Влияние углекислого газа на организм человека. Когда углекислый газ становится ядом

Регуляция процесса дыхания – это очень действенный инструмент настройки своего организма. Но и одновременно очень сложный, так как дыхание – это преимущественно автоматический процесс. Воздух вокруг нас тоже влияет на наше здоровье и наш организм подстраивается под него, меняя процесс газообмена. Сегодня я расскажу про две крайности, связанные с нарушениями обмена углекислого газа: недостаток углекислого газа (гипокапния), который возникает обычно при учащенном дыхании и избыток углекислого газа (гиперкапния), который случается в помещениях с недостаточной вентиляцией (так как люди при дыхании выделяют значительные количества углекислого газа). Важно понять, что углекислый газ – это не просто продукт обмена веществ, но и регулирующая молекула. Уровень углекислого газа в крови связан с регуляцией кислотно-основного обмена, а также с регуляцией тонуса сосудов, в первую очередь – головного мозга. Поэтому при учащенном дыхании (которое вызывает гипокапнию) сосуды головного мозга сужаются и мы можем потерять сознание, а при гиперкапнии (душное помещение) – сосуды слишком расширяются, что может привести к сонливости, ухудшению оттока крови и головной боли. Ну и расскажу зачем люди дышат в пакет, само собой.

Гипервентиляция или зачем дышат в пакет.

Во время паники или истерики у людей часто бывает учащенное дыхание (гипервентиляция). При этом в крови оказывается слишком много кислорода и слишком мало углекислого газа, что приводит к нарушению работы мозга – возникает головокружение, человек может упасть в обморок. Самый простой выход из положения – дышать в пакет, т.е. вдыхать свой же выдох, при этом содержание газов в крови останется в норме. Также дышать в пакет или задерживать дыхание помогает против икоты. Если же вы задержите дыхание на некоторое время, то уровень СО2 возрастёт. Дыша в бумажный пакет, вы будете вдыхать больше СО2, и это поспособствует нормализации рН, после чего вы снова сможете нормально дышать. Правда, это не самое эффективное решение проблемы — врачи рекомендуют в таких случаях использовать специальные дыхательные техники медленного равномерного дыхания.

Дышать в бумажный пакет долгое время было первой помощью при гипервентиляции. Теория такова: повторное дыхание в бумажный пакет позволит пациенту заместить двуокись углерода, которую он выдохнул во время приступа гипервентиляции. "Дышать в бумажный пакет хорошо в том случае, если вы раньше испытывали гипервентиляцию, были осмотрены врачом и уверены, что у вас ничего серьезного нет, - считает д-р Харрисон. - У большинства людей с гипервентиляцией имеются ее симптомы, но у некоторых могут быть более серьезные проблемы". Использование бумажного пакета помогает некоторым не только приостановить приступ, но и предупредить его.

Когда некоторые люди пугаются, они дышат часто и глубоко, даже если им не нужен дополнительный кислород. Только что вы дышали нормально, и вдруг дыхание учащается, пальцы дрожат, ладони потеют. У вас такое чувство, что вы вот-вот умрете, но в любом случае вы останетесь жить, чтобы уплатить налоги за следующий год. В большинстве случаев гипервентиляция вызывается нервным перенапряжением. Это приводит к тому, что они выдыхают большое количество двуокиси углерода, а избыточная потеря двуокиси углерода вызывает щелочной сдвиг в крови. Это в свою очередь вызывает симптомы "приступа паники". Приступ гипервентиляции может продолжаться часами, но в типичных случаях длится от 20 до 30 минут. Но тем, кто страдает тяжелыми приступами, может казаться, что они длятся несколько часов. Кроме того, приступы гипервентиляции могут повторяться, и следует научиться тому, как их остановить или предупредить.

Недостаток углекислого газа действует на мозг возбуждающе, и получается замкнутый круг: от волнения люди начинают чаще дышать, а от частого дыхания усиливается волнение. (Кроме того, повышенная возбудимость мозга может приводить к судорогам.).

Когда уровень углекислого газа в крови низок, кровь ощелачивается, что приводит к сужению кровеносных сосудов и ухудшению кровотока. Это может быть очень опасным, поскольку приводит к снижению кровоснабжения мозга и других жизненно важных органов, что приводит к помутнению сознания, головокружению, ухудшению зрения, мышечным судорогам и беспричинной тревожности.

Более подробно:

Эффект Вериго-Бора или почему при частом дыхании мы задыхаемся.

Это явление первым открыл беларус Бронислав Вериго, который происходил из шляхты Полоцкого воеводства герба Сшенява. Родился в Витебской губернии, закончив в 1877 году Витебскую гимназию, впоследствии работал в лабораториях Сеченова, И. Р. Тарханова и И. И. Мечникова. Там он впервые установил зависимость степени диссоциации оксигемоглобина от величины парциального давления углекислоты в крови.

Он выяснил, что на связывание кислорода гемоглобином очень сильное влияние оказывает pH и концентрация CO2: при присоединении CO2 и ионов H+ способность гемоглобина связывать O2 снижается. Действительно, в периферических тканях с относительно низким значением pH и высокой концентрацией CO2 сродство гемоглобина к кислороду падает. И наоборот, в лёгочных капиллярах выделение CO2 и сопутствующее ему повышение pH крови приводит к увеличению сродства гемоглобина к кислороду. Это влияние величины pH и концентрации CO2 на связывание и освобождение O2 гемоглобином и называют эффектом Вериго — Бора.

Говоря проще, уменьшение СО2 в крови повышает связь кислорода и гемоглобина и затрудняет поступление кислорода в клетки. Уменьшение кислородного притока в ткани вызывает кислородное голодание тканей - гипоксию.

Изучение влияния на организм человека токсического действия СО 2 представляет существенный практический интерес для биологии и медицины.

