Fiziologija potapljanja:
Toksičnost kisika (3. del)
|
Fiziologija potapljanja:
|
|
||
| (Dean Horvat) | ||||
I. SISTEMSKA KRONIČNA TOKSIČNOST KISIKA
Za razliko od akutne toksičnosti kisika, ki nastopi pri relativno kratkotrajni izpostavljenosti parcialnemu tlaku kisika, ki je enak ali presega 1.6ATA, sistemska kronična toksičnost, kot nakazuje že ime samo, nastopi po dolgotrajnejši izpostavljenosti povišanemu parcialnemu tlaku kisika, ki pa ne presega 0.5ATA. Že uvodoma velja omeniti, da potapljači rekreativci niso nikoli izpostavljeni tej vrsti kisikove toksičnosti (vključno s potapljači, ki uporabljajo standardni mešanici EANx). Sistemska kronična toksičnost kisika postane problematična v naslednjih primerih:
Podobno, kot lahko opišemo narkotične učinke inertnih plinov in akutno toksičnost kisika kot posledico doze, tako isti princip velja tudi za nastanek in razvoj sistemske kronične toksičnosti kisika: namreč, čim dlje časa je organizem izpostavljen povišanemu PO2, ki ne presega 0.5ATA, tem večja je verjetnost za razvoj simptomov/znakov sistemske kronične toksičnosti kisika. Avtorji velikokrat označujejo sistemsko kronično toksičnost kisika tudi z imenom ˝Respiratorna toksičnost kisika˝. Ime samo temelji predvsem na najočitnejših spremembah v fiziološki funkciji pljuč. Ime je rahlo netočno, kajti degeneracija respiratorne funkcije je le najočitnejši, ne pa hkrati tudi edini znak tovrstnega toksičnega delovanja kisika na organizem. Temu dejstvu navkljub pa se bom v nadaljevanju teksta omejil zgolj na respiratorno degeneracijo. Tako lahko označimo naslednje fiziološke spremembe respiratornega sistema pri sistemski kronični toksičnosti kisika:
Degenerativne spremembe funkcije pljuč:
Degenerativne anatomske spremembe pljuč:
Nič razumeli? Poskusimo malce bolj poljudno: če omenjene degenerativne spremembe pretvorimo v simptome in znake sistemske kronične toksičnosti kisika vidimo, da so le-te predvsem posledica oksidativne škode, ki je nastala zaradi daljše izpostavljenosti kemičnemu delovanju kisika. Preprosteje povedano: kisik v daljšem obdobju oksidira surfaktant, posebno mazavo substanco, ki z notranje strani obdaja alveole (pljučne mešičke). Surfaktant igra pomembno fiziološko vlogo: Zaradi svojih mazavih karakteristik namreč povečuje površinsko napetost alveol, česar posledica je to, da so le-ti stalno razširjeni. Le razširjen alveol namreč predstavlja dovolj veliko površino, preko katere je možna izmenjava plinov v obsegu, ki je zadosten za normalno fiziološko funkcijo pljuč. Ko kisik enkrat oksidira sestavine surfaktanta, si nastalo stanje lahko predstavljamo tako, kot, če bi hoteli napihniti nov balon: Napihovanje novega balona je zelo težavno, saj so stene le-tega zlepljene in suhe (ni surfaktanta). Če pa bi v tak balon pred napihovanjem kanili par kapljic detergenta ali drugega lubrikanta, bi bilo napihovanje bistveno olajšano. Pri pljučih, kjer je nastala škoda zaradi delovanja kisika, prihaja do zelo podobnega stanja: alveoli brez surfaktanta namreč ob vsakem izdihu kolabirajo (stene alveolov se stisnejo in zlepijo), ob vdihu pa se le z velikimi težavami zopet napolnijo s plinom, saj je potrebna zelo velika sila, da se zlepljene stene alveolov zopet ločijo ena od druge. Zaradi tega je dihanje oteženo, naporno in boleče. Spremlja ga suh kašelj in krvavitev v pljuča, saj pri nenehnem zlepljanju in trganju sten alveolov prihaja do mehanskih poškodb pljuč. Posledica tega je vnetje pljuč, ki se (tako, kot vsa druga vnetja) kaže z izločanjem eksudata (sokrvice, v kateri so bele krvničke) v pljuča, kar še dodatno otežuje dihanje.
