Влияние авиации на организм: физиология полетов, изменения давления и кислорода на высоте. Увеличение сердечного выброса, усталость мышц – как адаптируется тело.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Влияние авиации на организм
Effects of aviation on the body
Аэрокосмическая физиология изучает воздействие больших высот на организм, такое как изменение давления и уровня кислорода. На разных высотах организм может по-разному реагировать, увеличивая сердечный выброс и стимулируя выработку эритроцитов. Эти изменения приводят к повышенному расходу энергии в организме, вызывая мышечную усталость, однако степень этого зависит от высоты.
Aerospace physiology is the study of the effects of high altitudes on the body, such as different pressures and levels of oxygen. At different altitudes the body may react in different ways, provoking more cardiac output, and producing more erythrocytes. These changes cause more energy waste in the body, causing muscle fatigue, but this varies depending on the level of the altitude.
Влияние высоты
Физика, воздействующая на организм в небе или в космосе, отличается от физики на земле. Например, барометрическое давление различается на разных высотах. На уровне моря барометрическое давление составляет 760 мм рт. ст.; на высоте 3,048 м над уровнем моря – 523 мм рт. ст., а на высоте 15,240 м – 87 мм рт. ст. С уменьшением барометрического давления снижается и парциальное давление атмосферных газов. Это давление всегда составляет менее 20% от общего барометрического давления. На уровне моря парциальное давление кислорода в альвеолах составляет 104 мм рт. ст., а на высоте 6000 метров над уровнем моря оно снижается. У неакклиматизированного человека это давление может упасть до 40 мм рт. ст., а у акклиматизированного – до 52 мм рт. ст. Это связано с увеличением альвеолярной вентиляции у акклиматизированного организма. Авиационная физиология также изучает воздействие на людей и животных, находящихся в течение длительного времени в герметизированных кабинах. Другая основная проблема, связанная с высотой, – гипоксия, вызванная как недостатком барометрического давления, так и снижением концентрации кислорода по мере подъема. При воздействии больших высот парциальное давление углекислого газа в альвеолах (PCO2) снижается с 40 мм рт. ст. (на уровне моря) до более низких значений. У человека, акклиматизированного на уровне моря, вентиляция увеличивается примерно в пять раз, а парциальное давление углекислого газа снижается до 6 мм рт. ст. На высоте 3040 метров артериальная сатурация кислородом повышается до 90%, но выше этой отметки она быстро снижается до 70% (6000 м) и продолжает снижаться на больших высотах.
The physics that affect the body in the sky or in space are different from the ground. For example, barometric pressure is different at different heights. At sea level barometric pressure is 760 mmHg; at 3.048 m above sea level, barometric pressure is 523 mmHg, and at 15.240 m, the barometric pressure is 87 mmHg. As the barometric pressure decreases, atmospheric partial pressure decreases also. This pressure is always below 20% of the total barometric pressure. At sea level, alveolar partial pressure of oxygen is 104 mmHg, reaching 6000 meters above the sea level. This pressure will decrease up to 40 mmHg in a non acclimated person, but in an acclimated person, it will decrease as much as 52 mmHg. This is because alveolar ventilation will increase more in the acclimated person. Aviation physiology can also include the effect in humans and animals exposed for long periods of time inside pressurized cabins. The other main issue with altitude is hypoxia, caused by both the lack of barometric pressure and the decrease in oxygen as the body rises. With exposure at higher altitudes, alveolar carbon dioxide partial pressure (PCO2) decreases from 40 mmHg (sea level) to lower levels. With a person acclimated to sea level, ventilation increases about five times and the carbon dioxide partial pressure decreases up to 6 mmHg. In an altitude of 3040 meters, arterial saturation of oxygen elevates to 90%, but over this altitude arterial saturation of oxygen decreases rapidly as much as 70% (6000 m), and decreases more at higher altitudes.
g-силы
g-силы в основном испытываются организмом во время полета, особенно на высоких скоростях и в космических путешествиях. Это включает в себя положительные, отрицательные и нулевые g-силы, возникающие при простом ускорении, замедлении и центростремительном ускорении. Когда самолет выполняет поворот, центростремительное ускорение определяется формулой ƒ=mv2/r. Это означает, что при увеличении скорости центростремительная сила также увеличивается пропорционально квадрату скорости. Когда пилот испытывает положительную g-силу при ускорении, кровь перемещается в нижнюю часть тела, что означает, что при увеличении g-силы повышается кровяное давление во всех венах. Это приводит к уменьшению притока крови к сердцу, что влияет на его способность функционировать и снижает кровообращение. Последствия отрицательной g-силы могут быть более опасными, вызывая гиперемию и даже психотические эпизоды. В космосе g-силы практически равны нулю, что называется микрогравитацией, и означает, что человек находится в состоянии невесомости внутри космического аппарата. Это происходит потому, что сила гравитации действует на космический корабль и на тело одинаково, оба объекта испытывают одинаковое ускорение в одном направлении.
g forces are mostly experienced by the body during flight, especially high speed flight and space travel. This includes positive g force, negative g force and zero g force, caused by simple acceleration, deceleration and centripetal acceleration. When an airplane turns, centripetal acceleration is determined by ƒ=mv2/r. This indicates that if speed increases, centripetal acceleration force also increases in proportion to the square of the speed. When an aviator is submitted to positive g force in acceleration, the blood will move to the inferior part of the body, meaning that if the g force is elevated, all the blood pressure in veins will increase. This means less blood reaches the heart, affecting its ability to function, with decreased circulation. The effects for negative g force can be more dangerous producing hyperemia and also psychotic episodes. In space, G forces are almost zero, which is called microgravity, meaning that the person is floating in the interior of the vessel. This happens because the gravity acts on the spaceship and in the body equally, both are pulled with the same forces of acceleration and also in the same direction.
