре, прямо пропорционально дав­лению, оказываемому этим газом на жидкость».

Увеличение концентрации азота во внутренней среде отразится, с некоторой задержкой, на органах и тканях, которые тоже начнут растворять газ и приблизятся к состоянию равновесия, то есть насыщения, так что:

↔ и ↔

И можно сказать, что отношение давлений изменяется как отношение концентрации и .

Необходимо уточнить эти понятия, отметив, что состояние насы­щения одной и той же жидкости одним и тем же газом в одних и тех же условиях температуры достигается через точно определен­ное время, которое неизменно и не зависит от давления. Для такого сложного организма, каким является человек, состояние полного насыщения в чистом азоте будет достигнуто через 7—12 час. Следу­ет считать, что ткани придут в состояние равновесия к концу седь­мого часа пребывания под давлением. Дальше уже ничего не растворится.

Выделение газов. После того как мы повысили давление в четыре раза, можно изменить условия опыта, возвратись к исход­ному состоянию, то есть к 1 атмосфере. Это можно сделать тремя способами: 1) мгновенно, 2) постепенно, но в отрезок времени, меньший, нежели время насыщения, и 3) еще более медленно, за время равное или большее, чем то, что необходимо для насыщения.

В первом случае сразу же нарушится равновесие, константа

соотношения не сохранится, и оно быстро превратится в .

Следовательно, 3/4 молекул азота, находившихся в растворе (по­скольку давление уменьшилось от 4 до 1), снова переходит в газо­вое состояние. Жидкость словно вскипает, как в откупоренной бутылке с газированной водой. Все последующие явления, происхо­дящие в жидкости, несравнимы по эффективности с таким «взры­вом».

Во втором случае происходит постепенное уменьшение давле­ния, но в меньший отрезок времени, чем требуется для полного удаления избыточного азота из всех тканей. Концентрация во внутренней среде систематически уменьшается — настолько медлен­но, что газовые пузырьки не образуются. Однако этот процесс не одинаков во всех тканях, в частности тех, где азот наиболее раство­рим, например, из-за обилия в них жира. Там возникает нарушение равновесия, отношение превращается тогда в и

константа не сохраняется, так что в организме могут образоваться пузырьки.

В третьем случае время, затраченное на приведение давления от 4 к 1 атм, будет равно времени, необходимому для удаления всего избыточного азота и постепенного перехода концентрации к . Выделение газа происходит путем диффузии и не имеет опасных последствий.

Согласно теоретической, весьма схематической модели, мы можем заменить азот другим газом, причем закон Генри — Дальтона также подтвердится, но только при условии, что это будет не живой организм и, следовательно, физические явления не будут нарушены метаболическими реакциями.

Смесь азот — кислород. Теперь заменим азот воздухом, состоящим из 80% азота и 20% кислорода. Оба газа будут раство­ряться независимо друг от друга и соответственно давлению, которое оказывает каждый из них.

Что происходит? Мы можем представить воздух, содержащийся в мешке, как 100 маленьких заостренных пружинок двух типов.. 80 из них будут азотом, а 20 кислородом. 80 азотных пружинок ста­нут действовать так, как если бы они были одни, и, повинуясь зако­ну Генри — Дальтона, проникнут в жидкость пропорционально дав­лению, которое они на нее оказывают. То же произойдет и с 20 кис­лородными пружинками. Поскольку общее давление равно 100 пру­жинкам, парциальное давление азота и кислорода будет 80 и 20 или— если привести это к атмосферной единице — соответственно 0,8 и 0,2 атм. Путем обобщения мы можем определить парциальное давление газа в смеси, памятуя закон Генри—Дальтона: «Парци­альное давление газа в смеси — это давление, которое он имел бы, если бы занимал весь объем смеси; оно равно общему дав­лению смеси, умноженному на процент содержащегося в ней газа».

Так, из закона Генри — Дальтона мы знаем, что азот воздуха (79%) растворится при общем давлении 1 кг/см² пропорционально своему парциальному давлению 0,79 кг/см². Для кислорода оно будет 0,21 кг/см². При общем давлении воздуха 2 кг/см² парциаль­ное давление азота 1,58 кг/см², и его переход в раствор будет зави­сеть от этого давления. Парциальное давление кислорода составит в этом случае 0,42 кг/см².

В смеси, состоящей из 10% азота и 90% кислорода под общим давлением 3 кг/см², парциальное давление азота будет 0,3 кг/см², а кислорода 2,7 кг/см².

Дыхательный процесс и газообмен. Для лучшего понимания различных явлений, возникающих при газообмене: рас­творения, соединения и выделения, как при атмосферном, так и при повышенном давлении, надо вкратце описать дыхательные про­цессы.