Источником СО 2 в газовой среде герметической кабины является прежде всего сам человек, так как СО 2 - один из основных конечных продуктов обмена, образующихся в процессе метаболизма в организме человека и животных. В состоянии покоя человек в сутки выделяет около 400 л СО 2 , при физической работе образование СО 2 и соответственно выделение его из организма значительно возрастают. Помимо этого необходимо иметь в виду, что СО 2 непрерывно образуется в процессе гниения и брожения. Углекислый газ бесцветен, обладает слабым запахом и кисловатым вкусом. Несмотря на эти качества, при накоплении СО 2 в ИГА до нескольких процентов его присутствие оказывается незаметным для человека, так как упомянутые выше свойства (запах и вкус) могут быть обнаружены, по-видимому, только при весьма высоких концентрациях СО 2 .

Исследования Бреслава, в которых испытуемые осуществляли «свободный выбор» газовой среды, показали, что люди начинают избегать ИГА только в тех случаях, когда Р СО 2 в ней превышает 23 мм рт. ст. При этом реакция обнаружения СО 2 связана не с запахом и вкусом, а с проявлением его действия на организм, прежде всего с ростом легочной вентиляции и снижением физической работоспособности.

В земной атмосфере содержится небольшое количество СО 2 (0,03%), что обусловлено участием его в кругообороте веществ. Десятикратное увеличение СО 2 во вдыхаемом воздухе (до 0,3%) еще не оказывает заметного влияния на жизнедеятельность и работоспособность человека. В такой газовой среде человек может находиться очень долго, сохраняя нормальное состояние здоровья и высокий уровень работоспособности. Это, вероятно, обусловлено тем, что в процессе жизнедеятельности образование СО 2 в тканях подвержено значительным колебаниям, превышающим десятикратные изменения содержания этого вещества во вдыхаемом воздухе. Значительное повышение Р СО 2 в ИГА вызывает закономерные изменения физиологического состояния. Эти изменения обусловлены прежде всего функциональными сдвигами, возникающими в центральной нервной системе, дыхании, кровообращении, а также сдвигами кислотно-щелочного равновесия и нарушениями минерального обмена. Характер функциональных сдвигов при гиперкапнии определяется величиной Р СО 2 во вдыхаемой газовой смеси и временем воздействия этого фактора на организм.

Еще Клодом Бернаром в прошлом столетии было показано, что основная причина, вызывающая развитие тяжелого патологического состояния у животных при длительном пребывании их в герметически замкнутых, невенти-лируемых помещениях, связана с повышением содержания СО 2 во вдыхаемом воздухе. В исследованиях на животных был изучен механизм физиологического и патологического действия СО 2 .

О физиологическом механизме влияния гиперкапнии можно в общих чертах судить на основании схемы, приведенной на рис. 19.

Следует иметь в виду, что в случаях длительного по времени пребывания в ИГА, в которой Р СО 2 повышено до 60-70 мм рт. ст. и более, характер физиологических реакций и прежде всего реакций центральной нервной системы существенно изменяется. В последнем случае вместо стимулирующего влияния, как это указано на рис. 19, гиперкапния оказывает угнетающее действие и приводит уже к развитию наркотического состояния. Оно быстро возникает в случаях, когда Р СО 2 возрастает до 100 мм рт. ст. и выше.

Усиление легочной вентиляции при повышении Р СО 2 в ИГА до 10-15 мм рт. ст. и выше определяется, по крайней мере, двумя механизмами:рефлекторной стимуляцией дыхательного центра с хеморецепторов сосудистых зон, и прежде всего сино-коротидной, и стимуляцией дыхательного центра с центральных хеморецепторов. Рост легочной вентиляции при гиперкапнии является основной приспособительной реакцией организма, направленной на поддержание Ра СО 2 на нормальном уровне. Эффективность этой реакции по мере увеличения Р СО 2 в ИГА снижается, так как несмотря на возрастающее усиление легочной вентиляции неуклонно растет и Ра СО 2 .

Рост Ра СО 2 оказывает антагонистическое влияние на центральный и периферический механизмы, регулирующие сосудистый тонус. Стимулирующее влияние СО 2 на сосудодвигательный центр, симпатическую нервную систему определяет сосудосуживающее действие и приводит к увеличению периферического сопротивления, повышению частоты сердечных сокращений и увеличению минутного объема сердца. Одновременно СО 2 оказывает и непосредственное влияние на мышечную стенку сосудов, способствуя их расширению.

Рис. 19. Механизмы физиологического и патофизиологического действия СО 2 на организм животных и человека (по Малкину)

Взаимодействие этих антагонистических влияний в конечном счете и определяет реакции сердечно-сосудистой системы при гиперкапнии. Из сказанного можно сделать заключение, что в случае резкого снижения центрального сосудосуживающего действия гиперкапния может приводить к развитию коллаптоидных реакций, которые были отмечены в эксперименте на животных в условиях значительного повышения содержания СО2 в ИГА.

При большом повышении Р С0 2 в тканях, которое неизбежно возникает в условиях значительного повышения Р СО 2 в ИГА, отмечается развитие наркотического состояния, которое сопровождается отчетливо выраженным снижением уровня обмена. Эта реакция может быть оценена так же, как приспособительная, так как она приводит к резкому уменьшению образования СО 2 в тканях в период, когда транспортные системы, включая и буферные системы крови, оказываются уже не в состоянии поддерживать Ра СО 2 - важнейшую константу внутренней среды на уровне, близком к нормальному.

Важно, что порог реакций различных функциональных систем при развитии острой гиперкапнии неодинаков.

Так, развитие гипервентиляции проявляется уже при повышении Р СО 2 в ИГА до 10- 15 мм рт. ст., а при 23 мм рт. ст. эта реакция становится уже весьма выраженной - вентиляция возрастает почти в 2 раза. Развитие тахикардии и повышение артериального давления крови проявляются тогда, когда Р СО 2 возрастает в ИГА до 35-40 мм рт. ст. Наркотическое же действие отмечено при еще более высоких величинах Р СО 2 в ИГА, порядка 100-150 мм рт. ст., в то время как стимулирующее влияние СО 2 на нейроны коры больших полушарий головного мозга было отмечено при Р СО 2 порядка 10-25 мм рт. ст.

Теперь кратко рассмотрим эффекты действия различных величин Р СО 2 в ИГА на организм здорового человека.

