Опишем еще одну лабораторию, с которой, очевидно, придется познакомиться людям, стремящимся стать космонавтами. Речь идет о лаборатории пониженного давления — так называемой баролаборатории.
Представьте себе металлическую четырехугольную (или цилиндрическую) камеру с герметически закрывающейся дверью. Внутренний объем ее невелик — несколько менее 10 кубических метров. Правда, бывают и значительно большие барокамеры. Принцип работы такой камеры очень прост. К ней подведены две трубы, одна из них идет к вакуумному насосу, другая связывает внутренний объем барокамеры с атмосферой комнаты или наружного воздуха.
Закроем атмосферную трубу. Включим насос, откачивающий воздух. Внутри камеры будет создаваться разрежение, давление воздуха станет падать. Теперь закроем вакуумную трубу и откроем атмосферную — воздух устремляется внутрь, давление уравнивается с наружным.
Если в барокамеру поместить человека, он может «побывать» на разных высотах, не сходя с места: 'барокамера позволяет создать основное условие, присущее высоте, т. е. то или иное разрежение воздуха.
Допустим, вы хотите подняться на высоту 5500 м. Зайдите в барокамеру, садитесь на стул и ждите. Механик включит насос, который откачает воздух и в камере будет создано разрежение, соответствующее высоте в 5500 м. Одновременно может быть понижена и температура воздуха, для этого имеется специальная холодильная установка. Так можно «поднимать» и «спускать» людей на разные высоты.
Современные барокамеры, предназначенные для биологических целей — это сложные технические устройства, где можно создавать различные температуры (диапазон колебаний от —60° до +70°С), разрежение, соответствующее высотам до 20—30 км. Барокамеры оснащаются сложной аппаратурой, регистрирующей физиологические функции, приборами, следящими за режимом «подъема» и «спуска», и т.д.
Исследования в барокамере уже давно применяются при медицинских освидетельствованиях летчиков. В связи с этим возникает естественный вопрос: для чего проводить такие исследования, когда современная авиация обеспечена самолетами, оборудованными герметическими кабинами, кислородно-дыхательной аппаратурой, и летчик, не испытывая в полете недостатка кислорода, находится в условиях достаточно высокого барометрического давления?
В кабинах космических кораблей, безусловно, также будет обеспечиваться нужный уровень барометрического давления и соответствующее содержание кислорода, однако космонавты, как и летчики, по-видимому, должны будут проходить обследование в барокамерах.
Дело в том, что исследование в условиях разреженной атмосферы, когда человек испытывает недостаток кислорода, является хорошей пробой, позволяющей выявить скрытые дефекты сердечно-сосудистой и нервной систем, определить особенности функционального состояния организма. Вот почему в настоящее время все большее значение придается так называемым гипоксическим пробам.
Взглянем в смотровое окно барокамеры, в которой находится летчик. Работает вакуумный насос, давление в камере все больше падает. Идет «подъем»…
«Высота 4000 м» — это значит, что барометрическое давление в барокамере упало до 462 мм рт. ст. (такова величина давления на высоте в 4000 м). Замечаем, что летчик затрачивает несколько больше, чем обычно, времени на решение довольно простой арифметической задачи. Почерк его изменился: он не такой ровный, четкий.
«Высота 5000 м» — лицо испытуемого покраснело, пульс у него 95 ударов в минуту, частота дыхания также возросла. Однако настроение у летчика прекрасное, он смеется, на вопросы отвечает шуткой, заявляя, что все чудесно, только слегка кружится голова. «Подъем» прекращается на «высоте» в 5000 м. Через 20 минут у испытуемого веселость сменяется апатией, вялостью, движения становятся замедленными, скованными. Пульс еще больше учащается, увеличивается и одышка, губы все больше синеют. Необходимо начать «спуск», так как в дальнейшем может наступить потемнение в глазах и обморок.
