Люди все чаще работают на больших высотах. Добыча полезных ископаемых, рекреационные объекты, виды транспорта, сельскохозяйственные занятия и военные походы часто проводятся на большой высоте, и все это требует физической и умственной активности человека. Вся такая деятельность связана с повышенными потребностями в кислороде. Проблема в том, что по мере того, как человек поднимается все выше и выше над уровнем моря, как общее давление воздуха (барометрическое давление, PB) и количество кислорода в окружающем воздухе (та часть общего давления, обусловленная кислородом, PO2) постепенно падают. В результате объем работы, которую мы можем выполнить, постепенно уменьшается. Эти принципы влияют на рабочее место. Например, было обнаружено, что для завершения туннеля в Колорадо на высоте 25 11,000 футов требуется на 4,000% больше времени, чем для аналогичной работы на уровне моря, и на задержку повлиял эффект высоты. Наблюдается не только повышенная мышечная утомляемость, но и ухудшение умственной деятельности. Память, вычисления, принятие решений и суждения — все это ухудшается. Ученые, проводящие расчеты в обсерватории Мона-Лоа на высоте более XNUMX м на острове Гавайи, обнаружили, что им требуется больше времени для выполнения расчетов и они допускают больше ошибок, чем на уровне моря. Из-за увеличения масштабов, масштабов, разнообразия и распространения человеческой деятельности на этой планете все больше людей работают на большой высоте, и влияние высоты становится профессиональной проблемой.
Принципиально важным для профессиональной работоспособности на высоте является поддержание снабжения тканей кислородом. У нас (и у других животных) есть защита от низкого содержания кислорода (гипоксии). Главным из них является учащение дыхания (вентиляции), которое начинается, когда давление кислорода в артериальной крови (PaO2) уменьшается (гипоксемия), присутствует на всех высотах над уровнем моря, прогрессирует с высотой и является нашей наиболее эффективной защитой от низкого содержания кислорода в окружающей среде. Процесс, при котором дыхание учащается на большой высоте, называется дыхательная акклиматизация. Важность этого процесса можно увидеть на рисунке 1, который показывает, что давление кислорода в артериальной крови у акклиматизированных лиц выше, чем у неакклиматизированных. Кроме того, важность акклиматизации для поддержания артериального давления кислорода постепенно возрастает с увеличением высоты. Действительно, неакклиматизированный человек вряд ли выживет на высоте более 20,000 29,029 футов, тогда как акклиматизированные люди смогли подняться на вершину горы Эверест (8,848 XNUMX футов, XNUMX XNUMX м) без искусственных источников кислорода.
Рисунок 1. Вентиляционная акклиматизация
Механизм
Стимул для увеличения вентиляции на большой высоте в значительной степени и почти исключительно возникает в ткани, которая контролирует давление кислорода в артериальной крови и содержится в органе, называемом каротидным телом, размером примерно с булавочную головку, расположенном в точке разветвления. в каждой из двух сонных артерий, на уровне угла челюсти. Когда давление кислорода в артериальной крови падает, нервоподобные клетки (клетки хеморецепторов) в каротидном теле ощущают это снижение и увеличивают скорость возбуждения по 9-му черепному нерву, который передает импульсы непосредственно в центр управления дыханием в стволе головного мозга. Когда дыхательный центр получает повышенное количество импульсов, он стимулирует увеличение частоты и глубины дыхания через сложные нервные пути, которые активируют диафрагму и мышцы грудной стенки. В результате увеличивается количество воздуха, вентилируемого легкими, рисунок 2, что, в свою очередь, способствует восстановлению артериального давления кислорода. Если субъект дышит кислородом или воздухом, обогащенным кислородом, происходит обратное. То есть хеморецепторные клетки снижают скорость возбуждения, что снижает нервный трафик к дыхательному центру, и дыхание уменьшается. Эти маленькие органы по обе стороны шеи очень чувствительны к небольшим изменениям давления кислорода в крови. Кроме того, они почти полностью отвечают за поддержание уровня кислорода в организме, поскольку, когда они оба повреждены или удалены, вентиляция больше не увеличивается, когда уровень кислорода в крови падает. Таким образом, важным фактором, контролирующим дыхание, является давление кислорода в артериальной крови; снижение уровня кислорода приводит к учащению дыхания, а повышение уровня кислорода приводит к замедлению дыхания. В каждом случае результатом является стремление организма поддерживать постоянный уровень кислорода в крови.