Общие последствия
Гипоксия возникает, когда кровоток испытывает недостаток кислорода. В аэрокосмической среде это происходит из-за малого количества или полного отсутствия кислорода. Работоспособность организма снижается, уменьшается подвижность всех мышц (скелетных и сердечных). Снижение работоспособности связано с уменьшением скорости транспорта кислорода. Некоторые острые эффекты гипоксии включают: головокружение, слабость, умственную усталость, мышечную усталость и эйфорию. Эти эффекты начнут проявляться у неакклиматизированного человека на высоте 3650 метров над уровнем моря. Эти эффекты усиливаются и могут привести к судорогам или конвульсиям на высоте 5500 метров, а на высоте 7000 метров – к коме. Эти эффекты обусловлены уменьшением количества эритроцитов, что вызывает значительное увеличение вязкости крови. Это приводит к снижению кровотока в тканях, и, как следствие, уменьшается распределение кислорода. Вазоконстрикция легочных артериол вызвана гипоксией в правой части сердца. Спазм артериол включает в себя большую часть кровотока через легочные сосуды, создавая короткое замыкание в кровотоке и уменьшая содержание кислорода в крови. Человек восстановится при введении кислорода или спуске на меньшую высоту. Горная болезнь и отек легких чаще всего встречаются у тех, кто быстро поднимается на большую высоту. Это заболевание начинается от нескольких часов до двух-трех дней после восхождения на большую высоту. Выделяют два случая: острый церебральный отек и острый отек легких. Первый вызван вазодилатацией сосудов головного мозга, обусловленной гипоксией; второй – вазоконстрикцией легочных артериол, вызванной гипоксией. Артериальные хеморецепторы стимулируются при воздействии низкого парциального давления и, следовательно, увеличивают альвеолярную вентиляцию, максимум в 1,65 раза. Почти сразу же компенсация на большой высоте начинается с увеличения легочной вентиляции, что приводит к выведению большого количества CO2. Парциальное давление углекислого газа снижается, а pH жидкостей организма повышается. Эти действия подавляют дыхательный центр продолговатого мозга, но позже это подавление исчезает, и дыхательный центр реагирует на стимуляцию периферических хеморецепторов из-за гипоксии, увеличивая вентиляцию до шести раз. Сердечный выброс увеличивается до 30% после подъема человека на большую высоту, но затем снижается до нормального уровня в зависимости от увеличения гематокрита. Количество кислорода, поступающего к периферическим тканям, остается относительно нормальным. Также развивается заболевание, называемое "ангиогенезией". Почки реагируют на низкое парциальное давление углекислого газа, уменьшая секрецию ионов водорода и увеличивая выведение бикарбоната. Этот респираторный алкалоз снижает концентрацию HCO3 и возвращает pH плазмы к нормальному уровню. Дыхательный центр реагирует на стимуляцию периферических хеморецепторов, вызванную гипоксией, после того как почки компенсируют алкалоз.
Hypoxia occurs when the bloodstream lacks oxygen. In an aerospace environment, this occurs because there is little or no oxygen. The work capacity of the body is reduced, decreasing the movement of all muscles (skeletal and cardiac muscles). The decrease in work capacity is related to the decrease of the oxygen of transportation velocity. Some acute effects from hypoxia include: dizziness, laxity, mental fatigue, muscle fatigue and euphoria. These effects will affect a non acclimated person starting in an altitude of 3650 meters above sea level. These effects will increase and can result in cramps or convulsions at an altitude of 5500 meters and will end in an altitude at 7000 meters with a coma. These effects are produced by a decrease of erythrocytes, which causes a significant increase of viscosity in blood. This causes diminished blood flow in tissues, so oxygen distribution decreases. The vasoconstriction of the pulmonary arterioles is caused by hypoxia in the right portion of the heart. Arteriole spasms include the major part of the blood flow through the pulmonary vessels, producing a short circuit in the blood flow giving less oxygen in blood. The person will recover if there is an administration of oxygen or if s/he is taken to low altitudes. Mountaineering disease and pulmonary edema are most common in those who climb rapidly to a high altitude. This illness starts from a few hours up to two or three days after ascension to a high altitude. There exist two cases: acute cerebral edema and acute pulmonary edema. The first one is caused by the vasodilatation of the cerebral blood vessels produced by the hypoxia; the second one is caused by the vasoconstriction of the pulmonary arterioles, caused by the hypoxia. Arterial chemical receptors are stimulated by exposure to a low partial pressure and hence increase alveolar ventilation, up to a maximum of 1.65 times. Almost immediately, compensation for the higher altitude begins with an increase of pulmonary ventilation eliminating a large amount CO2. Carbon dioxide partial pressure reduces and corporal fluids pH increase. These actions inhibit the respiratory center of the encephalic trunk, but later this inhibition disappears and the respiratory center responds to the stimulation of the peripheral chemical receptors because of the hypoxia increasing ventilation up to six times. Cardiac output increases up to 30% after a person rises to a high altitude, but it will decrease back to normal levels, depending on the increase of the hematocrit. The quantity of oxygen that goes to the peripheral tissues its relatively normal. Also a disease called "angiogenia" appears. The kidneys respond to low carbon dioxide partial pressure by decreasing the secretion of hydrogen ions, and increasing the excretion of bicarbonate. This respiratory alkalosis reduces the concentration of HCO3 and return plasma pH to normal levels. The respiratory center responds to the stimulation of the peripheral chemical receptors produced by the hypoxia after the kidneys have recover the alkalosis.