Dean Horvat:
Nitrox za rekreativce
Spletni priročnik
|
Dean Horvat:Nitrox za rekreativceSpletni priročnik |
|
|||
Fiziologija je medicinska znanost, ki se ukvarja z delovanjem
človeškega telesa, fiziologija potapljanja pa njena ožja smer, ki proučuje delovanje
potapljačevega telesa v spremenjenih in specifičnih okoliščinah, ki jih predstavlja
vodno okolje in bivanje v njem. Fiziološke posebnosti, ki izhajajo iz uporabe
Nitroxa so v glavnem posledica dihanja plinske mešanice z nestandardnim
razmerjem med kisikom in dušikom v vodnem okolju.
V tem poglavju bomo definirali osnovne fizikalne pojme, ki vam bodo pomagali
razumeti principe fizioloških procesov pri potapljaču, ki med potopom uporablja
Nitrox.
Plini
Številni kemijski elementi so v svojem naravnem agregatnem stanju plini. Zaradi tega jih v naravi običajno le redko najdemo v čisti elementarni obliki - običajno so med sabo pomešani v plinske mešanice. Najobičajnejša plinska mešanica je zrak, ki je po volumskem deležu sestavljen iz naslednjih plinastih elementov:
Slika 4: Sestava atmosferskega zraka po volumskih deležih plinov
V tej diskusiji nas zanimata predvsem dušik in kisik kot pomembna dihalna plina, za ostale pa v poenostavitev privzemimo, da se v atmosferi nahajajo v premajhnih količinah, da bi kot plini v jeklenki z dihalnim medijem imeli pomembnejšo fiziološko vlogo pri rekreativnem potapljanju.
Dušik (N2) je, vsaj kar se tiče njegove
vloge pri rekreativnem potapljanju, inertni (nereaktivni) plin, kar
pomeni, da se v procesu dihanja ne presnavlja: kolikor ga vdihnemo, toliko ga
tudi izdihnemo, saj ga naše telo ne potrebuje za življenjske procese. Kot je
razvidno iz slike 4, je dušik po volumskem deležu daleč najpogostejši plin v
atmosferi, v procesu dihanja človeka pa služi predvsem kot diluent (razredčevalec)
pri prenosu molekul kisika. V prosti obliki ga najdemo v obliki molekule para
atomov, zato ga kot plin pogosto označujemo kot N2. Dušik
lahko potapljačem povzroča kar nekaj težav: čeprav se v dihalnem procesu ne
porablja, ovira in upočasni delovanje centralnega živčnega sistema, če ga dihamo
pod povišanim tlakom. Stanje imenujemo dušikova narkoza. (Poleg dušika
narkotično delujejo tudi drugi inertni plini. Več o tem v članku: Narkotično
delovanje inertnih plinov, II. Del). Zaradi svoje visoke relativne molekulske
mase dušik pri globokih potopih tudi bistveno prispeva k povečanju dihalnega
dela. Morda najbolj znana težava, ki jo povzroča dušik pa je dekompresijska
bolezen - klinično opredeljiva manifestacija izločanja dušika v obliki
mehurčkov v tkiva telesa pri prehitrem dvigu potapljača na površino.
Kisik (O2) je kemijski element, ki zlahka
reagira s številnimi drugimi elementi in z njimi tvori različne spojine. Za
dušikom je po volumskem deležu s slabimi 21% drugi najpogostejši plin atmosfere.
Večinoma (85%) nastaja kot stranski produkt fotosinteze fitoplanktona (diatomej
in dinoflagel), ki uspeva v ozkem, s sončno svetlobo osvetljenem pasu svetovnih
oceanov, v manjši meri (15%) pa ga proizvajajo tudi zelene kopenske rastline.
Kisik je metabolni (presnovni) plin, ki ga človeški organizem uporablja
predvsem v procesu celičnega dihanja, kjer v celičnih organčkih, imenovanih
mitohondriji sodeluje pri nastanku univerzalne celične energije - energetsko
bogate molekule ATP kot končni sprejemnik elektronov, pri čemer nastaja voda.