Большое значение для суждения об устойчивости человека к гиперкапнии и для нормирования СО 2 имеют исследования, в которых испытуемые, практически здоровые люди, находились в условиях ИГА с избыточными величинами Р СО 2 . В этих исследованиях были установлены характер и динамика реакций ЦНС, дыхания и кровообращения, а также изменения работоспособности при различных величинах Р СО 2 в ИГА.

При относительно кратковременном пребывании человека в условиях ИГА с Р СО 2 до 15 мм рт. ст., несмотря на развитие неболыпого дыхательного ацидоза, существенных сдвигов физиологического состояния не было обнаружено. Люди, находившиеся в такой среде в течение нескольких дней, сохраняли нормальную интеллектуальную работоспособность и не предъявляли жалоб, свидетельствующих об ухудшении самочувствия; лишь при Р СО 2 , равном 15 мм рт. ст., некоторые испытуемые отмечали снижение физической работоспособности, особенно при выполнении тяжелой работы.

При повышении Р СО 2 в ИГА до 20-30 мм рт. ст. у обследуемых был отчетливо выражен дыхательный ацидоз и рост легочной вентиляции. После относительно кратковременного повышения скорости выполнения психологических тестов наблюдалось снижение уровня интеллектуальной работоспособности. Способность выполнять тяжелую физическую работу также оказывалась заметно сниженной. Было отмечено расстройство ночного сна. Многие обследуемые предъявляли жалобы на головную боль, головокружение, одышку и чувство нехватки воздуха при выполнении физической работы.

Рис. 20. Классификация различных эффектов токсического действия СО 2 в зависимости от величины Р СО 2 в ИГА (составлен Ротом и Биллингсом по данным Шеффера, Кинга, Невисона)

I - индифферентная зона;

Л - зона незначительных физиологических сдвигов;

III - зона выраженного дискомфорта;

IV - зона глубоких функциональных расстройств, потеря

сознания А - индифферентная зона;

В - зона начальных функциональных расстройств;

В - эона глубоких нарушений

При увеличении Р СО 2 в ИГА до 35- 40 мм рт. ст. у обследуемых повышалась легочная вентиляция в 3 раза и более. Появлялись функциональные сдвиги в системе кровообращения: повышалась частота сердечных сокращений, росло артериальное давление крови. После кратковременного пребывания в такой ИГА испытуемые жаловались на головную боль, головокружение, нарушения зрения, потерю пространственной ориентировки. Выполнение даже легкой физической нагрузки было сопряжено со значительными трудностями и приводило к развитию резкой одышки. Выполнение психологических тестов также было затруднено, интеллектуальная работоспособность заметно снижалась. При повышении Р СО 2 в ИГА более 45-50 мм рт. ст. острые гиперкапнические расстройства возникали весьма быстро - в течение 10- 15 мин..

Обобщение опубликованных в литературе данных относительно устойчивости человека к токсическому действию СО 2 , равно как и установление предельно допустимого времени пребывания человека в ИГА с повышенным содержанием СО 2 , встречает определенные трудности. Они связаны прежде всего с тем, что устойчивость человека к гиперкапнии в значительной степени зависит от физиологического состояния и в первую очередь от величины выполняемой физической работы. В большинстве известных работ исследования проводились с испытуемыми, находившимися в условиях относительного покоя и лишь периодически выполнявшими различные психологические тесты.

На основании обобщения результатов, полученных в этих работах, было предложено условно выделить четыре различные зоны токсического действия гиперкапнии в зависимости от величины Р СО 2 в ИГА (рис. 20).

Существенное значение для формирования физиологических реакций и устойчивости человека к гиперкапнии имеет скорость роста величины Р СО 2 во вдыхаемой газовой смеси. При помещении человека в ИГА с высоким Р СО 2 , равно как и при переключении его на дыхание газовой смесью, обогащенной СО 2 , быстрое повышение РА СО 2 сопровождается более острым течением гиперкапнических расстройств, чем при медленном повышении Р СО 2 в ИГА. К счастью, последнее более характерно для токсического влияния СО 2 в условиях космических полетов, так как все возрастающий объем кабин кораблей определяет относительно медленное нарастание Р СО 2 в ИГА в случаях отказа системы регенерации воздуха. Более острое течение гиперкапнии может иметь место при выходе из строя системы регенерации скафандра. При острой гиперкапнии трудность точного разграничения зон, определяющих качественно различные проявления токсического действия СО 2 , в зависимости от величины Р СО 2 , связана с наличием фазы «первичной адаптации», продолжительность которой тем больше, чем выше концентрация СО 2 . Речь идет о том, что после быстрого вхождения человека в ИГА, содержащую высокую концентрацию СО 2 , возникают выраженные сдвиги в организме, которые, как правило, сопровождаются появлением жалоб на головную боль, головокружение, потерю пространственной ориентировки, расстройства зрения, тошноту, нехватку воздуха, боль в груди. Все это приводило к тому, что нередко исследование прекращалось уже через 5-10 мин. после перехода испытуемого в гиперкапническую ИГА.

Опубликованные исследования показывают, что при увеличении Р СО 2 в ИГА до 76 мм рт. ст. такое неустойчивое состояние постепенно проходит и возникает как бы частичная адаптация к измененной газовой среде. У испытуемых отмечается некоторая нормализация интеллектуальной работоспособности, и одновременно становятся более умеренными жалобы на головную боль, головокружение, зрительные расстройства и т. п. Продолжительность неустойчивого состояния определяется временем, в течение которого происходит повышение РА СО 2 и отмечается непрерывный рост легочной вентиляции. Вскоре после стабилизации на новом уровне РА СО 2 и легочной вентиляции отмечается развитие частичной адаптации, сопровождающейся улучшением самочувствия и общего состояния обследуемых. Такая динамика развития острой гиперкапнии при больших величинах Р СО 2 в ИГА явилась причиной значительных расхождений в оценке разными исследователями возможного времени пребывания человека в этих условиях.

