Fiziologija potapljanja:
Toksičnost kisika (1. del)

  

Fiziologija potapljanja

   (Dean Horvat)  
 

 

I. UVOD

V tekstu o narkozi inertnih plinov sem uvodoma dejal, da se v dihalnih mešanicah poleg inertnih plinov, nujno nahaja tudi kisik (O2). Le-ta je sicer nujno potreben za proces aerobnega metabolizma – procesa, v katerem prihaja do izgorevanja energetsko bogatih molekul, pri čemer nastaja kemična energija v obliki ATP, ki jo naše telo uporabi za svoje delovanje. Pri aerobnem metabolizmu se porablja kisik. Brez kisika ni življenja. Vendar pa je s kisikom tako, kot z večino stvari v našem življenju: tudi tu obstaja neka optimalna vrednost, odstopanja, tako v pozitivno, kot negativno smer pa lahko privedejo do najrazličnejših težav. Vodilo je torej zmernost. V nadaljevanju tega teksta bom skušal predstaviti nekatera zanimiva, a pogosto zanemarjena dejstva, o naravi in fizioloških učinkih tega plina pri potapljanju.

 

II. LASTNOSTI KISIKA, PARCIALNI TLAK KISIKA (PO2)

Kisik je v normalnih pogojih brezbarvni plin brez okusa in vonja. V zraku ga je 23.15% po masi in 20.98% po volumnu. Pri potapljanju sta ta dva odstotna deleža zelo pomembna. Če se namreč spremeni volumski odstotni delež kisika (oznaka FO2) v dihalnem mediju, ki se nahaja v jeklenki, se spremenijo tudi fiziološki procesi v našem telesu. Zakaj pa je sploh potrebno spreminjati volumski odstotni delež kisika? Odgovor tiči v inertnih plinih dihalne mešanice. Ugotovili smo že (glej tekst: Narkotično delovanje inertnih plinov), da so ravno inertni plini odgovorni za narkotično delovanje, če jih dihamo pod povišanim parcialnim tlakom. V iskanju novih rešitev za doseganje večjih globin ali časovno podaljšanih potopov je šlo razmišljanje nekako v tej smeri: ˝Če zmanjšamo volumski delež inertnega plina v dihalni mešanici, se bo narkoza pojavila kasneje in v večji globini, kot se sicer. Torej je v dihalni mešanici smiselno zmanjšati volumski delež inertnih plinov ali pa jih nadomestiti z drugimi manj narkotičnimi inertnimi plini (npr. nadomestitev dušika s helijem).˝ Če že spreminjamo volumski delež inertnih plinov pa načeloma lahko spreminjamo tudi volumski delež kisika. Pa je to zares smiselno? Seveda, s spreminjanjem volumskega deleža kisika lahko:

Nekaterim se na tem mestu prav gotovo zastavlja vprašanje: ˝Zakaj sploh še uporabljam zrak? Nitrox ima nekatere idealne značilnosti.˝ Drugi se boste verjetno vprašali: ˝Ali ni nevarno zmanjšati volumskega deleža O2 pod 21% pri uporabi mešanic Heliox in Trimix? Saj je kisik vendarle plin, nujno potreben za življenje.˝ Vprašanja so logična, za odgovor pa se bomo morali zateči k fiziologiji in pomembnemu pravilu, ki pravi:

Fizioloških učinkov O2 ne določa volumski delež kisika (FO2), temveč parcialni tlak kisika (PO2)

Za temeljito razumevanje koncepta parcialnih tlakov se moramo ponovno seznaniti z Daltonovim zakonom. Ta pravi, da je vsota parcialnih tlakov plinov v plinski mešanici enaka skupnemu tlaku plinske mešanice. Ali malce drugače: v mešanici plinov je tlak, ki ga izvaja posamezni plin proporcionalen odstotku, ki ga zaseda sam. Oglejmo si, kaj je Dalton mislil v primeru običajnega zraka.