Pri ugotavljanju stopnje izpostavljenosti toksičnosti kisika se, zaradi zgoraj opisanih argumentov, metodika meritev le-te osredotoča predvsem na zmanjšanje vitalne kapacitete pljuč. V tem smislu se danes uporabljata dve metodi:
II. Wrightova metoda merjenja doze pulmonarne toksičnosti
Wrightova UPTD metoda, s katero merimo škodo, ki jo kisik povzroča na pljučih, je bila razvita predvsem za spremljanje sistemske kronične toksičnosti kisika pri terapiji v rekompresijskih komorah. Uporablja se tudi pri saturacijskem potapljanju v komercialne in vojaške namene, kjer gre za dolgotrajne izpostavljenosti povišanemu parcialnemu tlaki kisika, ki ne presega 0.5ATA. Metoda je tudi temelj izračunov izpostavljenosti kisiku, ki ga uporabljajo procesne enote, ki skrbijo za mešanje dihalnega medija v podvodnih raziskovalnih/vojaških postajah s stalnimi ekipami ter v nekaterih vrstah podmornic.
Standardno enoto Wrightove metode merjenja doze pljučne toksičnosti predstavlja 1 UPTD (Unit Pulmonary Toxicity Dose) - enota doze pljučne toksičnosti, ki predstavlja ekvivalent dihanja 100% O2 pri tlaku 1ATA v trajanju 1 minute. Glede na Wrightove meritve pri izpostavljenosti med potopom ali terapijo v rekompresijski komori ne smemo preseči vrednosti 615 UPTD/dan. Izjemoma smemo pri terapiji v hiperbarični komori akumulirati maksimalno 1440 UPTD/dan. Wrightova metoda se veliko uporablja pri terapiji dekompresijske bolezni (in drugih stanj) v rekompresijski komori. Pri zdravljenju se tako upošteva predvsem zmanjšanje vitalne kapacitete pljuč. Če namreč pacienta izpostavimo parcialnim tlakom kisika 0.5ATA ali podobnim v obdobjih, ki so predolga, bo terapija npr. dekompresijske bolezni dejansko vodila v poslabšanje simptomov/znakov zaradi zmanjšane funkcije pljuč, kot posledice škodljivega delovanja kisika, bo izločanje dušika iz organizma namreč oteženo. Pri hiperbarični terapiji se je torej potrebno izogniti sistemski kronični toksičnoisti kisika, hkrati pa zaradi resnosti dekompresijske bolezni, obdobja izpostavljenosti kisiku obdržati na najdaljšem možnem času, da bi se dušik mogel kar najhitreje izločiti iz organizma. Pri tovrstnem ˝balansiranju˝ med koristnostjo in škodljivosjo kisika, je v veliko pomoč še dodatno dejstvo, t.i. ˝ponastavitev kisikove ure˝ - čas v katerem enote UPTD zopet padejo na vrednost 0 in je kisikovo terapijo moč ponovno uporabiti brez nevarnosti za razvoj sistemske toksičnosti kisika. Wrightovo delo lahko tako strnemo v naslednjo razpredelnico:
|
UPTD (#) |
Zmanjšanje vitalne kapacitete pljuč (%) |
Ponastavitev kisikove ure (h) |
|
615 |
2 |
2 |
|
825 |
4 |
4 |
|
1035 |
6 |
6 |
|
1230 |
8 |
8 |
|
1425 |
10 |
10-12 |
|
1815 |
15 |
13 |
|
2190 |
20 |
20 |
Če malce podrobneje pokukamo v Wrightovo metodiko izračunavanja UPTD, lahko izračunamo izpostavljenost kronični toksičnosti kisika. Izračunavanje UPTD poteka po naslednjih korakih:
1. Določi PO2 za globine potopa (PO2 = FO2 x P(tot) )
2. Iz spodnje tabele faktorjev Kp poišči ustrezen faktor za izračunan PO2
3. Faktor Kp pomnoži s časom, preživetim na posamezni globini. Dobiš UPTD na tej globini
4. Seštej vse UPTD na vseh globinah. Dobiš celotno izpostavljenost v UPTD
|
PO2 |
Kp |
PO2 |
Kp |
PO2 |
Kp |
PO2 |
Kp |
|
0.50 |
0.00 |
1.70 |
2.07 |
2.90 |
3.70 |
4.10 |
5.18 |
|
0.60 |
0.26 |
1.80 |
2.22 |
3.00 |
3.82 |
4.20 |
5.30 |
|
0.70 |
0.47 |
1.90 |
2.36 |
3.10 |
3.95 |
4.30 |
5.42 |
|
0.80 |
0.65 |
2.00 |
2.50 |
3.20 |
4.08 |
4.40 |
5.54 |
|
0.90 |
0.83 |
2.10 |
2.64 |