На рис. 20 при оценке влияния различных величин Р СО 2 «первичная адаптация» хотя и учтена по времени, однако не указано, что физиологическое состояние человека неодинаково в различные периоды пребывания в ИГА с высоким содержанием СО 2 . Еще раз целесообразно отметить, что результаты, представленные на рис. 20, получены в исследованиях, во время которых испытуемые находились в состоянии покоя. В связи с этим полученные данные без соответствующей корреляции не могут быть использованы для прогноза изменений физиологического состояния космонавтов в случаях накопления СО 2 в ИГА, так как в полете может возникать необходимость выполнения физической работы различной интенсивности.

Установлено, что устойчивость человека к токсическому действию СО 2 снижается по мере увеличения физической нагрузки, которую он выполняет. В связи с этим большое практическое значение приобретают исследования, в которых токсическое действие СО 2 изучалось бы у практически здоровых людей, выполнявших физическую работу различной тяжести. К сожалению, в литературе такие сведения малочисленны, в связи с чем этот вопрос нуждается в дальнейшем изучении. Все же на основании имеющихся данных мы сочли целесообразным с определенным приближением указать на возможность пребывания и выполнения различной физической нагрузки в ИГА в зависимости от величины в ней Р СО 2 .

Как видно из данных, приведенных в табл. 6, при повышении Р СО 2 до 15 мм рт. ст. длительное выполнение тяжелой физической работы оказывается затрудненным; при повышений Р СО 2 до 25 мм рт. ст. ограничена уже возможность выполнения работы средней тяжести и заметно затруднено выполнение тяжелой работы. При увеличении Р СО 2 до 35-40 мм рт. ст. ограничена возможность выполнения даже легкой работы. При повышении Р СО 2 до 60 мм рт. ст. и более, несмотря на то, что человек в состоянии покоя еще может находиться некоторое время в такой ИГА, однако он уже оказывается практически неспособным выполнять какую-либо работу. Для снятия отрицательного влияния острой гиперкапнии лучшим средством является перевод пострадавших в условия «нормальной» атмосферы.

Результаты исследований многих авторов показывают, что быстрое переключение людей, длительно находившихся в ИГА с повышенным Р СО 2 , на дыхание чистым кислородом или воздухом часто вызывает ухудшение их самочувствия и общего состояния. Этот феномен, выраженный в резкой форме, был впервые обнаружен в опытах на животных и описан П. М. Альбицким, который дал ему название обратного действия СО 2 . В связи со сказанным в случаях развития у людей гиперкапнического синдрома следует постепенно выводить их из ИГА, обогащенной СО 2 , относительно медленно снижая в ней Р СО 2 . Попытки купировать гиперкапнический синдром введением щелочей- трис-буфера, соды и т. п.- не дали стойких положительных результатов, несмотря на частичную нормализацию pH крови.

Определенное практическое значение имеет изучение физиологического состояния и работоспособности человека в случаях, когда в результате отказа регенерационной установки в ИГА будут одновременно снижаться Р О 2 и повышаться Р СО 2 .

При значительной скорости нарастания СО 2 и соответствующей ей скорости снижения О 2 , которое имеет место при дыхании в замкнутом, небольшом по величине объеме, как показали исследования еще Холдена и Смита, резкое ухудшение физиологического состояния и самочувствия испытуемых отмечается при повышении СО 2 во вдыхаемой газовой смеси до 5-6% (Р СО 2 -38-45 мм рт. ст.), несмотря на то, что снижение содержания О 2 в этот период времени было еще относительно невелико. При более медленном развитии гиперкапнии и гипоксии, как указывают многие авторы, заметные расстройства работоспособности и ухудшение физиологического состояния наблюдаются при повышении Р СО 2 до 25-30 мм рт. ст. и соответствующем снижении Р О 2 до 110-120 мм рт. ст. Согласно данным Карлина и др., при 3-суточном воздействии ИГА, содержавшей 3% СО 2 (22,8 мм рт. ст.) и 17% О 2 , работоспособность испытуемых была заметно снижена. Эти данные находятся в некотором противоречии с результатами исследований, отмечавших относительно небольшие изменения работоспособности даже при более значительном (до 12%) снижении О 2 в ИГА и повышении в ней СО 2 до 3%.

При одновременном развитии гиперкапнии и гипоксии основным симптомом токсического действия является одышка. Величина вентиляции легких при этом оказывается более значительной, чем при равной по величине гиперкапнии. Согласно мнению многих исследователей, столь значительный рост легочной вентиляции определяется тем, что гипоксия повышает чувствительность дыхательного центра к СО 2 , в результате чего комбинированное действие избытка СО 2 и недостатка О 2

в ИГА приводит не к аддитивному влиянию этих факторов, а к их потенцированию. Об этом можно судить потому, что величина легочной вентиляции оказывается больше той величины вентиляции, которая должна была бы быть при простом складывании эффекта от снижения РА О 2 и увеличения РА СО 2 .

На основании этих данных и характера наблюдаемых нарушений физиологического состояния можно сделать заключение, что ведущая роль в начальном периоде развития патологических состояний в ситуациях, когда имеет место полный отказ системы регенерации, принадлежит гиперкапнии.

ХРОНИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ГИПЕРКАПНИИ

Изучение длительного влияния на организм человека и животных повышенных; величин Р СО 2 в ИГА позволило установить, что появлению клинических симптомов храническо-го токсического действия СО 2 предшествуют закономерные изменения кислотно-щелочного равновесия - развитие дыхательного ацидоза, приводящего к нарушению метаболизма. При этом возникают сдвиги в минеральном обмене, которые, по-видимому, имеют адаптационный характер, так как способствуют сохранению кислотно-щелочного равновесия. Об этих изменениях можно судить по периодическому повышению содержания кальция в крови и по изменениям содержания кальция и фосфора в костной ткани. В связи с тем, что кальций входит в соединения с СО 2 , с ростом Ра СО 2 количество СО 2 , связанного с кальцием, в костях возрастает. В результате сдвигов в минеральном обмене возникает ситуация, способствующая образованию солей кальция в выделительной системе, следствием чего может быть развитие почечно-каменной болезни. На справедливость такого заключения указывают результаты исследования на грызунах, у которых после длительного содержания в ИГА с Р СО 2 , равным 21 мм рт. ст. и выше, были обнаружены камни в почках.