Рисунок 2. Последовательность действий при акклиматизации
Динамика времени (факторы, препятствующие увеличению вентиляции на высоте)
Кислород необходим для устойчивого производства энергии, и когда поступление кислорода к тканям снижается (гипоксия), функция тканей может угнетаться. Из всех органов мозг наиболее чувствителен к недостатку кислорода, и, как отмечалось выше, центры центральной нервной системы играют важную роль в контроле дыхания. Когда мы дышим смесью с низким содержанием кислорода, первоначальной реакцией является увеличение вентиляции, но примерно через 10 минут это увеличение до некоторой степени притупляется. Хотя причина этого притупления неизвестна, его предполагаемой причиной является угнетение некоторых центральных нервных функций, связанных с вентиляционным путем, и было названо гипоксическая дыхательная недостаточность. Такая депрессия наблюдается вскоре после подъема на большую высоту. Депрессия преходящая, длится всего несколько часов, возможно, из-за некоторой адаптации тканей в центральной нервной системе.
Тем не менее некоторое усиление вентиляции обычно начинается сразу же после подъема на большую высоту, хотя для достижения максимальной вентиляции требуется время. По прибытии на высоту повышенная активность каротидного тела пытается увеличить вентиляцию и, таким образом, поднять артериальное давление кислорода обратно до значения на уровне моря. Однако это ставит тело перед дилеммой. Учащение дыхания вызывает повышенное выделение углекислого газа (CO2) в выдыхаемом воздухе. Когда СО2 находится в тканях организма, образует кислый водный раствор, и когда он теряется с выдыхаемым воздухом, жидкости организма, включая кровь, становятся более щелочными, что приводит к изменению кислотно-щелочного баланса в организме. Проблема в том, что вентиляция регулируется не только для поддержания постоянного давления кислорода, но и для поддержания кислотно-щелочного баланса. СО2 регулирует дыхание в направлении, противоположном кислороду. Таким образом, когда СО2 давление (т. е. степень кислотности где-то в дыхательном центре) повышается, вентиляция повышается, а когда оно падает, вентиляция падает. По прибытии на большую высоту любое усиление вентиляции, вызванное низким содержанием кислорода, приведет к снижению уровня CO.2 давление, вызывающее алкалоз и препятствующее увеличению вентиляции (рис. 2). Поэтому дилемма по прибытии заключается в том, что организм не может поддерживать постоянство как давления кислорода, так и кислотно-щелочного баланса. Людям требуется много часов и даже дней, чтобы восстановить надлежащее равновесие.
Один из методов восстановления баланса заключается в том, что почки увеличивают выделение щелочного бикарбоната с мочой, что компенсирует потерю кислотности при дыхании, тем самым помогая восстановить кислотно-щелочной баланс организма до уровня моря. Почечная экскреция бикарбоната является относительно медленным процессом. Например, при переходе с уровня моря на высоту 4,300 м (14,110 3 футов) акклиматизация занимает от семи до десяти дней (рис. XNUMX). Это действие почек, уменьшающее щелочное ингибирование вентиляции, когда-то считалось основной причиной медленного увеличения вентиляции после всплытия, но более поздние исследования отводят доминирующую роль прогрессирующему увеличению чувствительности гипоксической чувствительности. способность каротидных тел в первые часы или дни после подъема на высоту. Это интервал от дыхательная акклиматизация. Процесс акклиматизации, по сути, позволяет увеличить вентиляцию в ответ на низкое давление кислорода в артериальной крови, даже если CO2 давление падает. По мере увеличения вентиляции и CO2 давление падает с акклиматизацией на высоте, в результате происходит и сопутствующее повышение давления кислорода в альвеолах легких и в артериальной крови.
Рис. 3. Динамика респираторной акклиматизации у испытуемых на уровне моря на высоте 4,300 м над уровнем моря.
Из-за возможности преходящего гипоксического угнетения дыхания на высоте, а также из-за того, что акклиматизация - это процесс, который начинается только при входе в среду с низким содержанием кислорода, минимальное артериальное давление кислорода возникает по прибытии на высоту. После этого артериальное давление кислорода повышается относительно быстро в первые дни, а затем увеличивается медленнее, как показано на рис. 3. Поскольку гипоксия ухудшается вскоре после прибытия, вялость и симптомы, сопровождающие пребывание на высоте, также ухудшаются в первые часы и дни. . При акклиматизации обычно развивается восстановленное самочувствие.
Время, необходимое для акклиматизации, увеличивается с увеличением высоты, что согласуется с концепцией о том, что большее увеличение вентиляции и коррекция кислотно-щелочного баланса требуют более длительных интервалов для почечной компенсации. Таким образом, в то время как аборигену уровня моря может потребоваться от трех до пяти дней, чтобы акклиматизироваться на высоте 3,000 м, для высот выше 6,000–8,000 м полная акклиматизация, даже если это возможно, может занять шесть недель или более (рисунок 4). Когда акклиматизированный к высоте человек возвращается на уровень моря, происходит обратный процесс. То есть давление кислорода в артериальной крови теперь повышается до уровня моря, а вентиляция падает. Теперь меньше CO2 выдох, и СО2 повышается давление в крови и в дыхательном центре. Кислотно-щелочной баланс изменяется в кислую сторону, и почки должны удерживать бикарбонат для восстановления баланса. Хотя время, необходимое для потери акклиматизации, не так хорошо изучено, кажется, что оно требует примерно такого же продолжительного интервала, как и сам процесс акклиматизации. Если это так, то возвращение с высоты гипотетически дает зеркальное отражение набора высоты, за одним важным исключением: артериальное давление кислорода сразу же становится нормальным при спуске.