Легкие представляют собой мехи с обширной поверхностью, со­стоящей из мелких вторичных мешочков — альвеол, которые обес­печивают тесный контакт между внешней и внутренней газовой средой. В них происходит непрерывный обмен, и состав газов до и после выдоха отражает первичные и конечные этапы ряда реакций, происходящих в крови, тканях и клетках.

В течение нескольких секунд воздух, состоящий из 20,79% кис­лорода, 78,42% азота, 0,03% углекислого газа и 0,76% водяного пара, преобразуется в смесь, которая содержит всего 15,26% кисло­рода и 74,24% азота, но в которой содержание углекислого газа равно 4,219%, а водяного пара 6,19%. Можно сказать, что организм выделяет углекислый газ и воду.

Кровь покидает легкие, насыщенная кислородом и азотом и освобожденная от избытка углекислого газа. После ее перераспре­деления сердцем по органам она доходит до тка­ней по мельчайшим капиллярам.

Процессы осмоса и взаимопроникновения жидкостей происходят непрерывно, так что в клетках всегда осуществляется обмен. Кровь снабжает ткани кислородом благодаря разнице парциальных давле­ний и в силу той же причины получает углекислый газ.

Выдыхание водяного пара, относящееся к чисто физическим процессам, играет важную роль в уравновешивании парциальных давлений газов, но во время погружения не имеет особого значения.

Азот не участвует ни в одной метаболической реакции, он ведет себя как нейтральный газ и при постоянном давлении концентрация азота во внутренней среде постоянна, следовательно, состояние равновесия не нару­шается.

Когда давление повышается, общая схема не меняется. Газы растворяются и насыщают внутреннюю среду пропорционально своим парциальным давлениям.

При уменьшении давления происходят противоположные реак­ции — газы стремятся выйти из раствора. Однако имеется некото­рая разница.

Многочисленные измерения, произведенные в физиологических лабораториях, показали, что при дыхании воздухом парциальное давление кислорода в альвеолах при общем давлении 1 кг/см² равно в среднем 130 г/см². Напряжение (или парциальное давление) того же газа, растворенного или связанного, в венозной крови, то есть топ, которая снова вступает в контакт с альвеолярным воздухом, завершив свой кругооборот в организме, равно примерно 50 г/см². Допустим, что парциальное давление альвеолярного кислорода (РО₂) увеличилось во время компрессии в 3 раза; парциальное давление растворенного газа также увеличилось в 3 раза. Следова­тельно, при давлении 3 атм РО₂ венозной крови будет равно 150 г/см². Резкий возврат к атмосферному давлению никогда не вызовет газо­образования, поскольку разница парциальных давлений не очень значительна, а главное, атмосферное давление слишком велико, чтобы дать образоваться пузырям кислорода в крови или тканях. Для того чтобы произошло полное высвобождение газа, парциаль­ное давление кислорода должно быть более 1 кг/см² и тогда, в силу поглощения этого газа тканями, всякий вновь образовавшийся пузырек будет быстро рассасываться.

Иначе обстоит дело с азотом. При атмосферном давлении пар­циальное давление азота в легочных альвеолах равно примерно 750 г/см² и в венозной и артериальной крови и в тканях его парциальное давление также равно 750 г/см². Достаточно повы­сить общее давление вдвое, чтобы после периода насыщения достигло 1,5 кг/см², без какой-либо возможности поглощения в ре­зультате химических процессов. Быстрое возвращение к давлению в 1 атм приводит к резкому нарушению равновесия. С одной сторо­ны, крови выше, чем легочного воздуха, а с другой — оно выше общего давления. Таким образом, создаются все условия для активного выделения азота в виде пузырей.

Это беглое описание процессов растворения, соединения и выде­ления вдыхаемых газов под давлением показывает, что:

• когда давление повышается, газы начинают растворяться во внутренней

среде, а затем в тканях пропорционально их парциаль­ным давлениям, и растворяются до тех пор, пока не будет достиг­нуто равновесие;

• при декомпрессии выделение газов зависит от разницы меж­ду их

парциальными давлениями во внутренней среде и в дыха­тельной газовой смеси;

• это выделение может начаться внезапно, если парциальное давление

растворенного газа окажется больше, чем общее давление наружной среды в случае применения смеси.

Разбавители кислорода, находящиеся в большей пропорции в искусственных газовых смесях, нейтральны и не участвуют ни в одной химической реакции. Следовательно, время их выделения в период декомпрессии может быть определено совершенно точно.