В исследованиях с участием людей было также установлено, что в случаях длительного пребывания в ИГА с Р СО 2 , превышающим 7,5-10 мм рт. ст., несмотря на видимое сохранение нормального физиологического состояния и работоспособности, у испытуемых отмечались изменения метаболизма, обусловленные развитием умеренного газового ацидоза.

Так, во время операции «Хайдаут» испытуемые находились в течение 42 дней в подводной лодке в условиях ИГА, содержавшей 1,5% СО 2 (Р СО 2 - 11,4 мм рт. ст.). Основные физиологические параметры, как вес и температура тела, величина кровяного давления и частота пульса, оставались без существенных изменений. Однако при исследовании дыхания, кислотно-щелочного равновесия и каль-ций-фосфорного обмена были обнаружены сдвиги, имевшие адаптивный характер. На основании изменений pH мочи и крови было установлено, что примерно с 24-го дня пребывания в ИГА, содержавшей 1,5% СО 2 , у испытуемых имело место развитие некомпенси-руемого газового ацидоза. При месячном нахождении молодых здоровых мужчин в ИГА с содержанием 1% СО 2 , согласно данным С. Г. Жарова и др., у испытуемых не было обнаружено изменений pH крови, несмотря на небольшое увеличение РА СО 2 и увеличение на 8-12% легочной вентиляции, свидетельствующее о незначительном компенсируемом газовом ацидозе.

Длительное пребывание (30 дней) испытуемых в ИГА с повышенным до 2% содержанием СО 2 приводило к снижению pH крови, росту РА СО 2 и увеличению легочной вентиляции на 20-25%. В условиях покоя испытуемые чувствовали себя хорошо, однако при выполнении интенсивной физической нагрузки некоторые из них предъявляли жалобы на головную боль и быстрое утомление.

При нахождении в ИГА с 3 % СО 2 (Р СО 2 - 22,8 мм рт. ст.) большинство испытуемых отмечало ухудшение самочувствия. При этом изменения pH крови свидетельствуют о быстром развитии некомпенсируемого газового ацидоза. Пребывание в такой среде хотя и возможно в течение многих, дней, но всегда связано с развитием дискомфорта и прогрессирующим снижением работоспособности.

В результате этих исследований было сделано заключение о том, что длительное (многомесячное) пребывание человека в ИГА с Р СО 2 , превышающим 7,5 мм рт. ст., является нежелательным, так как может привести к проявлению хронического токсического действия СО 2 . Некоторые исследователи указывают, что при пребывании человека в течение 3-4 месяцев в ИГА величина Р СО 2 не должна превышать 3-6 мм рт. ст..

Таким образом, при оценке в целом эффекта хронического влияния гиперкапнии можно согласиться с мнением К. Шефера о целесообразности выделения трех основных уровней повышения Р СО 2 в ИГА, которые определяют различную переносимость человеком гиперкапнии. Первый уровень соответствует повышению Р СО 2 в ИГА до 4-6 мм рт. ст.; он характеризуется отсутствием сколько-нибудь значимого влияния на организм. Второй уровень соответствует повышению Р СО 2 в ИГА до 11 мм рт. ст. При этом основные физиологические функции и работоспособность не претерпевают значительных изменений, однако имеет место медленное развитие сдвигов со стороны дыхания, регуляции

кислотно-щелочного равновесия и обмена электролитов, в результате чего могут возникать патологические изменения.

Третий уровень - повышение Р СО 2 до 22 мм рт. ст. и выше - приводит к снижению работоспособности, выраженным сдвигам физиологических функций и развитию через различные сроки времени патологических состояний.

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.

Всем известно, что растения обладают способностью продуцировать в процессе фотосинтеза большое количество кислорода, а взамен поглощать углекислый газ. Он является продуктом воздухообмена всего живого на земле, в том числе и растений. Кроме того, он широко используется в различных сферах жизни, а также скапливается в плотно закрытых помещениях, чем создает опасность вдыхания вредных для здоровья доз. Высокие концентрации этого вещества вызывают отравление углекислым газом.

Углекислый газ и его применение

Углекислый газ – это химическое соединение двуокись углерода (CO2), являющееся ангидридом угольной кислоты. Он постоянно находится в атмосфере в пределах 0,03%, в выдыхаемом человеком воздухе его концентрация составляет около 4%.

В результате взаимодействия двуокиси углерода с водой образуется неустойчивая угольная кислота. Газ отличается следующими характеристиками:

• Почти не имеет ни запаха, ни цвета, под определенным давлением способен преобразовываться в жидкое состояние, а при испарении – превращаться в белоснежную массу, в прессованном виде составляющую основу так называемого «сухого льда».
• Не обладает горючестью (что используется в противопожарных устройствах) и способен растворяться в воде под давлением (так производятся газированные напитки).

Разнообразные свойства CO2 нашли применение в металлургии и химической промышленности, в холодильных камерах, при тушении пожаров, во время сварочных работ.

В больших концентрациях соединение токсично и может вызвать отравление.

Как можно отравиться двуокисью углерода

Небольшое количество двуокиси углерода всегда присутствует в окружающем воздухе. Безопасная для человека концентрация в естественной среде составляет 0,03-0,2%. Однако существуют определенные условия, при которых уровень CO2 может быть повышенным:

1. В помещениях озокеритовых и угольных шахт. Там допускается повышение содержания CO2 до уровня 0,5%. Если уровень будет повышаться, а кислорода – понижаться, отравление неизбежно.
2. В других промышленных помещениях – внутри сатурационных котлов на сахарных заводах, смотровых колодцев канализационной и водопроводной сетей, бродильных отделений пивоварен. Работники подобных предприятий чаще других подвержены интоксикации.
3. При частом контакте с «сухим льдом» в связи с профессиональной деятельностью.
4. При нарушении технологии во время установки систем воздухообмена в подводных лодках, помещениях метрополитена, на подводных океанографических станциях, в снаряжении дайверов.
5. В редко проветриваемых помещениях с большим количеством людей (например, в школьных классах или душных офисах, особенно с пластиковыми рамами на окнах) может возникнуть легкая степень отравления.