3.30 |
4.20 |
4.50 |
5.66 |
|
1.00 |
1.00 |
2.20 |
2.77 |
3.40 |
4.33 |
4.60 |
5.77 |
|
1.10 |
1.16 |
2.30 |
2.91 |
3.50 |
4.45 |
4.70 |
5.89 |
|
1.20 |
1.32 |
2.40 |
3.04 |
3.60 |
4.57 |
4.80 |
6.01 |
|
1.30 |
1.48 |
2.50 |
3.17 |
3.70 |
4.70 |
4.90 |
6.12 |
|
1.40 |
1.63 |
2.60 |
3.31 |
3.80 |
4.82 |
5.00 |
6.24 |
|
1.50 |
1.78 |
2.70 |
3.44 |
3.90 |
4.94 |
||
|
1.60 |
1.93 |
2.80 |
3.57 |
4.00 |
5.06 |
V nadaljevanju teksta bom skušal dosedaj zbrane ugotovitve (vključno s tistimi iz prvega in drugega dela teksta o toksičnosti kisika) predstaviti na primeru profila ekstremnega potopa, ki nam bo pomagal dojeti problematiko sistemske toksičnsti kisika. Namen tega prikaza nikakor ni spodbuda k prakticiranju tovrstnih profilov, ki so iz tehničnega, kot fiziološkega stališča izvedljivi na varnejši način, temveč poenostavljen prikaz problematike toksičnosti kisika. V okvirih varnosti in smiselnosti ter tehnične zahtevnosti je spodnji profil potopa namreč dejansko skorajda neizvedljiv.
Spremljajmo npr. potapljača, ki se odloči za uporabo mešanice EAN36 (36% O2, 64% N2), standardne mešanice Nitrox z najvišjo vsebnostjo kisika. Iz drugega dela teksta o toksičnosti kisika vemo, da je zaradi nastopa akutne toksičnosti kisika, maksimalna dovoljena globina za EAN36 določena pri 34. metrih, saj takrat PO2 doseže vrednost 1.6ATA, po 45-minutni izpostavljenosti pa nastopi velika nevarnost za razvoj akutne toksičnosti kisika (glej spodnjo tabelo rdeča barva). Seveda se bo potapljač temu izognil, zato se odloči za konzervativnejši profil: globino 28 metrov, čas, ki ga pred nastopom akutne toksičnosti kisika lahko preživi na tej globini lahko razberemo iz tabele: 150 minut. Pri tem profilu potopa bo izpostavljen parcialnemu tlaku kisika, ki bo znašal 1.4ATA (glej tabelo zelena barva).
|
PO2 |
Maksimalen čas min = h |
Heq zrak (21 % O2) |
Heq nitrox I |
Heq nitrox II |
Heq 100 % O2 |
|
|
1.6 |
45 |
00:45 |
66 |
40 |
34 |
6 |
|
1.5 |
120 |
02:00 |
61 |
36 |
31 |
5 |
|
1.4 |
150 |
02:30 |
56 |
33 |
28 |
4 |
|
1.3 |
180 |
03:00 |
52 |
30 |
26 |
3 |
|
1.2 |
210 |
03:30 |
47 |
27 |
23 |
2 |
|
1.1 |
240 |
04:00 |
42 |
24 |
20 |
1 |
|
1.0 |
300 |
05:00 |
37 |
21 |
17 |
0 |
|
0.9 |
360 |
06:00 |
32 |
18 |
15 |
- |
|
0.8 |
450 |
07:30 |
28 |
15 |
12 |
- |
|
0.7 |
570 |
09:30 |
23 |
11 |
9 |
- |
|
0.6 |
720 |
12:00 |
18 |
8 |
6 |
- |
Ugotovili smo torej, da je profil potopa: 28m, 150 minut s stališča akutne toksičnosti kisika sprejemljiv. Kaj pa dekompresija ? Recimo, da potapljač za preračunavanje dekompresijske obveze uporablja algoritem Buhlman ZHL16c (danes najpogostejši algoritem v potapljaških računalnikih). Glede na ta algoritem je potapljačeva dekompresijska obveza naslednja: prvi dekompresijski postanek na 6. metrih za 26 minut, drugi dekompresijski postanek na 3. metrih za 78 minut. Če vse skupaj seštejemo, dobimo naslednji profil:
Iz zgornjih podatkov je razvidno, da gre za res ekstremen profil potopa, saj je glede na akutno toksičnost kisika mejni potop (kisikova ura pri tem profilu pride do maksimalnih 96.61% - akutna toksičnost kisika nastopi pri 100%) v rekreativni praksi dejansko neizvedljiv potapljač bi bil namreč v vodi skoraj 4 ure in pol (!podhladitev!), pri tem pa ob standardni potrošnji 20l/min potrošil kar 14.480 litrov dihalnega medija, ali (ob upoštevanju 50 barov rezerve) kar 5 18-litrskih jeklenk, polnjenih na standardnih 200 barov. To počne le malo rekreativcev, mar ne? (Dekompresijo s kisikom in obogatenimi mešanicami sem namenoma izpustil.) Kaj pa sistemska toksičnost kisika? Potapljač je vendarle uporabljal mešanico z visokim odstotnim deležem kisika (najvišjim, kar jih lahko rekreativec legalno kupi). Če se tudi tu vržemo na izračun in uporabimo Wrightovo UPTD metodo, dobimo naslednje vrednosti:
1. del potopa: PO2 = FO2 x P(tot); sledi: 0.36 x 3.8 = 1.386; sledi Kf = 1.63
UPTD = Kf x t(28m) = 1.63 x 152.5 = 248.6 UPTD
2. del potopa: PO2 = FO2 x P(tot); sledi: 0.36 x 1.6 = 0.576; sledi Kf = 0.26
UPTD = Kf x t(6m) = 0.26 x 26.5 = 6.89 UPTD
3. del potopa: PO2 = FO2 x P(tot); sledi: 0.36 x 1.3 = 0.468; sledi Kf = 0.00
UPTD = Kf x t(3m) = 0.00 x 78.5 = 0.00 UPTD
Vsota UPTD je 255.49, kar je daleč od dovoljenih 615 UPTD. Vidimo celo, da tretji del potopa sploh ni prispeval k sistemski toksičnosti kisika, temveč je v tem času prihajalo celo do ponastavljanja kisikove ure. Kar se tiče sistemske toksičnosti kisika, bi potapljač teoretično lahko identičen profil potopa opravil takoj po prihodu na površino (kar pa seveda ne velja na relaciji dušika)! Vidimo torej, da sistemska toksičnost kisika ni omembe vreden faktor pri še tako rigoroznem rekreativnem potapljanju. Problematična postane, kot že rečeno, pri terapiji v rekompresijski komori in tehničnem potapljanju, kjer prihaja do menjav mešanic dihalnega medija in dekompresije z uporabo eksotičnih mešanic Nitrox in čistega kisika.
Pa vendarle zgodba le ni tako preprosta
II. Hamiltonova metoda REPEX (1989)
Hamilton se je sistemske toksičnosti kisika lotil s stališča ˝multiday/multidive˝. Tisti, ki ste (drage) počitnice kdaj preživljali v katerem izmed eksotičnih kotičkov planeta, prav gotovo veste, da ustaljeno praksa potapljačev rekreativcev zlahka opišemo kot ˝potapljanje do onemoglosti˝ - teden ali dva s štirimi ali celo več potopi dnevno, ko se računalniki sploh ne ugasnejo. Zveni znano? Osnova Hamiltonove metode REPEX (REPeated EXposure ponovljena izpostavljenost) temelji na opažanjih razvoja sistemske toksičnosti kisika, ki se je pojavila pri komercialnih in vojaških potapljačih. Čim več dni namreč traja potapljanje (misija), tem manjša je dovoljena dnevna kisikova doza, ki jo je Hamilton določil kot OTU (Oxygen Tolerance Unit) in je v osnovi identična enoti UPTD. Ta metoda je zanimiva predvsem zato, ker kaže, da je težko preseči maksimalno toleranco za razvoj sistemske toksičnosti kisika v enem potopu, relativno lahko pa jo je preseči, če se potapljamo več zaporednih dni. Povzetek Hamiltonovih ugotovitev kaže naslednja razpredelnica:
|
|
Maksimalna dovoljena dnevna doza (OTU) |
Maksimalna dovoljena doza v tej misiji
(OTU) |
|
1 |
850 |
850 |
|
2 |
700 |
1400 |
|
3 |
620 |
1860 |
|
4 |
525 |
2100 |
|
5 |
460 |
2300 |
|
6 |
420 |
2520 |
|
7 |
380 |
2660 |
|
8 |
350 |
2800 |
|
9 |
330 |
2970 |
|
10 |
310 |
3100 |
|
|
||
|
15-30 |
300 |
Po potrebi |
Pri tehničnem, vojaškem, predvsem pa komercialnem potapljanju, se zaradi profilov potopov akumulirane vrednosti OTU ponavadi gibljejo okrog 400 OTU, kar po zgornji tabeli pomeni, da je podvodna dela potrebno planirati v okviru enega tedna. Praktični prikaz preračunavanja presega okvire tega teksta, za tiste, ki ste bolj ˝tehnične ˝ narave pa zgolj informativno formula, s katero je moč izračunati vrednosti OTU na potopu:
Pri tem velja: 0.5: spodnja meja, pri kateri se pojavijo simptomi/znaki toksičnosti
0.83: faktor, ki najbolje predstavlja zmanjševanje vitalne kapacitete pljuč
t: čas dihanja medija v minutah
OTU: enote sistemske toksičnosti kisika/minuto