Zrak, ki ga dihate ta trenutek, je sestavljen iz 20.98% kisika, 78.05% dušika in 1% plinov v sledovih. V Skladu z Daltonovim zakonom lahko zapišemo:

P(zrak) = PO2 + PN2 + Pplini v sledovih = 0.2098ATA O2 + 0.7805ATA N2 +0.01 ATA plini v sledovih = 1ATA

Vsota vseh parcialnih tlakov plinov, ki sestavljajo plinsko mešanico, ki jo imenujemo običajni zrak, je 1 absolutna atmosfera (1ATA).

Daltonov zakon pa lahko izrazimo tudi z uporabo volumskega deleža kisika (FO2) po naslednji enačbi:

PO2 = FO2 x P(tot) ,

kjer velja:
PO2: parcialni tlak kisika
FO2: volumski delež kisika, izražen decimalno;
P(tot): skupni tlak, ki ga izvajajo vsi plini

Iz te enačbe vidimo, da parcialni tlak (PO2) narašča z globino, navkljub konstantnemu volumskemu odstotku kisika (FO2) v dihalnem mediju. Če namreč narašča globina, bo naraščal tudi skupni tlak vseh plinov v plinski mešanici, ki jo dihate, saj vam SCUBA aparat vedno dovaja dihalni medij pod takim tlakom, kolikor znaša tlak okolice (Upam, da še vsi veste, zakaj.).

Oglejmo si to pomembno ugotovitev na primeru:

Potapljač, ki je utonil, je kot dihalni medij uporabljal običajni zrak. Po podatkih, ki so jih reševalcem dali drugi potapljači na kraju nesreče, je ponesrečeni planiral potop na 100 metrov.

Kolikšen je parcialni tlak kisika na globini 100m?

PO2 = FO2 x P(tot) = 0.2098 x 11.0ATA = 2.31ATA

Potapljača je reševala ekipa potapljačev, ki je v operaciji iskanja na dani globini uporabljala mešanico Trimix. Reševalci so se izognili toksičnosti kisika tako, da so na globini dihali mešanico, ki je bila pripravljena tako, da parcialni tlak kisika (PO2) ni presegel 1.4ATA.

Kolikšen volumski delež kisika so potapljači imeli v mešanici, ki so jo uporabljali na tej globini ?

Seveda velja tudi obratno: parcialni tlak kisika (PO2) pada z zmanjševanjem globine, čeprav imamo v dihalni mešanici konstanten volumski odstotek kisika (FO2).

Če ugotovitve povzamemo, lahko z uporabo zgornjih enačb določimo parcialni tlak kisika za kakršnokoli dihalno mešanico, na katerikoli globini:

 

Globina

(m)

PO2 (ATA)

Običajni zrak

(21% O2, 79% N2)

PO2 (ATA)

EAN32

(32% O2, 68% N2)

PO2 (ATA)

EAN36

(36% O2, 64% N2)

PO2 (ATA)

Heliox10

(10% O2, 90% He2)

0

0.21

0.32

0.36

0.10

10

0.42

0.64

0.72

0.20

15

0.53

0.80

0.90

0.25

20

0.63

0.96

1.08

0.30

25

0.74

1.12

1.26

0.35

30

0.84

1.28

1.44

0.40

35

0.95

1.44

1.62

0.45

40

1.05

1.6

1.80

0.50

50

1.26

1.92

2.16

0.60

60

1.47

2.24

2.52

0.70

70

1.68

2.56

2.88

0.80

80

1.89

2.88

3.24

0.90

90

2.10

3.20

3.60

1.00

100

2.31

3.52

3.96

1.10

 

 

III. TOLERANČNE MEJE ZA KISIK

Dejali smo že, da so fiziološki odzivi telesa odvisni od parcialnega tlaka kisika (PO2). Človeški organizem je najbolje prilagojen za bivanje v pogojih, ki jih označujemo kot normooksične, t.j. pogoje, kjer je v dihalnem mediju pri skupnem tlaku 1ATA, 21% O2 oz. znaša parcialni tlak kisika 0.21ATA. Ti pogoji so izpolnjeni v našemu vsakodnevnemu bivalnemu okolju. Od normooksičnosti vodita dve poti:

Če povzamemo nekaj zgornjih podatkov, vidimo, da človeško telo normalno funkcionira v mejah od min. PO2 = 0.16ATA do max. PO2 = 0.5ATA. Vse kar je manj ali več, lahko predstavlja resen fiziološki problem:

Klinična oznaka

P O2

(parcialni tlak kisika)

Primeri

T

O

K

S

I

Č

N

O

S

T

Akutna

toksičnost

3.0

50/50 Nitrox – terapija @ ATA (50m)

2.8

100% O2 @ 2.8 ATA (18m)

2.5

Maksimum za vojaško dekompresijo

2.4

60/40 Nitrox – terapija @ ATA (50m)

2.0

U.S. Navy – max. Izjemna izpostavljenost

1.6

U.S. Navy – max normalna izpostavljenost

Sistem.

toksičnost

0.5

Maksimalna saturacijska izpostavljenost

 

0.35

Normalna saturacijska izpostavljenost

NORMOOKSIČNOST

0.21

Normalno okolje

H
I
P
O
K
S
I
J
A

Fiziološka toleranca

0.16

Pričetek znakov hipoksije

 

0.12

Resni znaki hipoksije

0.10

Nezavest

< 0.10

Koma / smrt

ANOKSIJA

0.00

Koma / smrt

V prvi tabeli smo že določili PO2 nekaterih mešanic. Če primerjamo vrednosti parcialnih tlakov kisika z zgornjo tabelo, lahko določimo kritične globine, na katerih se bo pojavilo toksično delovanje kisika.

 

IV. HIPOKSIJA IN ANOKSIJA

O hipoksiji in anoksiji pri potapljanju lahko v splošnem govorimo takrat, ko parcialni tlak kisika (PO2) v dihalnem mediju pade do te mere, da ne more zadostiti več potrebam organizma po kisiku. Medtem, ko izraz hipoksija (pomanjkanje kisika) označuje proces, ki se manifestira z najrazličnejšimi simptomi in znaki, anoksija (popolno pomanjkanje kisika) predstavlja končno stanje tega procesa, ko je kisik v telesu popolnoma odsoten. Anoksija hitro vodi do nepopravljivih poškodb živčnega tkiva, ki so nezdružljive z življenjem.

Hipoksija se pri potapljanju v splošnem pojavlja pri:

Pri tehničnem potapljanju je v zvezi s polnjenjem dihalnega medija potrebno omeniti še to, da je po pripravi mešanice z metodo parcialnega polnjenja, kjer mešanico pripravljamo tako, da v jeklenko dodajamo vsak plin posebej ali jeklenko polnimo z zrakom, ki mu nato dodamo posamezni plin/pline, potrebno nekaj časa počakati, da se molekule plinov enakomerno razporedijo po celotnem volumnu jeklenke, preden tako mešanico uporabimo za dihanje.

Vojaški potapljač opravlja nalogo na globini 150 metrov. Pri tem želimo preprečiti toksičnost kisika, zato potapljač diha tako pripravljeno mešanico, ki na tej globini ne bo povzročila akutne toksičnosti kisika. Za primer recimo, da bo PO2 v mešanici 1.4ATA.

Vidimo, da bo potapljač dihal mešanico z 9% kisika, da bi na globini 150 metrov preprečil toksično delovanje kisika zaradi povišanega parcialnega tlaka. Po drugi strani pa bi potapljač izgubil zavest, če bi to mešanico dihal na površini. Po pravilu ˝10+10˝ je tlak 0.09ATA pod hipoksičnim pragom 0.1ATA pri katerem pride do izgube zavesti (glej tabelo). Zaradi tega dejstva se pri tehničnem potapljanju uporablja t.i. ˝starter mešanice˝ z dovolj visoko vsebnostjo kisika, ki potapljaču omogočijo potovanje do delovne globine in nazaj (vključno z dekompresijskimi obvezami).