Brez kisika lahko človeško telo preživi le kratek čas (okrog 10 minut), saj
mu brez njega hitro poidejo energetske zaloge ATP. V času pomanjkanja kisika
- hipoksiji ali celo odsotnosti kisika - anoksiji hitro nastopijo
nepopravljive, z življenjem nezdružljive okvare možganov. Preveč kisika pa po
drugi strani tudi deluje škodljivo pri potapljanju z mešanicami Nitrox je
predvsem pomembna akutna toksičnost kisika, ki vodi v nenadzorovano
krčenje mišic celotnega telesa in izgubo zavesti (ter posledično utopitev),
ki se relativno hitro razvije, če potapljač diha mešanico Nitrox, v kateri je
volumski delež kisika previsok za globino in čas izpostavljenosti danemu parcialnemu
tlaku kisika.
Parcialni tlaki
Koncept parcialnih tlakov je bistvenega pomena za razumevanje fizioloških procesov pri potapljanju z Nitroxom. Fiziološki odziv telesa je namreč neposredna posledica parcialnih tlakov plinov v telesu in ne volumskega deleža le-teh v dihalni mešanici v jeklenki. Ko torej govorimo o fizioloških učinkih dihalnih plinov, imamo v mislih vedno parcialne tlake teh plinov v telesu.
Vlogo parcialnih tlakov opredeljuje Daltonov zakon. Kot smo že ugotovili,
plinske mešanice nastajajo, kadar pride do mešanja različnih elementarnih plinov.
Pri tem se, ne glede na razlike v molekulski masi, posamezne molekule zaradi
nenehnega gibanja enakomerno premešajo med seboj v celotni prostornini, ki jo
zaseda mešanica. Pojavu, da je tok snovi usmerjen iz področja z višjo koncentracijo
proti področju z nižjo koncentracijo s ciljem enakomerne razporeditve snovi
po celotni prostornini, ki jo snov zaseda, pravimo difuzija (o tem
nekaj več kasneje). Vendar pa kljub temu, da so molekule različnih vrst kemijskih
elementov (oz. plinov) v plinski mešanici enakomerno razporejene, vsak plin
še vedno kaže svojo značilno lastnost, ki se tiče lastnega tlaka.
Različni plini, ki jih potapljač vdihuje pod pritiskom imajo različne fiziološke
učinke. Stvar se še nekoliko bolj zaplete, če potapljač vdihuje mešanico plinov.
Za popolno razumevanje fiziologije potapljanja je torej nujno, da potapljač
razume in zna predvideti lastnosti sestavin plina pod povišanim tlakom.
Prvi znanstvenik, ki je raziskal ta pojav je bil angleški znanstvenik John Dalton,
ki je med drugim znan tudi po opisu sestavin snovi, atomov. Daltonov zakon o
lastnostih plinov v plinskih mešanicah pravi: Skupni tlak mešanice plinov
je enak vsoti posameznih tlakov vseh različnih plinov, ki sestavljajo plinsko
mešanico. Vsak posamezni plin se vede kot da bi bil samostojen in bi zasedal
celotno prostornino.
Daltonov zakon tako pravi, da je vsak plin v plinski mešanici samostojen in
neodvisen od drugih različnih plinov. Tlak posameznega plina je sorazmeren številu
molekul tega plina v plinski mešanici. Temu tlaku pravimo parcialni tlak
(parcialen = delni) in ga označujemo z oznako pp. Pomen parcialnega
tlaka je velik, saj sta tako topnost kot difuzija plina v tkivih potapljača
odvisna od parcialnega tlaka vdihnjenega plina.
Za primer proučimo standardno mešanico Nitrox, EAN36,
ki je sestavljena iz 64% dušika (N2) in 36% kisika (O2)
pri tlaku 1 bar. (Pri rekreativnem potapljanju je pomen vsebnosti drugih plinov
zanemraljiv.) Daltonov zakon trdi, da 36% skupnega tlaka plinske mešanice prispeva
kisik, 64% pa dušik. Če je skupni tlak mešanice plina 1 bar, potem velja, da
je parcialni tlak kisika 0.36 bar, parcialni tlak dušika pa 0.64 bar. Če prostor,
v katerem se nahaja plin prepolovimo (zmanjšamo prostornino na polovico prvotne)
pri nespremenjeni temperaturi, bo tlak plina (v skladu z Boylovim zakonom) narasel
na 2 bar, gostota le-tega pa bo dvakrat večja. Vendar bo kljub vsemu vsak posamezni
plin še vedno izvajal parcialni tlak v skladu z mešanico v razmerju 64/36. Tako
bo pri skupnem tlaku 2 bar, parcialni tlak dušika 0.64 bar x 2 = 1.28 bar, parcialni
tlak kisika pa bo 0.36 bar x 2 = 0.72 bar. Daltonov zakon lahko v smislu povedanega
predstavimo tudi z naslednjo razpredelnico:
Slika 5: Daltonov zakon: Spremembe parcialnega tlaka dušika in kisika v mešanici EAN36 v odvisnosti od globine (skupnega tlaka)
Matematično lahko Daltonov zakon izrazimo z naslednjima enačbama:
in:
Z naslednjim primerom prikažimo Daltonov zakon: Kolikšen je parcialni tlak kisika na globini 35 metrov v mešanici EAN32?