А вот еще один пример. Условия «подъема» на высоту те же, но летчик другой. Он переносит большое разрежение воздуха значительно лучше. У него не отмечается почти никаких нарушений ми на высоте 5000 м, ни на высоте 5500 м. Спокойно сидит он в барокамере. Проходит 30, 40 минут, 1 час, а его состояние почти не меняется. Он удовлетворительно выполняет все задания, частота сердечных сокращений и дыхания увеличивается, но не столь сильно, как в вышеописанном случае.
В чем дело? Оказывается, второй летчик уже неоднократно испытывал на себе условия кислородного голодания, да и в силу своих индивидуальных особенностей он лучше переносит пониженное барометрическое давление и недостаток кислорода.
У лиц, обладающих слабой устойчивостью к недостатку кислорода, уже в первые 10 минут пребывания на высоте 5000 м, когда парциальное давление кислорода в легких равно 45—50 мм рт. ст. (в обычных условиях оно равно около 100 мм), отмечается головокружение, слабость, расстройство координации движений, учащение пульса до 120 ударов в минуту и выше, посинение губ и т.д., т.е. состояние, требующее быстрого спуска на безопасные высоты.
В противоположность этому имеются факты чрезвычайно хорошей переносимости высоты. Так, 21 ноября 1935 г. В.К. Коккинаки поставил рекорд высотного полета, поднявшись на высоту 14575 м. Приблизительные расчеты показывают, что давление кислорода в легких у него на этом высоте было равно 22 мм рт. ст.
Как изменяются основные физиологические функции человека при снижении барометрического давления и вызванном этим снижением недостатке кислорода во вдыхаемом воздухе? Почему исследование в барокамере является ценным приемом, позволяющим диагностировать недостатки сердечно-сосудистой системы, не выявленные при помощи других приемов, определить функциональные особенности организма?
Внешний вид барокамеры
Постоянная, типичная реакция дыхания на недостаток кислорода — усиление легочной вентиляции: человек начинает дышать чаще и глубже. В результате через легкие в единицу времени проходит значительно большее количество воздуха и за счет этого поддерживается достаточное насыщение крови кислородом. Например, на земле через легкие проходит около 8 литров воздуха в минуту, а на высоте 5000 м— 11,5 литра. Таким образом, напрашивается вывод, что при недостатке кислорода в воздухе для человека лучше, если у него легочная вентиляция больше. Однако это не так.
Попробуйте делать с возможно большей частотой глубокие вдох и выдох. Через некоторое время вы почувствуете головокружение, потеряете равновесие и вынуждены будете задержать дыхание. В некоторых случаях может даже наступить обморок. Это — результат искусственного повышения вентиляции легких и вызванного этим уменьшения количества углекислого газа (СО2), находящегося в легких.
В обычных условиях в легких постоянно имеется определенное количество углекислого газа, который поступает из крови. Если резко увеличивается частота и глубина дыхания, то СО2 в большем количестве удаляется, вымывается из легких, уменьшается и его концентрация в крови. Углекислый газ является возбудителем дыхательного центра головного мозга — того нервного центра, который посылает периодические импульсы к дыхательным мышцам, обеспечивая акт вдоха. Если в результате повышенной вентиляции концентрация СО2 в крови снижена, то дыхательный центр не возбуждается и не посылает импульсы, не дает «сигнал» для вдоха. Усилием воли вы можете некоторое время форсировать дыхание, но при этом нормальная нервная импульсация из дыхательного центра резко нарушится, и вы потеряете сознание. При этом, естественно, дыхание на какое-то время прекращается, что ведет к увеличению количества СО2 в крови и нормальный цикл дыхания снова восстанавливается.
Теперь представьте себе, что в воздухе мало кислорода. В результате гипервентиляции уменьшилась и концентрация СО2 в крови, что привело к длительной задержке дыхания, но ведь это в данных условиях плохо, так как приведет к еще меньшему насыщению крови кислородом.
Мы специально подробно характеризовали реакции дыхания при гипоксии (недостатке кислорода), однако; все же привели далеко не полный физиологический анализ наблюдаемых явлений, в частности, не останавливались на сложных нервнорефлекторных процессах, на роли кислорода в регуляции дыхания и т.д.