Рисунок 4. Влияние высоты на барометрическое давление и PO2 во вдыхаемом воздухе.
Изменчивость среди людей
Как и следовало ожидать, люди различаются по времени, необходимому для дыхательной акклиматизации на определенной высоте, и по степени ее интенсивности. Одной из очень важных причин является большая вариабельность вентиляционной реакции на гипоксию у разных людей. Например, на уровне моря, если держать CO2 постоянное давление, чтобы оно не мешало дыхательной реакции на низкое содержание кислорода, у некоторых нормальных людей увеличение вентиляции незначительно или отсутствует, в то время как у других наблюдается очень большое (до пяти раз) увеличение. Вентиляционная реакция на вдыхание смеси с низким содержанием кислорода, по-видимому, является врожденной характеристикой человека, потому что члены семьи ведут себя более одинаково, чем люди, не являющиеся родственниками. Те люди, которые имеют плохую дыхательную реакцию на низкий уровень кислорода на уровне моря, как и ожидалось, также, по-видимому, имеют меньшую дыхательную реакцию с течением времени на большой высоте. Могут быть и другие факторы, вызывающие индивидуальную вариабельность акклиматизации, такие как вариабельность величины угнетения дыхания, функции дыхательного центра, чувствительности к кислотно-щелочным изменениям и почечной обработки бикарбоната, но они не имеют значения. был оценен.
Размещение
Плохое качество сна, особенно до дыхательной акклиматизации, является не только распространенной жалобой, но и фактором, снижающим эффективность труда. Акту дыхания мешают многие вещи, включая эмоции, физическую активность, прием пищи и степень бодрствования. Вентиляция снижается во время сна, а способность к дыханию стимулируется низким содержанием кислорода или высоким содержанием CO.2 также уменьшается. Частота дыхания и глубина дыхания уменьшаются. Кроме того, на большой высоте, где в воздухе меньше молекул кислорода, количество кислорода, хранящегося в альвеолах легких между вдохами, меньше. Таким образом, если дыхание останавливается на несколько секунд (так называемое апноэ, что является обычным явлением на большой высоте), давление кислорода в артериальной крови падает быстрее, чем на уровне моря, где, по существу, резервуар для кислорода больше.
Периодическая остановка дыхания почти универсальна в течение первых нескольких ночей после подъема на большую высоту. Это отражение дыхательной дилеммы высоты, описанной ранее, работающей циклически: гипоксическая стимуляция увеличивает вентиляцию, которая, в свою очередь, снижает уровень углекислого газа, тормозит дыхание, и усиливает гипоксическую стимуляцию, которая снова стимулирует вентиляцию. Обычно наблюдается период апноэ продолжительностью от 15 до 30 секунд, за которым следует несколько очень глубоких вдохов, которые часто ненадолго пробуждают субъекта, после чего снова возникает апноэ. Артериальное давление кислорода иногда падает до тревожного уровня в результате периодов апноэ. Могут быть частые пробуждения, и даже при нормальном общем времени сна его фрагментация ухудшает качество сна, создавая впечатление беспокойной или бессонной ночи. Подача кислорода устраняет цикличность гипоксической стимуляции, а алкалотическое торможение отменяет периодическое дыхание и восстанавливает нормальный сон.
В частности, мужчины среднего возраста также подвержены риску другой причины апноэ, а именно перемежающейся обструкции верхних дыхательных путей, которая является частой причиной храпа. В то время как перемежающаяся обструкция в задней части носовых ходов обычно вызывает только раздражающий шум на уровне моря, на большой высоте, где в легких имеется меньший резервуар кислорода, такая обструкция может привести к очень низким уровням артериального давления кислорода и плохому сну. качество.
Прерывистое воздействие
Бывают рабочие ситуации, особенно в Андах Южной Америки, когда рабочий должен провести несколько дней на высоте более 3,000—4,000 м, а затем провести несколько дней дома, на уровне моря. Конкретные графики работы (сколько дней нужно провести на высоте, скажем, от четырех до четырнадцати, и сколько дней, скажем, от трех до семи, на уровне моря) обычно определяются экономическими условиями рабочего места больше, чем соображениями здоровья. Однако фактором, который следует учитывать в экономике, является интервал, необходимый как для акклиматизации, так и для потери акклиматизации к рассматриваемой высоте. Особое внимание следует обращать на самочувствие работника и его работоспособность по прибытии и в первый или два дня после него, а также на утомляемость, время, необходимое для выполнения рутинных и нестандартных функций, и допущенные ошибки. Также следует рассмотреть стратегии, позволяющие свести к минимуму время, необходимое для акклиматизации на высоте, и улучшить работу в часы бодрствования.