V okviru tehničnega potapljanja z zaprtokrožnimi dihalnimi sistemi (rebreathrji), kjer je mešanje dihalnega medija računalniško kontrolirano lahko pride do hipoksije zaradi odpovedi računalniškega sistema ali, pogosteje, zaradi nepravilnega delovanja filtra za CO2.

 

V. MANIFESTACIJA HIPOKSIJE IN PRVA POMOČ

Na hipoksijo je najobčutljivejše živčno tkivo, od tega še posebno možgani. Že po približno desetih minutah po prenehanju dihanja (takrat nastopi zadnja faza, ko hipoksija preide v anoksijo) namreč na možganih pride do ireverzibilnih okvar, ki niso združljive z življenjem. Do okvar, ki vodijo v prizadetost možganskega tkiva in s tem trajno invalidnost pa prihaja že po približno šestih minutah od prenehanja dihanja (Vrednosti so zgolj načelne, odvisne so od stopnje metabolizma, zunanje temperature in drugih faktorjev, pri čemer za potapljače načeloma veljajo ugodnejše vrednosti, saj je vodno okolje večinoma hladno, kar posledično upočasni metabolizem.), stanje pa še dodatno komplicira morebitni predhodni obstoj kisikovega dolga, predvsem na račun delovanja skeletne muskulature.

Med simptomi in znaki, ki kažejo na progresivnost hipoksije lahko naštejemo naslednje:

V okviru prve pomoči na terenu je bistveno, da se vsi ukrepi za odpravljanje hipoksije pričnejo čimprej. Na površini vključujejo dihanje 100% kisika, pod vodo pa mora hipoksičen potapljač čimprej zaustaviti vse aktivnosti, dihati počasi in globoko ter ob najmanjšem sumu na tako ali drugače s kisikom osiromašen zrak takoj pričeti z dvigovanjem na površino. Bistvo teh tehnik je preprečevanje zadihanosti, ki se v potapljanju smatra za kritično situacijo.

V okviru tehničnega potapljanja preidejo potapljači z razvijajočimi se znaki hipoksije na dihanje medija z višjo vsebnostjo kisika, kjer pa PO2 ne sme presegati 1.6ATA.

Pri potapljanju z zaprtokrožnimi dihalnimi sistemi (rebreatherji) je potrebno ob sumu na razvijajočo se hipoksijo prezračiti celotni sistem ali/in preiti na odprtokrožno dihanje glavne mešanice (če gre za predhodno pripravljeno mešanico) ali posebne rezervne mešanice oz. zraka.

Po terapiji s kisikom je potrebno piti veliko tekočine, po možnosti izotonične (npr. rehidracijske soli, ki jo je moč kupiti tudi v lekarnah) ter se vzdržati potapljanja naslednjih 24 ur.

Potapljači, ki se potapljajo v apnei, sicer skupina najbolj podvržena hipoksiji, pa se le-tej izognejo s podaljšanjem intervalov med potopi ter zmernimi časi zadrževanja pod vodo (za progresivno podaljševanje časov pod vodo so sicer potrebne fiziološke adaptacije in uporaba posebnih tehnik, s katerimi jih je moč doseči.). Pri tovrstnem potapljanju je tudi izjemnega pomena, da se potapljači varujejo tako, da se potapljajo v paru, uporabljajo uro z alarmom, ki jih opozori na pričetek dviga ali uporabljajo posebne napihljive ovratnice, ki se aktivirajo po določenem času in potapljača ponesejo na površino, kjer ostane v položaju z glavo nad površino vode.

 

VI. NAMESTO KONCA

Toliko za uvod. V drugem delu teksta o toksičnosti kisika se bom podrobneje posvetil fiziološkim mehanizmom ter težavam, ki nastanejo zaradi izpostavljenosti povišanim parcialnim tlakom kisika, predvsem o akutni toksičnosti kisika in sistemski toksičnosti kisika.

 

Veliko lepih in varnih potopov,

Dean Horvat

[Nazaj]

Spisal (C) Dean, na HTML pretvoril inu na svitlo dal Gregec, 25. septembra 2000