Таким образом, читатель может видеть, насколько сложны и тонки процессы регуляции физиологических функций в организме. Если поставить человека в условия гипоксии, то по наступающим изменениям физиологических процессов можно судить о резервных возможностях организма. Вот почему «подъемы» в барокамере и должны будут, очевидно, применяться при обследовании космонавтов.
Особое значение имеет реакция со стороны сердечно-сосудистой системы, так как она легко улавливается простыми методами исследования и может явиться, наряду с изменениями внешнего дыхания, хорошим показателем состояния организма.
В барокамере все благополучно
Как отмечалось, по мере подъема на высоту, т.е. с нарастанием явлений кислородного голодания, наблюдается учащение пульса, что свидетельствует об увеличении числа сердечных сокращений. Увеличивается также и ударный объем сердца, т. е. количество крови, выталкиваемое сердцем за одно сокращение. В результате через легкие и ткани в единицу времени будет протекать большее количество крови, а это будет способствовать доставке нужного количества кислорода к тканям.
Все эти реакции обеспечивают компенсацию недостатка кислорода во вдыхаемом (атмосферном) воздухе до высот 3—4 км. При дальнейшем падении барометрического давления и связанном с этим уменьшенным количеством кислорода резервных возможностей организма оказывается недостаточно, и мы наблюдаем симптомы нарастающего кислородного голодания.
Первыми реагируют на снижение кислорода нервные клетки коры головного мозга. При этом кислородная недостаточность небольшой степени действует на них возбуждающе, недостаточность значительной степени угнетает функции корковых клеток. Фаза возбуждения проявляется обычно на высоте около 3000 м и характеризуется жизнерадостным настроением, обострением внимания, повышенным интересом к окружающему. Вторая фаза — фаза угнетения — начинается обычно с высоты 4000—4500 м. При этом уменьшается работоспособность, снижается способность правильно, критически оценивать обстановку, распределять и переключать внимание, снижается наблюдательность, инициатива, и, что очень важно, человек обычно неправильно, не самокритично оценивает свое состояние, свои действия: ему кажется, что все хорошо, т. е. развивается состояние так называемой эйфории (чувство некоторого возбуждения). В это время могут возникнуть ложные представления, бессмысленная настойчивость, пренебрежение к опасности и т. д. Поэтому ориентироваться на самочувствие в оценке переносимости кислородного голодания никогда не следует. В дальнейшем это состояние сменяется ухудшением общего самочувствия, апатией, общей слабостью, сонливостью, безразличием к внешним раздражителям.
Испытатели на «высоте» 5000 м
Имеющие место при гипоксии явления подвержены значительным индивидуальным колебаниям. У людей, устойчивых к гипоксии, тренированных, обладающих высокими функциональными резервами, они выражены значительно меньше и начинают проявляться на большей высоте, чем у людей с небольшими резервными возможностями организма. Поэтому исследователи и уделяют такое внимание гипоксическим пробам.
Интересно отметить, что при всех проявлениях кислородной недостаточности напряжением воли можно в значительной степени подавить неблагоприятные явления, во всяком случае, сохранять обычное поведение и выполнять заданную работу. Поэтому испытание в барокамере может в некоторой степени выявить и волевые качества человека.
Быстро набирает высоту двухместный самолет. В. передней кабине — летчик, управляющий машиной, в задней — врач. Он должен провести некоторые исследования в полете. Врач — в кислородной маске, летчик ею не пользуется.
Растет высота полета. Вот стрелка прибора показывает уже 5600 м над уровнем моря. Врач записывает свои наблюдения. Но вдруг он замечает, что самолет резко изменил свой полет. Земля с угрожающей быстротой приближается, самолет быстро снижается, почти падает. Посмотрев в переднюю кабину, врач с ужасом видит, что тело летчика безвольно повисло на привязных ремнях, голова опущена, ручка управления самолетом, очевидно, судорожно зажата. А показания высотомера катастрофически быстро меняются — 4000, 3500, 3000 м.