V medicini pogosto naletimo na izražanje parcialnega tlaka v stari (in danes v sistemu SI sicer nedovoljeni) enoti milimetri živega srebra (mmHg). Za pretvorbo v mmHg pomnožimo tlak v enoti bar s faktorjem 760. Iz zgornjega primera torej sledi 1.44 bar x 760 = 1094.4 mmHg.
Difuzija plinov
Pomen poznavanja parcialnih tlakov plinov dihalne mešanice
pri potapljanju z Nitroxom pride do izraza, ko želimo določiti stopnjo difuzije
plinov v telo in iz telesa. Difuzija je pojav, kjer je tok snovi usmerjen
iz področja z višjo koncentracijo proti področju z nižjo koncentracijo
s ciljem enakomerne razporeditve snovi po celotni prostornini, ki jo snov zaseda.
Hitrost, s katero difundirajo plini v in iz človeškega telesa, je odvisna od
več faktorjev, med katerimi sta za to diskusijo pomembna predvsem parcialni
tlak kisika in dušika v pljučih in parcialni tlak kisika in dušika, ki je že
raztopljen v telesu. Po vdihu iz regulatorja se v pljučih nahaja plinska mešanica
Nitrox v plinastem stanju - v fiziologiji pravimo, da sta kisik in dušik v prosti
plinski fazi. Kisik in dušik, ki sta že prešla membrano pljuč pa sta raztopljena
v tkivih telesa, njunima parcialnima tlakoma pa pravimo tenzija dušika
in kisika, s čimer želimo poudariti, da sta plina v tkivih raztopljena in ne
v plinastem stanju.
Pri dihanju Nitroxa sta parcialna tlaka kisika in dušika v
prosti plinski fazi odvisna od globine (ambientalnega tlaka) in volumskega deleža
posameznega plina v dihalni mešanici. V praksi to pomeni, da z naraščanjem globine
naraščata ppO2 in ppN2 (Glej Sliko
5).
Skupni količini plina, ki se v telesu lahko raztopi pravimo koncentracija zasičenosti ali saturiranost. V tej točki je tenzija plinov v tkivih taka, da se vzpostavi dinamično kemično ravnotežje, stanje, ko ni neto toka molekul plinov med tkivi in pljuči prek membrane pljuč - iz telesa prek membrane pljuč v določeni časovni enoti preide v prosto plinsko fazo natančno toliko molekul plina, kolikor jih iz pljuč preide v tkiva. Med dejavniki, od katerih je koncentracija zasičenosti odvisna, je najpomembnejši parcialni tlak dihalne mešanice. Ko povečamo parcialni tlak dušika in kisika s tem, da se spustimo globlje, se obenem poveča tudi skupna količina plina, ki se v telesu lahko raztopi. Med bivanjem na določeni globini se v potapljačevih tkivih tako nalagajo raztopljeni plini, a le do točke, ko je dosežena koncentracija zasičenosti in se vzpostavi dinamično kemično ravnotežje. Če potapljač nato zaplava še nekoliko globlje, zopet pridobi nekaj ˝rezerve˝ v tkivih za dodatno raztapljanje plinov. Proces difuzije poteka v obratni smeri, ko ambientalni tlak pade, kar se zgodi ob dviganju potapljača proti površini. V tem trenutku je parcialni tlak plinov v pljučih nižji od tenzije plinov v tkivih in neto tok difuzije plinov bo zato usmerjen od tkiv proti pljučem, kar se bo dogajalo do ponovne vzpostavitve dinamičnega kemičnega ravnotežja. Oglejmo si proces difuzije na primeru simulacije potopa:
Slika 6: Pričetek potopa - nominalna (fiziološka) saturiranost
Ob pričetku potopa, kjer potapljač uporablja kot dihalni medij
atmosferski zrak, so parcialni tlaki kisika in dušika v pljučih enaki parcialnim
tlakom (tenziji) kisika in dušika v tkivih. Sistem, kjer mejo med notranjim
in zunanjim okoljem predstavlja membrana pljuč, je v dinamičnem kemičnem ravnotežju:
prek membrane pljuč v časovni enoti preide v tkiva telesa natanko toliko molekul
kisika in dušika, kolikor jih iz tkiv telesa preide v zunanje okolje. Temu stanju
pravimo nominalna (začetna) ali fiziološka saturiranost.
