Кислородные режимы организма

Слово "режим" означает точно установленный порядок, строго регулируемые сочетания основных параметров процесса, благодаря которым достигается полезный результат работы системы. Кислородные режимы организма (КРО) тоже управляемый порядок, при котором протекает неразрывный процесс массопереноса и утилизации кислорода в организме при строго управляемых сочетаниях его параметров - скорости продвижения и парциальных давлений на каждом участке кислородного конвейера, которые обеспечивают важнейший для организма эффект - удовлетворение его потребности в кислороде.

При характеристике кислородного режима организма учитывают прежде всего скорость продвижения этого газа по конвейеру: его объем, проходящий соответствующий участок за единицу времени (за 1 мин). Для того чтобы скорость продвижения кислорода можно было сравнивать при разных обстоятельствах, его объем оценивают в стандартных условиях, под которыми в физике и химии подразумевают давление 760 мм рт. ст. (атмосферное), температуру 0°С, отсутствие водяных паров. Можно рассчитать и массу кислорода (в граммах либо в грамм-молекулах), продвигающуюся по данному участку, т. е. количественно оценить скорость массопереноса кислорода на определенном участке конвейера.

Скорость поступления кислорода в легкие (его масса или объем, поступающие за 1 мин в легкие с вдыхаемым воздухом) определяют по минутному объему дыхания (МОД) и содержанию кислорода во вдыхаемом воздухе. В обычных условиях МОД у мужчин среднего возраста равен 6-7 л/мин. Для сравнения МОД в разных условиях окружающей среды (барометрического давления, температуры) измеренный объем воздуха пересчитывают для стандартных условий (для этого используются соответствующие коэффициенты). На уровне моря в средних широтах, где этот коэффициент колеблется в пределах 0,85 - 0,9, кислород составляет 20,95 % вдыхаемого воздуха. Например, скорость поступления кислорода в легкие и альвеолы человека, МОД которого равен 7000 мл/мин, рассчитывается следующим образом: 7000x0,9x20,9=1317 мл/мин. Из-за наличия мертвого дыхательного пространства, которое составляет 28 - 32 % МОД, только 68 - 72 % поступающего в легкие кислорода достигает альвеол. У человека, взятого нами для примера, скорость поступления кислорода в альвеолы при объеме мертвого дыхательного пространства, равном 30 % МОД, составляет 70 % скорости его поступления в легкие, т.е. 921 мл/мин.

Скорость массопереноса кислорода кровью зависит от его содержания в крови и от минутного объема крови (МОК), выбрасываемого сердцем в сосудистое русло за мин. При МОК, равном 4 л/мин, и содержании кислорода в артериальной крови, достигающем 190 мл/л, скорость транспорта кислорода артериальной кровью составляет 4 л/мин X 190 мл/л = 760 мл/мин.

Потребление кислорода у взятого нами для примера мужчины происходит со скоростью 260 мл/мин. Именно на эту величину скорость транспорта кислорода венозной кровью (после ее поступления из тканей в крупные вены и правое предсердие) меньше скорости его массопереноса артериальной кровью. Скорость кислорода смешанной венозной кровью равна 760 мл/мин - 260 мл/мин = 500 мл/мин. Расчеты скорости поэтапной доставки кислорода и его потребления организмом позволяют при нагрузках с МОК количественно оценить производительность системы дыхания, аэробные возможности организма. У взрослого мужчины скорость поступления кислорода в легкие и альвеолы, а также его массопереноса кровью в состоянии покоя и при МОК больше, чем у женщины того же возраста, у ребенка и старика. Мужчина среднего возраста обладает большой кислородной (аэробной) мощностью, которую в процессе физической тренировки, особенно спортивной, можно увеличить, при этом развивается вся система дыхания.

Для сравнения состояния организмов индивидуумов неодинакового роста и массы тела рассчитывают не только абсолютные величины, но и потребление кислорода на единицу массы тела либо его поверхности. Такие величины обозначаются в физиологии термином интенсивность. Например, интенсивность потребления кислорода определяется его объемом (или количеством), потребляемым организмом за 1 мин в расчете на 1 кг массы тела. Так же оценивается интенсивность поступления кислорода в легкие и альвеолы, его массопереноса артериальной и смешанной венозной кровью.