Но вот летчик поднял голову, осмотрелся, плавно вывел машину в горизонтальный полет и спокойно, с присущим ему мастерством повел машину на посадку. После посадки врач спросил летчика, что с ним было в полете, как он себя чувствует сейчас? Летчик с удивлением посмотрел на него и заявил, что все обстояло как нельзя лучше, в полете с ним ничего не происходило и самочувствие у него прекрасное. Даже после того, как летчику были показаны записанные на ленте кривые полета, где отчетливо был виден весь профиль полета, он долго сомневался и недоуменно разводил руками.
Этот факт относится к прошлому — к периоду освоения высотных полетов и введения в практику кислородных приборов. Однако и сейчас можно наблюдать случаи внезапного обморока при «подъемах» в барокамере.
При быстром подъеме на высоту, когда кислородное голодание развивается в небольшие отрезки времени, все компенсаторные механизмы не успевают вступить в действие и нарушается последовательность появления различных симптомов. В связи с этим обморочное состояние может подкрасться незаметно, без всяких предвестников.
Не так уж редки случаи, когда при испытании в барокамере на фоне полного благополучия и удовлетворительного самочувствия вдруг появляются судороги, и испытуемый теряет сознание. Это — самое коварное в действии кислородного голодания. Обычно все кончается благополучно, если быстро снова повысить барометрическое давление.
Характерно, что в памяти испытуемого не остается никаких следов о происшедшем событии, он с удивлением спрашивает, почему прекратили исследование, и убедить его в том, что была потеря сознания, бывает крайне трудно.
Здесь описаны далеко не все явления, которые наблюдаются при нарастающей гипоксии. В частности, значительно меняются функции зрения: удлиняется время различения объектов, снижается острота зрения. Уже на высоте в 3000 м начинает понижаться способность цветоощущения, а на высоте в 5000 м различение цветов становится трудным. Дольше всех не меняется восприятие красного цвета. Если на этой высоте человек наденет кислородную маску, то для него все цвета, до этого бледные и трудно различимые, снова загораются своими яркими красками.
Нет необходимости останавливаться на изменениях в других органах и системах организма человека под влиянием кислородного голодания. Наверное, достаточно ясно, что врач, изучая реакции организма здорового человека при гипоксии, может сделать важные выводы.
Возникает естественный вопрос: можно ли и каким образом защитить человека от кислородного голодания?
Самым простым было бы дышать чистым кислородом. Действительно так и поступают. Сконструированы специальные кислородные приборы, при помощи которых человеку можно добавлять к вдыхаемому воздуху нужное количество кислорода, а также полностью заменять воздух чистым кислородом.
Однако на высоте около 13 км человек погибает от недостатка кислорода даже в том случае, если он будет дышать чистым кислородом. Оказывается для того, чтобы кровь была в достаточной степени насыщена кислородом, он должен находиться в легких под определенным давлением, а на высоте 13 км барометрическое давление, а, следовательно, и давление кислорода в легких, настолько мало, что кровь им не насыщается в нужной мере.
Таким образом, для того чтобы обеспечить возможность дыхания, необходимо, чтобы и количество кислорода и барометрическое давление были достаточно высокими. Вот почему при полетах самолетов и, тем более, космических кораблей необходимо, чтобы кабина была герметичной, и в ней поддерживалось соответствующее барометрическое давление. Если же герметичность кабины будет нарушена или, например, космонавту потребуется выйти из нее, то он должен надеть скафандр. Под шлемом скафандра воздух будет насыщаться кислородом, а между слоями специальной одежды можно поддерживать нужное давление воздуха. Таким образом, человек будет как бы облачен в герметическую кабину.
…Наше воображаемое путешествие по необычной клинике подошло к концу. Можно думать, что именно в таком медицинском учреждении производится обследование и отбор участников будущих космических полетов.