Še zanimivost: Med začetnim tečajem ste mogli slišati, da multiday/multidive profili niso priporočljivi. Organizacija PADI je to priporočilo natisnila tudi na svoj Rekreativni planer potopov. Tam piše: ˝Zaradi trenutno še nepoznanih fizioloških učinkov večkratnega potapljanja v več zaporednih dneh, se potapljačem svetuje manj potopov in omejitev zahtevnosti le-teh proti izteku večdnevnega potapljanja.˝ Z znanjem, ki ste ga mogli dobiti s prebiranjem tega teksta, lahko skupno dodamo kamenček v mozaik, ki bo prispeval k zmanjšanju vrednosti besede ˝neznanih˝: Čeprav se priporočilo v tabelah nanaša predvsem na izločanje dušika, pa vemo, da se pri večdnevnem potapljanju počasi akumulira toksični efekt delovanja kisika na organizem, zaradi česar se počasi, a vztrajno (tudi pri rekreativnem potapljanju) ob večdnevnem potapljanju zmanjšuje vitalna kapaciteta pljuč. Posledica tega je otežena izmenjava plinov med organizmom in okolico, to pa hkrati pomeni tudi oteženo izločanje dušika iz organizma, kar nedvomno prispeva k povečanju možnosti za nastanek dekompresijske bolezni. Trditev v tabelah je tako potrebno jemati resno, saj močno dvomim, da ste lastnik/lastnica potapljaškega računalnika, ki preračunava tudi multiday/multidive OTU. Ali se motim?
III. Za konec
V treh tekstih o toksičnosti kisika sem skušal predstaviti nekaj zanimivih lastnosti tega plina. Vmes smo se dokopali tudi do potrditve stare ljudske modrosti, ki pravi, da ni v redu, če je nečesa premalo, v skladu s slovensko skromnostjo pa tudi, da ni dobro, če je nečesa preveč. V primeru kisika smo se tako v prvem delu ukvarjali s hipoksijo in njenim pomenom v prostem potapljanju in potapljanju z odprtokrožnimi dihalnimi sistemi. V drugem delu pa smo ugotovili, da je kisik relativno nevaren zaradi možnosti razvoja akutne toksičnosti in, da so dejstva, povezana s tem problemom odgovorna za tisto končno omejevanje globin pri potapljanju. Tehnični potapljači se z ustreznim znanjem lahko izognemo akutni toksičnosti kisika s skrbnim planiranjem potopov in uporabo posebnih mešanic (trimix, heliox), kisik pa ima v rokavu še zadnjega aduta sistemsko toksičnost, na katero je potrebno računati predvsem pri saturacijskem potapljanju in bivanju v habitatih ter v primeru rekreativca, ki se ni držal priporočil, ki jih je slišal na začetnem tečaju tudi v rekompresijskih komorah.
Kljub vsemu omenjenemu pa beseda ˝neznanih˝ v primeru kisika še vedno trdno ostaja z nami. Ugotavljamo namreč, da tudi kisik deluje narkotično
Veliko lepih in varnih potopov,
Dean Horvat.
Vprašanja, mnenja, komentarji, graje, (pohvale): mojca.dean@siol.net
P.S. Za vse tiste, ki vas zanimajo efekti toksičnega delovanja kisika in bi radi ta aspekt vključili tudi v svoje planiranje potopov ali pa se zgolj igrali z različnimi profili potopov pri različnih parcialnih tlakih kiska in opazovali možnosti za nastanek akutne toksičnosti kisika, seštevali akumulirane OTU, eksperimentirali z različnimi mešanicami ali čistim kisikom za dekompresijo, bo prav gotovo zanimiv programček Abyss, s katerim lahko vse omenjeno (in še kaj več) tudi počnete. Če ga še nimate, lahko demonstracijsko verzijo prenesete v svoj računalnik, če kliknete tukajle: Download Abyss. Veliko zabave. Zahvali zanj gresta avtorju in podjetju Scubapro za posredovanje.
Opomba skrbnika: Abyss bo zaradi pomanjkanja časa na voljo v prihodnjih dneh, čim bo mogoče.
Spisal (C) Dean, na HTML
pretvoril inu na svitlo dal Gregec, 20.
oktobra 2000