Высокая доза CO2 приводит к поражению дыхательной системы, но также может раздражать слизистые оболочки и кожу (например, прикосновение к «сухому льду» способно вызвать серьезный ожог).

Признаки острого отравления могут быть различны в зависимости от степени интоксикации и концентрации углекислого газа.

Признаки острого отравления углекислым газом

Выраженность симптомов интоксикации двуокисью углерода зависит от уровня содержания газа во вдыхаемом воздухе.

Легкая степень

При концентрации газа выше 2% отравление проявляется:

• общей слабостью;
• повышенной сонливостью;
• головной болью.

Средняя степень

При уровне содержания от 5 до 8% раздражаются слизистые оболочки дыхательных путей и органов зрения, понижается температура тела, повышается артериальное давление, учащается и углубляется дыхание. Все это сопровождается:

• тошнотой;
• одышкой;
• сердцебиением;
• чувством жара;
• головной болью;
• головокружением;
• чрезмерной возбудимостью;
• шумом в ушах.

Тяжелая степень

Концентрация CO2 более 3% в условиях закрытого помещения при 13,6%-ном содержании кислорода может привести к удушению, а более высокие дозы считаются смертельными и грозят летальным исходом от остановки дыхания. Тем не менее, при оказании незамедлительных мер помощи пострадавшему даже при тяжелой степени интоксикации возможен выход из этого состояния, хоть и с тяжелыми последствиями. Обычно они проявляются:

• ретроградной амнезией;
• чувством стеснения в груди;
• общей слабостью;
• головной болью и другими остаточными явлениями.

Последствиями тяжелой степени отравления нередко становятся пневмония или бронхит.

Как помочь пострадавшему

Первая помощь при отравлении углекислым газом, чтобы предотвратить летальный исход, должна быть оказана следующим образом:

1. Прежде всего нужно вывести пострадавшего с явными признаками интоксикации на свежий воздух и освободить его от одежды, стесняющей дыхание.
2. В тяжелых случаях может потребоваться ингаляция чистым кислородом.
3. Если у отравившегося наблюдается тахикардия и другие нарушения сердечной деятельности, необходима симптоматическая терапия сердечно-сосудистыми средствами.
4. При остановке дыхания, вызванной интоксикацией газом, возникает необходимость в искусственном дыхании.

Смертельные случаи отравления CO2 крайне редки и, как правило, связаны с нарушением техники безопасности при проведении опасных работ.

Как предупредить отравление углекислым газом

Важнейшим условием профилактики интоксикации является регулярное проветривание таких потенциально опасных помещений, где может скапливаться углекислый газ:

• подвалы и погреба;
• чаны и ямы, предназначенные для хранения овощей или фруктов;
• любые закрытые емкости или колодцы.

Во избежание накопления опасного газа подвалы, погреба и другие подземные помещения следует оборудовать системами вентиляции (хотя бы простыми форточками или вытяжными трубами).

Профилактика отравления CO2

При работе в водопроводных или канализационных колодцах следует соблюдать правила безопасности:

• Спускаться в колодцы только в специальном снаряжении (противогазах).
• При спуске в колодец наверху обязательно должен оставаться хотя бы один сотрудник или любое второе лицо, способное в случае необходимости вызвать спасателей и скорую медицинскую помощь.
• Водолазам и дайверам при первых же признаках нехватки воздуха оставшиеся на земле сотрудники должны сообщать о необходимости усиления нагнетания воздуха в их оснащение, а при симптомах удушья – прекратить работы и потребовать подъема.
• Ответственные за состояние воздуха в помещениях с большим количеством людей (учителя, заведующие хозяйственной частью, медперсонал) должны обеспечивать регулярное и полноценное проветривание классов, офисов, аудиторий, больничных палат.

Современные способы борьбы с излишками CO2 в быту

Современные энергосберегающие технологии, не позволяющие часто проветривать помещения (например, использование кондиционеров типа «Зима-Лето»), вынудили западных изобретателей находить новые способы удаления избытков двуокиси углерода из душных помещений. Благодаря исследованиям, подтвердившим вредное влияние этого газа на трудоспособность и общее самочувствие человека, были установлены предельно допустимые концентрации CO2 для закрытых помещений.

Позже были изобретены и сегодня активно используются поглотители (или абсорберы) CO2, способные существенно снижать его уровень. Такой абсорбент, установленный в душном помещении, требует минимального ухода, потребляет немного электроэнергии, но на протяжении 15 лет гарантированно обеспечивает обслуживаемую площадь здоровым, очищенным воздухом.

Как уже отмечалось, случаи летального исхода при интоксикации двуокисью углерода крайне редки, но это не говорит о его безопасности. Поэтому необходимо соблюдать меры предосторожности при работе с этим веществом или в помещениях, где оно может скапливаться.

Окружающая нас атмосфера имеет в своем составе множество газов. Основную процентную часть составляет азот (78,08%). Далее следует кислород (20,95%), аргон (0,93%), водяной пар (0,5-4%) и углекислый газ (0,034%). В воздухе также в незначительных количествах содержится водород, гелий и другие благородные газы. Концентрация основного большинства газов в атмосфере практически остается постоянной. Исключением являются вода и углекислый газ (СО 2) , процентная доля которых может сильно меняться в зависимости от окружающих условий.

Основным источником углекислого газа в помещении является человек. В любом месте, где находятся люди – школьные классы и детские сады, офисы и залы для совещаний, фитнесс центры и бассейны – всегда существует вероятность превышения нормы углекислого газа вследствие дыхания людей.

Вдали от городов, на природе, уровень СО 2 в воздухе составляет около 0,035%. В таком случае человек чувствует себя комфортно. Но в пределах города, особенно в переполненном транспорте или закрытых помещениях, углекислый газ может значительно превышать нормы. Ученые доказали, что в процентном количестве 0,1-0,2% углекислый газ становится токсичным для человека. Такие симптомы как головная боль или слабость возникают от избытка углекислого газа.