Ker je Nitrox plinska mešanica, ki vsebuje več kisika in manj dušika kot zrak,
pa ob pričetku potopa že pravzaprav poteka pospešen prehod kisika iz zunanjosti
v tkiva telesa ter pospešen prehod dušika iz tkiv telesa v zunanjost.
Slika 7: Spust - saturacija
Med spuščanjem v globino narašča ambientalni tlak, kar pomeni, da potapljač (zaradi zasnove SCUBA aparata) vdihuje kisik in dušik v mešanici Nitrox pod povišanim parcialnim tlakom. Parcialni tlaki kisika in dušika v pljučih so tako višji kot tenzija kisika in dušika v tkivih, zato difuzija obeh plinov prek membrane pljuč poteka pospešeno v smeri iz pljuč proti tkivom, dokler se parcialni tlak plinov v pljučih in tenzija plinov v tkivih ne izenačita. Procesu pravimo saturacija.
Slika 8: Bivanje na globini - saturacija in ambientalna saturiranost
Med bivanjem potapljača na določeni globini poteka proces difuzije
kisika in dušika v smeri iz pljuč proti tkivom dokler se tkiva popolnoma ne
nasičijo s plinoma, čemur pravimo ambientalna saturiranost. Takrat
se vzpostavi novo dinamično kemično ravnotejžje. Rekreativni potapljači nikoli
ne preživijo toliko časa pod vodo, da bi se tkiva popolnoma satrurirala.
Slika 9: Dvig - Hipersaturacija in desaturacija
Med dviganjem proti površini ambientalni tlak pada, kar pomeni,
da SCUBA aparat potapljaču dovaja kisik in dušik pod parcialnim tlakom, ki je
nižji od tenzije obeh plinov v tkivih. Stanju, ko je tenzija plina v tkivu višja
od parcialnega tlaka tega plina v okolju (pljučih), pravimo hipersaturacija
(prenasičenost). Vzpostavi se difuzija, ki poteka v smeri od tkiv proti zunanjosti
(pljučem), procesu pa pravimo desaturacija. Desaturacija poteka, dokler
se ponovno ne vzpostavi dinamično kemično ravnotežje - v primeru potapljača,
ki se dvigne na površino do vzpostavitve nominalne (fiziološke) saturiranosti
(Slika 6), kar lahko v rekreativnem potapljanju traja tudi do 12 ur po koncu
potopa. Višek plinov torej potapljač izdihuje prek pljuč v okolje.
Težava, ki jo imenujemo dekompresijska bolezen, nastane, ko je dvig potapljača proti površini tako hiter, da dihalni in krvožilni sistem ne zmoreta dovolj hitro odvajati viška dušika (ali drugega inertnega plina) prek membrane pljuč, zaradi česar se prične dušik izločati v prosti plinski fazi (plinastem agregatnem stanju v obliki mehurčkov plina) znotraj tkiv. Klinični znaki in simptomi so odvisni od mesta v tkivih, kjer se mehurčki izločajo.
Na difuzijo plinov vplivajo tudi drugi dejavniki - temperatura je eden takih. V tkivih se lahko raztopi več plinov pri nižjih temperaturah, vendar pa velja, da je človeško telo veliko prekompliciran sistem, da bi ga mogli predstaviti s preprostim fiziološkim modelom. Tudi moderni difuzijski modeli, ki vključujejo številne druge dejavnike, npr. različno topnost plinov v različnih tkivih, prekrvavitev, stopnjo hidriranosti tkiv, fizično aktivnost in številne druge, so le slab matematični približek vsemu tistemu, kar se dogaja v človeškem telesu pri dihanju Nitroxa (Več o tem v članku: Teorija dekompresije, 1.del: Haldanov dekompresijski model).
V naslednjem poglavju se bomo natančneje posvetili kisiku.
Veliko lepih in varnih potopov,
Last updated
20-Jul-2004
, (C) Gregec , Dean,
2000,2001,2002,2003,2004