У двух человек одного и того же роста с одинаковой массой тела, но разного возраста в состоянии покоя поэтапная скорость, интенсивность массопереноса кислорода и его потребления (в миллилитрах в минуту на кг массы тела) различаются. У подростка 16 лет интенсивность поступления кислорода в легкие и альвеолы, а также его поэтапного транспорта больше, чем у взрослого мужчины. У ребенка эти показатели еще выше. Так, в 7-летнем возрасте на 1 кг массы тела интенсивность поступления кислорода в легкие достигает 33 - 37 мл/мин, в альвеолы - 26 - 27; артериальная кровь доставляет его тканям со скоростью 21 - 22, смешанная венозная кровь уносит кислород к сердцу и легким со скоростью 13 - 14 мл/мин; у мужчины средних лет эти показатели соответственно равны 17 - 18; 12 - 12,5 и 7 - 7,5 мл/мин. С возрастом интенсивность поэтапной доставки кислорода и его потребления тканями снижается.

Сопоставляя скорости доставки кислорода и его потребления, можно оценить эффективность работы дыхательного конвейера как в целом, так и отдельных его звеньев. Для этого рассчитывают, во сколько раз скорость массопереноса кислорода на данном участке кислородного конвейера больше, чем потребление. Выше отмечалось, что работа кислородного конвейера у подростка и ребенка (т. е. кислородный режим организма) менее эффективна, чем у взрослого. Так, у подростка на 1 л потребленного кислорода в легкие должно поступать 6 л, в альвеолы - около 5; артериальной кровью транспортироваться 4 л. У взрослого эти показатели соответственно равны 4,5; 4 и 3. Меньшая эффективность КРО у развивающихся организмов биологически оправдана - она позволяет иметь большие резервы кислорода.

Для оценки функционального состояния организма важно знать, какими усилиями достигаются высокие скорости поэтапной доставки и потребления кислорода, высокая эффективность КРО. При оценке функциональных усилий организма, затрачиваемых на обеспечение организма 1 л кислорода (объем дыхания и сердечный выброс за 1 мин), можно получить представление об экономичности КРО. О ней судят по вентиляционному (ВЭ) и гемодинамическому (ГЭ) эквивалентам, кислородным эффектам дыхательного и сердечного циклов. У подростка и ребенка эти показатели значительно ниже, чем у взрослого. Так, организм подростка каждый литр кислорода извлекает из 29 л поступающего в легкие воздуха, для чего требуется 18 л циркулирующей крови, у 7-летнего ребенка для этого требуется соответственно 30 и 22 л, тогда как у мужчины средних лет - 26 и 16 л. Об экономичности КРО можно также судить по кислородному эффекту дыхательного и сердечного циклов, т. е. по тому объему кислорода, который поглощается организмом за каждый дыхательный и сердечный цикл (кислородный эффект сердечного цикла в физиологии спорта получил название кислородный пульс).

Примеры конкретного применения характеристик КРО в возрастной физиологии, физиологии труда и спорта, в высокогорной физиологии, в клинике будут приведены в последующих статьях.

О процессе обеспечения организма кислородом, как было показано выше, можно судить по значениям важнейшего управляемого параметра - Р02 в различных звеньях кислородного конвейера: в альвеолярном воздухе, в артериальной и в смешанной венозной крови. Конечно, Р02 на разных участках конвейера во многом (хотя и не полностью) зависит от его величины во вдыхаемом воздухе (Р02). При низком Р02 на кислородном конвейере снижается прежде всего Р02 в альвеолярном воздухе, а затем - в артериальной крови. В нормальных условиях в состоянии покоя значения Р02 на каждой ступеньке каскада у данного индивидуума постоянны, но они могут изменяться при различных состояниях организма (при физической нагрузке, в условиях измененного парциального давления кислорода в воздухе, при различных заболеваниях и пр.). Каскады Р02 различаются у лиц разного пола, возраста, неодинаковой степени тренированности.

Что может нам дать анализ каскадов Р02? Прежде всего это позволит судить о состоянии организма. При низком Р02 развивается кислородная недостаточность - гипоксия. Степень ее зависит от того, насколько отклонены от нормы Р02 альвеолярного газа, артериальной, смешанной венозной крови, напряжение кислорода в тканях.

При нормальном Р02 снижение Р02 в альвеолярном воздухе (РА02) может свидетельствовать о наличии препятствий в дыхательных путях, заболеваниях дыхательных путей и легких.

Падение напряжения кислорода в артериальной крови должно насторожить врача и направить его действия в сторону выявления и устранения причин снижения Ра02 при нормальном Р02. Оно может быть следствием заболеваний легких, некоторых заболеваний сердечнососудистой системы (в частности, врожденных пороков сердца). При снижении Р02 и Ра02, если последнее оказывается ниже 50 мм рт. ст., развивается тканевая гипоксия, падает скорость потребления кислорода, снижается скорость синтеза АТФ, образуются недоокисленные продукты, кислотно-щелочное равновесие нарушается, сдвиг происходит в кислую сторону. Накапливаются водородные ионы, нарушается ионное равновесие и состояние биологических мембран, снижается функция клетки.