Исследования влияния СО 2 на самочувствие людей показали, что при высоких концентрациях этого газа в воздухе проявляется значительное понижение внимания и возникает хроническая усталость. Более того, углекислый газ становится причиной повышенной заболеваемости людей. В первую очередь страдает носоглотка и дыхательные пути, повышается число астматических приступов. При длительном воздействии углекислого газа на организм человека, в крови начинают происходить биохимические изменения, что приводит к гипертонии, ослаблению сердечнососудистой системы и т. д.

Контролировать углекислый газ нужно не только в школах, детских садах и офисах, но и в квартирах, а особенно в спальнях. Повышенное содержание углекислого газа в квартире может привести к головным болям и бессоннице.

Для нормирования углекислого газа в воздухе, помещения должны быть оснащены вентиляционными системами и регулярно проветриваться. Если же его концентрация часто превышает норму, в помещениях дополнительно устанавливают очистители воздуха.

Для растений дело обстоит в точности наоборот. В первую очередь для них углекислый газ является источником углерода для процесса фотосинтеза. Многочисленные опыты показали, что при обогащении воздуха углекислым газом не только возрастает продуктивность растений и ускоряется их рост, но также повышается устойчивость к различным заболеваниям. Концентрация углекислого газа в воздухе, который поступает в теплицы с улицы, оказывается слишком маленькой для растений, особенно в солнечные дни, когда процесс фотосинтеза происходит с большей интенсивностью. Поэтому в теплицах люди организовывают специальные подкормки из углекислого газа для улучшения роста растений и увеличения урожаев.

Очень чувствительными к углекислому газу оказываются грибы. К примеру, для получения опят с очень маленькими шляпками и длинными ножками, используют повышение уровня углекислого газа. Такая необычная форма этих грибов упрощает процесс их сбора. Шампиньон относится к углекислому газу при различных стадиях роста по-разному. В фазе вегетативного роста этот гриб нормально переносит высокую концентрацию СО2. Но в период образования плодов и плодоношения необходимо понижать уровень углекислоты в помещении путем интенсивного вентилирования и регулярного поступления свежего воздуха. Высокое содержание углекислого газа в этот период ухудшает качество плодовых тел и негативно влияет на их рост.

Выше перечислены далеко не все случаи, когда измерение уровня СО 2 является необходимым. Это привело к появлению прибора, который называется . В зависимости от области применения газоанализаторы имеют разные формы (переносные или стационарные), функции (определение количества углекислого газа в воздухе, обнаружение утечек и т. д.) и принципы действия (масс-спектрометрия, фотоакустический анализ и многие другие).

Принцип работы большинства стационарных анализаторов углекислого газа, устанавливаемых в помещениях для контроля воздуха, основан на инфракрасном (ИК) оптическом анализе. Этот метод получил широкое применение после изобретения миниатюрных датчиков. Молекулы углекислого газа имеют свойство поглощать излучение с длиной волны 4,255 мкм (что соответствует инфракрасному диапазону). Чем выше концентрация углекислого газа в воздухе, тем меньше амплитуда прошедшего инфракрасного излучения. Датчик углекислого газа внутри газоанализатора преобразовывает интенсивность излучения в электрический ток и на экран выводится результат. Источник излучения находится внутри самого прибора. Обычно это светодиод или твердотельный лазер.

Часто газоанализаторы СО 2 оснащены звуковым сигнализатором, который уведомляет об изменении уровня углекислого газа в воздухе и позволяет вовремя ввести необходимые меры.

Универсальность анализаторов углекислого газа позволяет без труда использовать их в различных областях человеческой деятельности – на работе и дома, в учебных классах и спортзалах, в теплицах или на грибных фермах, на заправочных станциях, в промышленности и на производстве. Они удобны в использовании и обеспечивают постоянный контроль над углекислым газом там, где Вам это необходимо.

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассмотрено влияние концентрации углекислого газа на организм человека. Данная тема актуальна в связи с частым нарушением уровня комфортной концентрации СО 2 в закрытых помещениях, а также в связи с отсутствием в России нормативов на содержание углекислоты.

ABSTRACT

In this paper, the effect of the concentration of carbon dioxide on the human body is considered. The actual topic is topical in connection with the frequent violation of the level of comfort of CO 2 concentration in enclosed premises, as well as in concentration with the absence in Russia of standards for the content of carbon dioxide.

Дыхание - физиологический процесс, гарантирующий течение метаболизма. Для комфортного существования человек должен дышать воздухом, состоящим из 21,5% кислорода и 0,03 – 0,04% углекислого газа. Остальное заполняет двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха, один из самых распространённых элементов на Земле – азот.

Таблица 1.

Параметры содержания кислорода и углекислого газа в различных средах

При концентрации углекислого газа выше 0,1% (1000 ppm ) возникает ощущение духоты: общий дискомфорт, слабость, головная боль, снижение концентрации внимания.Также увеличивается частота и глубина дыхания, происходит сужение бронхов, а при концентрации выше 15% - спазм голосовой щели. При длительном нахождении в помещениях с избыточным количеством углекислого газа происходят изменения в кровеносной, центральной нервной, дыхательной системах, при умственной деятельности нарушается, восприятие, оперативная память, распределение внимания.

Существует ошибочное мнение, что это проявления нехватки кислорода. На самом деле, это признаки повышенного уровня углекислого газа в окружающем пространстве.

В то же время углекислый газ, необходим организму. Парциальное давление углекислого газа влияет на кору головного мозга, дыхательный и сосудодвигательный центры, углекислый газ также отвечает за тонус сосудов, бронхов, обмен веществ, секрецию гормонов, электролитный состав крови и тканей. А значит, опосредованно влияет на активность ферментов и скорость почти всех биохимических реакций организма.

Уменьшение содержания кислорода до 15% или увеличение до 80% не существенно влияет на организм. В то время как на изменение концентрации углекислого газа на 0,1% оказывает существенное негативное воздействие. Отсюда можно сделать вывод о том, что углекислый примерно в 60-80 раз важнее кислорода.

Таблица 2.

В зависимость количества выделяемого углекислого газа от вида деятельности человека

Современный человек очень много времени проводит в помещении. В условиях сурового климата люди пребывают на улице всего 10 % своего времени.

В помещении концентрация углекислоты растет быстрее, чем понижается концентрация кислорода. Данную закономерность можно проследить по графикам, полученным опытным путем в одном из школьных классов

Рисунок 1. Зависимость уровня углекислого газа и кислорода от времени .

Уровень углекислого газа в классе во время урока (а) постоянно растет. (Первые 10 минут - настройка приборов, поэтому показания скачут.) За 15 минут перемены при открытом окне концентрация СО 2 падает и затем снова растет. Уровень кислорода (б) практически не меняется.

При концентрации углекислого газа внутри помещения выше 800 - 1000 ppm, люди, работающие там, испытывают синдром больного здания (СБЗ), а здания носят наименование «больные». Уровень примесей, которые могли бы вызвать раздражение слизистых оболочек, сухой кашель и головную боль растет значительно медленнее, чем уровень углекислого газа. А когда в офисном помещении его концентрация опускалась ниже 800 ppm (0,08%), то и симптомы СБЗ становились слабее. Проблема СБЗ стала актуальна после появления герметичных стеклопакетов и низкой эффективности принудительной вентиляции из-за экономии электроэнергии. Бесспорно, причинами СБЗ могут выступать выделения строительных и отделочных материалов, споры плесени и т д. при ненадлежащей вентиляции концентрация этих веществ будет расти, но не так быстро, как концентрация углекислоты.

Таблица 3.

Как разные количества углекислого газа в воздухе влияют на человека

Проблема повышенного уровня углекислого газа в помещении существует во всех странах. Ей активно занимаются в Европе США и Канаде. В России нет жестких норм на содержание в помещениях углекислого газа. Обратимся к нормативной литературе. В России норма воздухообмена не менее 30 м 3 /ч . В Европе – 72 м 3 /ч .

Рассмотрим, как были получены данные цифры:

Главный критерий – это объем углекислого газа, выделяемый человеком. Он, как было рассмотрено ранее, зависит от вида деятельности человека, а также от возраста, пола и т. д. Большинство источников рассматривают 1000 ppm как предельно-допустимую концентрацию углекислоты в помещении для длительного пребывания.

Для расчётов будем использовать обозначения:

• V - объем (воздуха, углекислого газа, и т.д.), м 3 ;
• V k - объем комнаты, м 3 ;
• V СО2 - объем СО 2 в помещении, м 3 ;
• v - скорость газообмена, м 3 /ч;
• v в - "скорость вентиляции", объем воздуха, подаваемого в помещение (и удаляемого из него) за единицу времени, м 3 /ч;
• v d - "скорость дыхания", объем кислорода, замещаемого углекислым газом в единицу времени. Коэффициент дыхания (неравность объема потребляемого кислорода и выдыхаемого углекислого газа) не учитываем, м 3 /ч;
• v СО2 - скорость изменения объема СО 2 , м 3 /ч;
• k – концентрация, ppm;
• k(t) - концентрация СО 2 от времени, ppm;
• k в - концентрация СО 2 в подаваемом воздухе, ppm;
• k max - максимально допустимая концентрация СО 2 в помещении, ppm;
• t – время, ч.

Найдем изменение объема СО 2 в помещении. Оно зависит от поступления СО 2 с приточным воздухом из системы вентиляции, поступления СО 2 от дыхания и удаления загрязненного воздуха из помещения. Будем считать, что СО 2 равномерно распределяется по помещению. Это значительное упрощение модели, но дает возможность быстро оценить порядок величин.

dV СО2 (t) = dV в * k в + v d * dt - dV в * k(t)

Отсюда скорость изменения объема СО 2:

v СО2 (t) = v в * k в + v d - v в * k(t)

Если человек вошел в помещение, то концентрация СО 2 будет расти до тех пор, пока не придет к равновесному состоянию, т.е. удаляться из комнаты будет ровно столько, сколько поступила с дыханием. То есть скорость изменения концентрации будет равна нулю:

v в * k в + v d - v в * k = 0

Установившаяся концентрация будет равна:

k = k в + v d / v в

Отсюда легко выяснить необходимую скорость вентиляции при допустимой концентрации:

v в = v d / (k max – k в)

Для одного человека с v d = 20л/час (=0.02 м 3 /ч), k max = 1000ppm (=0.001) и чистым воздухом за окном с v в = 400ppm (=0.0004) получим:

v в = 0.02 / (0.001 - 0.0004) = 33 м 3 /ч.

Мы получили цифру, данную в СП. Это минимальный объем вентиляции на человека. Она не зависит от площади и объема комнаты, только от "скорости дыхания" и объема вентиляции. Таким образом, в состоянии спокойного бодрствования концентрация СО 2 вырастет до 1000 ppm, а при физической активности будет превышение норм.

Для других значений k max объем вентиляции должен быть:

Таблица 4 .

Требуемый воздухообмен для поддержания заданной концентрации СО 2

Из этой таблицы можно найти требуемый объем вентиляции при заданном качестве воздуха.

Таким образом, воздухообмен 30 м 3 /ч, принятый нормативным в России не позволяет чувствовать себя комфортно в помещении. Европейский стандарт воздухообмена 72 м 3 /ч позволяет одерживать концентрацию углекислого газа, не влияющую на самочувствие человека.

1. И. В. Гурина. «Кто ответит за духоту в помещении» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://swegon.by/publications/0000396/ (Дата обращения: 25.06.2017)
2. Кислород и углекислый газ в крови человека. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.grandars.ru/college/medicina/kislorod-v-krovi.html (Дата обращения: 23.06.2017)
3. СП 60.13330.2012 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» стр. 60 (приложение К).
4. Что такое углекислый газ? [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://zenslim.ru/content/%D0%A3%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D0%B8%D1%81%D0%BB%D1%8B%D0%B9-%D0%B3%D0%B0%D0%B7-%D0%B2%D0%B0%D0%B6%D0%BD%D0%B5%D0%B5-%D0%BA%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%B0-%D0%B4%D0%BB%D1%8F-%D0%B6%D0%B8%D0%B7%D0%BD%D0%B8 (Дата обращения: 13.06.2017)
5. EN 13779 Ventilation for non-residential buildings – p.57 (Table A/11)